燒結(jié)煙氣超低排放穩(wěn)定運行的研究與實踐

孫彥廣，甄 眾，鄒宗來，李智勇，董云江，張 軍

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

鋼鐵行業(yè)是我國大氣污染治理和超低排放控制的重點領(lǐng)域，其中燒結(jié)工序煙氣治理是鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)超低排放的重點環(huán)節(jié)，燒結(jié)煙氣中的NOx 是大氣主要污染物之一。天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（下稱聯(lián)合特鋼公司）兩臺230 m2燒結(jié)機脫硝工藝采用的是選擇性催化還原脫硝（SCR）技術(shù)，該煙氣脫硝技術(shù)優(yōu)勢為脫硝效率高、裝置結(jié)構(gòu)相對簡單。但聯(lián)合特鋼公司煙氣處理是先脫銷再脫硫，因此在煙氣遇到脫硝用催化劑時，可以將部分煙氣中的SO2氧化生成SO3，SO3與脫硝過程中逃逸的NH3反應(yīng)生成硫酸氫氨，硫酸氫氨具有粘性，吸附積灰后會對催化劑和回轉(zhuǎn)再生式煙氣換熱器造成堵塞，除此以外，經(jīng)過我們實際運行情況來看，還存在其他原因?qū)е碌亩氯?/p>

因此，研究解決催化劑與GGH 堵塞的問題是實現(xiàn)燒結(jié)煙氣NOx超低排放的重要技術(shù)措施。本文介紹了SCR 脫硝原理和設(shè)備工藝布置，分析了聯(lián)合特鋼公司燒結(jié)煙氣治理系統(tǒng)催化劑和GGH 堵塞的原因，提出了工藝技術(shù)改進建議，并對改進效果進行了總結(jié)。

1 SCR 脫硝原理以及脫硝裝置的工藝布置

1.1 SCR 反應(yīng)原理

聯(lián)合特鋼公司燒結(jié)煙氣治理的工藝路線為：經(jīng)電除塵脫除顆粒物的燒結(jié)煙氣通過主抽風機進入SCR 脫硝系統(tǒng)，脫除氮氧化物的煙氣由增壓風機送入濕法脫硫塔中進行脫硫，最終煙氣經(jīng)過消白處理后排出煙筒，實現(xiàn)燒結(jié)煙氣超低排放。其中SCR 脫硝工藝選用NH3作為還原劑，在催化劑選擇性催化還原的作用下，煙氣中的NOx與NH3反應(yīng)生成N2和H2O。 SCR 脫硝工藝反應(yīng)原理圖如圖1 所示。

圖1 SCR 脫硝工藝反應(yīng)原理圖

1.2 脫硝裝置的工藝布置

聯(lián)合特鋼公司燒結(jié)煙氣脫硝反應(yīng)器內(nèi)布置有兩層催化劑，煙氣由上向下流動，垂直通過催化劑。噴NH3格柵布置在煙氣入口側(cè)，與NH3混合后的煙氣經(jīng)過導(dǎo)流板和整流格柵后進入SCR 反應(yīng)器內(nèi)部進行催化還原反應(yīng)。聯(lián)合特鋼公司脫硝裝置布置如圖2 所示。

圖2 聯(lián)合特鋼公司脫硝裝置布置圖

2 SCR 堵塞問題原因分析

2.1 氨逃逸

聯(lián)合特鋼公司SCR 工藝采用的是蜂窩狀催化劑，其載體為TiO2，活性成分由V2O5、WO3組成。但V2O5在提高脫硝效率的同時也促進了SO2生成SO3的反應(yīng)，而SO3能和脫硝過程中逃逸的NH3反應(yīng)生成硫酸氫氨[1]。硫酸氫氨具有粘性，能夠吸附飛灰從而造成催化劑與GGH 堵塞。生成硫酸氫氨和硫酸銨的反應(yīng)如下：

SCR 煙氣脫硝過程氨逃逸是難免的，并且會隨著運行時間的推移，氨逃逸會逐步升高，氨逃逸率同運行時間的關(guān)系如圖3 所示。氨逃逸原因分析如下：

圖3 氨逃逸率同運行時間的關(guān)系

（1）反應(yīng)器注入氨流量分布不均勻。由于反應(yīng)器相當于一個巨大的箱體，如果噴氨格柵設(shè)計與安裝位置不合理，使注入氨流量分布不均勻，會造成不同位置單位體積下的氨氣濃度差別較大，導(dǎo)致脫硝效率降低，使氨逃逸率升高.

（2）噴氨量的控制問題?？刂坪肗H3和NOx的化學計量比至關(guān)重要，根據(jù)入口氮氧化物濃度的變化及時調(diào)整噴氨量，避免出現(xiàn)過量噴氨的情況。

2.2 催化劑溫度

燒結(jié)煙氣通過催化劑的溫度和催化劑的活性密切相關(guān)[1]，催化劑最佳活性溫度區(qū)間320 ℃～420℃。當煙氣溫度過低時，催化劑活性降低，從而降低NOx的脫出效率，在此溫度下噴入的NH3還會與煙氣中的SOx反應(yīng)生成硫酸氫氨，硫酸氫氨容易吸附飛灰造成催化劑與GGH 堵塞；當煙氣溫度過高時，NH3會和O2反應(yīng)，導(dǎo)致煙氣中的NOx增加，從而抵消脫硝效果。因此，精準的煙氣溫度控制是脫硝穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

2.3 催化劑吹灰系統(tǒng)問題

燒結(jié)煙氣中含有大量的灰塵，經(jīng)過機頭電除塵過濾后塵濃度大幅降低，但長期運行后仍會堆積在催化劑表面，使NH3和NOx不能正常的在催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)；隨著時間的推移，煙氣的阻力也會逐步增加，催化劑良好的吹灰效果是SCR 脫硝長期穩(wěn)定運行的基本條件。燒結(jié)煙氣的灰塵中包含多種堿金屬，堿金屬能化學性地吸附在活性催化劑的毛細孔表面并引起堵塞，其中Na 和K 是最主要的兩類[2]。機頭除塵灰主要成分如表1 所示。

表1 機頭除塵灰成分 /%

通過表1 可以看出，燒結(jié)煙氣中堿金屬的比例是非常高的，尤其是K2O，已經(jīng)達到了14.83%，所以及時清理催化劑表面的積灰十分重要。反應(yīng)器每層催化劑配備5 臺耙式吹灰器，每臺耙式吹灰器分三組耙管，每根耙管噴嘴數(shù)19 個。耙式吹灰器布置如圖4 所示。

圖4 耙式吹灰器布置圖

耙式吹灰器吹灰時按照先上層后下層，逐一進行吹灰的方式運行，通過耙式吹灰器布置圖來看，催化劑可以全面的得到吹掃。但實際運行情況非常糟糕，吹灰效果并不理想，催化劑堵塞嚴重，未能達到理想的效果。催化劑積灰情況如圖5 所示。

圖5 催化劑積灰情況

3 SCR 堵塞問題改進措施

3.1 催化劑溫度的精準控制

硫酸氫氨的形成是可逆的，將溫度升高到316℃即可使硫酸氫氨升華[3]。煙氣經(jīng)過催化劑的溫度區(qū)間也決定了脫硝效率與SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的高低，參考催化劑技術(shù)協(xié)議中相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，我們選取320 ℃～330 ℃為催化劑溫度的控制范圍，在保證較高的脫硝效率和降低氨逃逸的同時，使SO2/SO3轉(zhuǎn)化率處于低位，從根本上減少硫酸氫氨的生成。另外催化劑溫度在320 ℃～330 ℃之間，可同時保證GGH凈煙氣熱端溫度在316 ℃以上，可以使生成的硫酸氫氨升華，在GGH 冷端形成的少量硫酸氫氨可以用吹灰器清除。SO2/SO3轉(zhuǎn)化率同煙氣溫度的曲線如圖6 所示，脫硝效率同煙氣溫度曲線如圖7 所示。

圖6 SO2/SO3 轉(zhuǎn)化率同煙氣溫度的曲線

圖7 脫硝效率同煙氣溫度曲線

3.2 催化劑吹灰系統(tǒng)的改進

（1）分析催化劑表面積灰情況，發(fā)現(xiàn)吹灰效果并不均勻，我們用壓縮空氣進行人工吹掃，積灰可以有效的得到清理。要想吹灰器達到理想的效果，需要調(diào)整吹灰器的工藝布置，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和實驗決定將耙式吹灰器的高度降低130 mm,使得噴嘴與催化劑表面距離縮短，并每根耙管噴嘴數(shù)量由原有的19 個增加至37 個，降低吹灰器噴嘴高度的同時增加了噴嘴的密度。

（2）由于耙式吹灰器氣源為氮氣，溫度為常溫，相對于脫硝催化劑320 ℃的溫度來說非常低，吹灰的同時也給催化劑表面起到了降溫的作用，催化劑表面溫度過低不僅會降低脫硝效率而且會生成硫酸氫氨堵塞催化劑。經(jīng)過反復(fù)設(shè)計，最終決定氮氣氣源管在反應(yīng)器一層催化劑與二層催化劑之間進行盤管，利用反應(yīng)器內(nèi)的高溫對氮氣進行加熱，使氮氣溫度上升，目前能達到120 ℃，減小低溫對催化劑的影響，加強吹灰效果。

3.3 加強GGH 堵塞后的清理

我們采集了GGH 部分堵塞物樣品，實驗后發(fā)現(xiàn)其易溶于水。經(jīng)調(diào)研論證，并結(jié)合之前行業(yè)上對GGH 在線清洗實施成功的方案，決定對GGH 的堵塞物實施水清洗方案，即采取高壓水沖洗與低壓水清洗相結(jié)合的方式進行GGH 的單側(cè)清洗[4]。聯(lián)合特鋼公司利用燒結(jié)機3 天檢修契機，在GGH 內(nèi)部布置了沖洗水管路和噴嘴，利用沖洗水泵對GGH的堵塞物進行水洗，并通過手動盤車的方式完成整體的沖洗工作。開機后GGH 差壓從之前的1600 pa 降低到500 pa，效果明顯。GGH 沖洗噴嘴如圖8所示。

圖8 GGH 沖洗噴嘴

3.4 增加反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速

增壓風機功率偏小也會在一定程度上影響煙氣脫硝的穩(wěn)定運行。煙氣壓力過低，會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速變慢，飛灰更容易沉積在催化劑表面，導(dǎo)致吹灰器需要處理的塵量變大，而吹灰器是間斷運行的，吹灰時加大的煙塵濃度給GGH 也造成了比較大的壓力，同時不利于外排顆粒物的穩(wěn)定控制。

3.5 降低煙氣飛灰黏度

堵塞催化劑的積灰黏度高，甚至有板結(jié)在催化劑表面的情況發(fā)生。為了改善這一情況，經(jīng)過詳細的實驗研究與論證，一種調(diào)質(zhì)劑可以緩解堵塞催化劑積灰粘度高的問題，雖然調(diào)質(zhì)劑會有讓催化劑中毒的風險，但積灰粘度降低后會被吹灰器及時清理，因此調(diào)質(zhì)劑對催化劑的影響可以忽略不計。我們向脫硝之前的原煙氣中噴入適量的調(diào)質(zhì)劑粉末，調(diào)質(zhì)劑的投入效果十分明顯，積灰黏度明顯降低、質(zhì)地如流沙，配合經(jīng)過改進的吹灰器，催化劑在正常生產(chǎn)過程當中的清理效果明顯改進。連續(xù)運行77天后催化劑狀態(tài)如圖9 所示。

圖9 連續(xù)運行57 天后催化劑狀態(tài)

4 結(jié)語

在SCR 脫硝工藝中，催化劑中的活性成分V2O5會促進煙氣中SO2氧化成SO3，而氨逃逸是無法完全避免的。因此控制催化劑溫度320 ℃～330 ℃之間可以使SO2/SO3轉(zhuǎn)化率與脫硝效率取得平衡，可在脫硝的過程中最大限度的減少硫酸氫氨的生成。只要催化劑吹灰系統(tǒng)吹灰器定時吹掃，GGH 凈煙氣入口溫度高于316 ℃，堵塞的可能性明顯降低，GGH即使長時間運行堵塞后也可以用水洗的方法解決。

通過實施催化劑吹灰系統(tǒng)的改進、加強GGH堵塞后的清理、增加反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速、向煙氣中加入調(diào)質(zhì)劑等工藝改進措施，保障了SCR 脫硝系統(tǒng)的運行效果。目前聯(lián)合特鋼公司SCR 脫硝系統(tǒng)未再發(fā)生過因催化劑與GGH 堵塞造成的停機檢修情況，有效解決了前置SCR 脫硝催化劑、GGH 堵塞的問題。