軋鋼加熱爐節(jié)能減排環(huán)保新技術(shù)研究探討

供稿|孫少華，劉楊，張海生，蘇磊，劉凱，王君珂

內(nèi)容導讀

分析了加熱爐煙道廢氣環(huán)保處理新技術(shù)，主要針對煙氣中CO、SO2、NOx等成分進行降低消除，滿足國家環(huán)保排放標準。隨著近年來加熱爐技術(shù)不斷發(fā)展成熟，加熱爐工藝設(shè)計也日臻完善，但煙氣排放問題始終未得到有效的解決。近幾年國家環(huán)保形勢嚴峻，節(jié)能減排環(huán)保新技術(shù)應運而生，煙氣反吹技術(shù)、脫硫脫硝技術(shù)不僅能夠有效降低焦爐煙道廢氣中的CO、SO2、NOx，而且還可以滿足節(jié)能環(huán)保的要求。通過對加熱爐煙道廢氣處理新技術(shù)進行研究，確定加熱爐煙道煙氣處理的技術(shù)，以期為加熱爐的安全生產(chǎn)提供可靠的保障，創(chuàng)造出最大化經(jīng)濟效益與社會效益。

隨著環(huán)保形勢日益嚴峻，以及國家不斷深入的開展鋼鐵企業(yè)工程減排深度治理工作，以轉(zhuǎn)爐煤氣、焦爐煤氣或天然氣等高熱值燃料為原料的軋鋼加熱爐須采用煙氣反吹技術(shù)、低氮燃燒或煙氣脫硫脫硝技術(shù)，以確保CO、SO2、NOx排放穩(wěn)定達到超低排放標準。

某鋼廠軋鋼加熱爐長31 m，寬9.2 m，加熱坯料長度3.5~8.0 m，采用高產(chǎn)、低耗、自動化程度高、生產(chǎn)靈活的蓄熱步進梁式加熱爐，高爐煤氣、焦爐煤氣為軋鋼加熱爐的主要燃料。擬配套新建CO、SO2、NOx治理設(shè)施，以滿足環(huán)保要求，改善大氣環(huán)境質(zhì)量。通過對不同技術(shù)方案對比，確定軋鋼加熱爐煙氣處理方式、工藝流程。

加熱爐煙氣反吹技術(shù)

加熱爐煙氣現(xiàn)狀

現(xiàn)今雙蓄熱式燃燒技術(shù)已經(jīng)成為各種類型工業(yè)爐窯的主流燃燒技術(shù)，該燃燒技術(shù)可以使低熱值高爐煤氣通過蓄熱技術(shù)直接用于坯料加熱，無需提高煤氣熱值，且蓄熱燃燒技術(shù)實現(xiàn)了煙氣的低溫排放，最大程度上實現(xiàn)了余熱回收和節(jié)能效果。

但蓄熱燃燒技術(shù)加熱爐普遍存在如下問題，每次燃燒–排煙換向閥切換間隙，蓄熱式燒嘴由燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變成排煙狀態(tài)，換向閥到蓄熱式燒嘴之間殘存的煤氣就會被排煙系統(tǒng)抽走，導致此期間有大量的CO 外溢，造成對環(huán)境的破壞。

這是蓄熱燃燒技術(shù)加熱爐不可避免的問題，而且蓄熱燃燒加熱爐換向閥頻繁動作，45~60 s 換向周期不等，由此造成的每次換向閥切換間隙CO 整體流量體積外溢量約6%~7%，所以，換向閥至燒嘴之間的切換間隙是必然存在的。

煙氣反吹技術(shù)的應用

煙氣反吹技術(shù)抽取煙道末端煙氣反向?qū)爰訜釥t進行二次燃燒，對于燃燒及排煙間隙的CO 進行二次利用，既有效避免部分CO 排入大氣又實現(xiàn)能源的二次利用與成本降低。

從煙氣反吹技術(shù)新增設(shè)備方面來說，主體設(shè)備為反吹風機、閥門及管道，投資成本較小，設(shè)備接入相對簡單，如圖1 所示，技術(shù)成型度相對完善，投入運行后排入大氣的CO 量顯著降低，達到了每次換向閥切換間隙CO 外溢量約0.25%以下，二次燃燒也使加熱爐煤氣能耗成本顯著降低，高爐煤氣使用量節(jié)約3%～4%，僅此一項，年節(jié)約成本約80 萬元/年。

圖1 加熱爐煙氣反吹示意圖（單位 mm）

加熱爐脫硫脫硝技術(shù)

環(huán)保形勢日益嚴峻的今天，對SO2、NOx的排放要求日趨嚴格，在此基礎(chǔ)上脫硫脫硝技術(shù)也在不斷完善發(fā)展，濕法、干法、半干法、小蘇打干法脫硫技術(shù)（SDS）、選擇性非催化還原脫硝技術(shù)（SNCR）、選擇性催化還原脫硝技術(shù)（SCR）等技術(shù)應運而生，經(jīng)過不斷的實踐，技術(shù)成熟度得到提高。

脫硫技術(shù)簡況及選用

濕法脫硫技術(shù)是在煙道末端，采用質(zhì)量分數(shù)達到90%以上的漿液劑，洗滌煙氣，脫硫劑和脫硫產(chǎn)物均為濕態(tài)，反應在溶液中進行，鈣的利用率高，脫硫效率較高。此濕法工藝主要有石灰石/石灰–石膏（拋棄）法、簡易濕法、雙堿法、海水脫硫法、氧化鎂法、濕式氨法、石灰–鎂法、堿式硫酸鋁法等。技術(shù)采用的脫硫劑為鈣基、鎂基、氨基、鈉基等。

其投資較大，運行費用高，廢水難處理，需設(shè)置除霧器或?qū)ｉT的再熱裝置，極易產(chǎn)生二次污染，處理極為困難，鑒于成本及后期運維，濕法脫硫工藝不予考慮。

干法脫硫技術(shù)當前主要采用固定床（羅氏）和SDS（Na 基）法脫硫2 種。

固定床式脫硫原理：煙氣經(jīng)過裝有脫硫劑的設(shè)備，例如活性炭吸附劑，吸附煙氣中的SO2。固定床主要特點是設(shè)備簡單、占地面積較小，對生產(chǎn)過程中的煙氣溫度范圍要求較寬松；但存在需定期更換吸附顆粒、對煙氣中S 波動適應能力較差、不能隨時調(diào)節(jié)煙氣脫硫效率的缺點，同時由于脫硫塔是并聯(lián)關(guān)系，在更換脫硫劑過程中會出現(xiàn)排放超標問題，另外使用該技術(shù)的單位對固定床式脫硫工藝評價差異大，后期運維對藥劑生產(chǎn)廠、藥劑質(zhì)量依賴性特別強，存在較大風險，對于鋼鐵企業(yè)煙氣波動量相對較大的實際情況處理能力有限，不予選擇。

SDS 脫硫原理：此項技術(shù)是利用小蘇打作為脫硫劑，在脫硫反應器中噴入碳酸氫鈉細粉，使其在高溫煙氣的作用下迅速分解出碳酸鈉和二氧化碳，碳酸鈉和煙氣中的二氧化硫反應，進而被吸收凈化[1]。脫硫后粉狀顆粒產(chǎn)物隨氣流進入布袋除塵器收集，同時NaHCO3還可通過物理吸附去除一些無機和有機微量物質(zhì)。

SDS 方法主要特點是對煙氣S 濃度波動適應能力強，可以根據(jù)煙氣中S 含量動態(tài)調(diào)節(jié)小蘇打使用量，可調(diào)控煙氣濃度范圍較大，工況調(diào)節(jié)能力好，目前廣泛應用于鍋爐精脫硫，工藝較成熟；且不增加煙氣系統(tǒng)的運行阻力，無廢水產(chǎn)生，但設(shè)備占地大、要求煙氣溫度較高（大于130 °C）。

綜合上述情況，SDS 脫硫處理方式更適合鋼鐵企業(yè)中煙氣處理實際情況，既能滿足煙氣波動量大的清理，又能降低二次廢物的處理難度，因此，本產(chǎn)線選擇用SDS 脫硫方式。

脫硝技術(shù)簡況及選用

選擇性非催化還原（SNCR）脫硝工藝需要850~1050 °C 的反應溫度窗口，其原理是將含氨基還原劑直接均勻噴灑到爐膛內(nèi)850~1050 °C 煙氣對流斷面上，還原劑與煙氣中的NOx反應生成N2和H2O[2]。

SNCR 技術(shù)主要使用氨水作為還原劑。由于煙氣成分復雜，某些污染物可使催化劑中毒，高分散度的粉塵微?？筛采w催化劑的表面，使其活性下降；系統(tǒng)中存在一些未反應的NH3和煙氣中的SO2作用，生成易腐蝕和堵塞設(shè)備的硫酸氨和硫酸氫氨，同時還會降低氨的利用率，投資與運行費用較高。

SNCR 脫硝技術(shù)反應溫度高、氨利用率低等問題是此技術(shù)缺點，并且氨逃逸幾率較大，需新增氨逃逸處理設(shè)備，不符合現(xiàn)場對于煙氣中NOx的處理要求，不予選用。

選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術(shù)，是向催化劑上游的煙氣中噴入氨氣或其它合適的還原劑，利用催化劑在溫度為200~450 °C 時將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為氮氣和水。由于氨氣具有選擇性，只與NOx發(fā)生反應，基本不與O2反應，故稱為選擇性催化還原脫硝。在通常的設(shè)計中，使用液態(tài)純氨或氨水，無論以何種形式使用氨，首先使氨蒸發(fā)，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，最后利用噴氨格柵將其噴入SCR 反應器上游的煙氣中。

由于使用了中低溫催化劑，SCR 反應溫度較低（160~250 °C），凈化率高，可高達85%以上，工藝設(shè)備緊湊，運行可靠，還原后的氮氣放空，無二次污染。

SCR 煙氣脫硝技術(shù)較比SNCR 技術(shù)投資略大，但在較大程度上解決了氨逃逸的問題，避免了出現(xiàn)二次污染，因此選用SCR 煙氣脫硝技術(shù)更合理，也更適用于未來嚴格的環(huán)保要求。

配套產(chǎn)線選用形式及效果

產(chǎn)線工藝選型及布局

通過對比上述環(huán)保手段的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)缺點，型鋼線加熱爐選用了煙氣反吹+SDS 脫硫工藝+布袋除塵+SCR 脫硝工藝，達到了減少投資、節(jié)約運行成本、避免二次污染的目的，根據(jù)煙氣中S 含量動態(tài)調(diào)節(jié)小蘇打使用量，可調(diào)控煙氣濃度范圍較大，工況調(diào)節(jié)能力好，煙氣溫度大于130 °C 時，脫硫效率可達到95%，且不增加煙氣系統(tǒng)的運行阻力，無廢水產(chǎn)生。SCR 中低溫脫硝工藝反應溫度較低（160~250 °C），凈化率高，可高達85%以上，工藝設(shè)備緊湊，布局合理，平面布局如圖2。

圖2 脫硫脫硝平面布局圖

效果及評價

投入運行后，加熱爐煙氣中CO 進口平均體積分數(shù)為0.6%，出口平均體積分數(shù)0.0984%，顆粒物、SO2、NOx各項指標見表1。根據(jù)現(xiàn)場煙氣量實際工況進行調(diào)節(jié)，后期各項能源及物料指標達到最優(yōu)效果，降低運行費用，完全滿足環(huán)保及現(xiàn)場使用要求。

表1 脫硫脫硝運行效果 mg/m3

結(jié)論

本套環(huán)保工藝設(shè)施選型從成本、設(shè)備先進性、環(huán)保投運指標、后期運行費用等多方面進行對比甄選， 選定煙氣反吹+SDS 脫硫工藝+布袋除塵+SCR 脫硝工藝，從施工到投運進行嚴格質(zhì)量把關(guān)，運行后工況良好，各項環(huán)保指標均滿足國家超低排放要求。