基于CSCR+SNCR煙氣凈化技術的鏈-回-環(huán)氧化球團熱工優(yōu)化

高培程，劉金英，韓英廣，劉長江，喬 俊

(北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064400)

0 引言

隨著環(huán)保形式的日趨嚴峻，京津冀地區(qū)尤其唐山域內執(zhí)行的超低排放標準[1]，進一步提高了鏈-回-環(huán)產線對氮氧化物、粉塵、二氧化硫以及系統(tǒng)內含氧量的控制要求。錯流式活性炭脫硫脫硝工藝2008年首次應用在太鋼以來[2]，河鋼邯鋼、首鋼股份遷安基地等單位陸續(xù)投產了逆流式活性炭選擇催化還原工藝(CSCR)。由于該工藝在運轉過程中不可避免的出現(xiàn)酸結露及氨結晶板結[3]，吸附塔易出現(xiàn)活性炭局部高溫自燃、顆粒物排放控制困難、內部腐蝕等故障，同時由于活性炭對煙氣入口溫度的要求及硫吸附過程的蓄熱影響[4]，兌冷風調整使系統(tǒng)內氧含量增加，加劇了外排指標的控制難度，最終使產線熱工參數(shù)受到影響，隨之也帶來回轉窯結瘤、產品質量下降的問題。王飛等人[5]通過減少未烘干含水生球與富含SO2組分的煙氣接觸，緩解了CSCR裝置內部板結的問題；胡兵[6]等人通過對焦爐煤氣凈化過程、回轉窯燃燒器過程控制的研究，提出了通過降低燃燒溫度、優(yōu)化配礦，實現(xiàn)氮氧化物控制的思路。針對CSCR技術在氧化球團工藝操作及應用的問題，分析了適配活性炭煙氣凈化技術的鏈-回-環(huán)熱工狀態(tài)參數(shù)，為CSCR工藝在球團行業(yè)長周期穩(wěn)定運行提供了實踐參考。

1 CSCR及SNCR工藝特點

1.1 逆流式活性炭選擇性催化還原脫硫脫硝工藝

逆流式活性炭選擇性催化還原脫硫脫硝工藝(CSCR)主要包括吸附塔、炭循環(huán)供應系統(tǒng)、解析塔、制酸系統(tǒng)，其中又以吸附塔內炭循環(huán)及其透氣性對吸附和催化過程的煙氣凈化影響最為顯著。逆流式活性炭煙氣凈化工藝采用兩級模塊分布(見圖1)，在一級模塊中優(yōu)先通過物理、化學吸附過程降低SO2濃度，降低其對NOx在活性炭表面吸附作用的抑制效果[7]，同時通過低溫Non-SCR反應催化部分氮氧化物生成氮氣，并在一級模塊出口添加還原劑(氨水)。當一級模塊出口SO2含量超過20 mg/Nm3時，生成硫酸氫銨結晶的過程加劇[8]，造成活性炭板結，表面反應能力下降，并最終影響活性炭在吸附塔內的循環(huán)。

圖1 逆流式活性炭吸附塔模塊示意圖

1.2 選擇性非催化還原工藝

選擇性非催化還原法(SNCR)煙氣脫硝技術是利用鏈箅機850～1 150 ℃溫度范圍內、無催化劑作用下，氨基還原劑(NH3)選擇性地還原煙氣中的NOx的脫硝反應過程[9]，SNCR具有一定的優(yōu)越性。在鏈-回-環(huán)產線應用SNCR工藝通常布置于鏈箅機預熱二段，主要的優(yōu)勢：不需新增補熱裝置、不需考慮系統(tǒng)內氣密性；但增加SNCR脫硝后，由于其對溫度反應窗口的敏感性高的特點，顯著影響了熱量在鏈箅機煙罩及風箱的溫度分配制度，原有工藝參數(shù)需要進一步優(yōu)化。

2 問題分析及應對

2.1 含氧量對外排指標的影響

2.1.1 系統(tǒng)含氧量折算

球團產線的冷風來源主要有環(huán)冷鼓風機鼓入、主槍助燃風機鼓入、電場除塵前兌冷風、脫硫脫硝前兌冷風、系統(tǒng)漏風等，在超低排放要求下，探索適宜的助燃風量對系統(tǒng)內含氧量和外排指標具有積極意義。

按照環(huán)辦大氣函[2019]922號、遷環(huán)發(fā)[2022]4號文件對球團產線系統(tǒng)內含氧量及外排指標折算的規(guī)定，可計算球團產線(含氧折算基準18%)系統(tǒng)含氧量每升高0.1%，氮氧化物外排指標上限下降1.0 mg/Nm3，二氧化硫外排指標下降0.67 mg/Nm3，粉塵外排指標下降0.16 mg/Nm3。因此，氧含量波動一方面能夠反應出熱線系統(tǒng)漏風率，另一方面也將體現(xiàn)空氣過剩系數(shù)是否合理。

2.1.2 燃料結構

基于熱力型NOx的產生機理，回轉窯主燃燒器燃料結構采用焦爐煤氣+煤粉模式，在實際生產中通過調整燃料結構實現(xiàn)對NOx生成量控制。燃料結構對NOx指標的影響見表1。NOx含量升高時，穩(wěn)定西1#煙罩溫度的前提下，可采取降低焦爐煤氣用量，適當提升煤粉壓力的措施，達到降低含氧量、降低NOx產生的目的。

表1 燃料結構與系統(tǒng)含氧量關系

2.1.3 環(huán)冷鼓風機開度

以某年產200萬t氧化球團產線為例，三臺環(huán)冷鼓風機風量總和為63萬m3/h，占系統(tǒng)總風量約90%，其中環(huán)冷機1#風機鼓入的部分氧可進一步被環(huán)冷機上焙燒球的二次氧化吸收，對產線含氧量變化影響相對較?。?#風機鼓入的氧被消耗最少，對系統(tǒng)內的含氧量影響也最大。基于以上分析，在CSCR+SNCR作為煙氣凈化的產線中，單純依靠環(huán)冷機鼓風機開度調整鏈箅機熱量分布的控制策略不再適用。環(huán)冷機向回轉窯及鏈箅機的蓄熱及熱分配作用需要同時考慮風量及風溫，在出現(xiàn)環(huán)冷機料層厚、透氣性差的工況時，應提升環(huán)冷機轉速、降低布料厚度、差異化調整三臺環(huán)冷鼓風機開度，在滿足氧化、傳熱前提下降低兌入冷風量，實現(xiàn)超低排放標準下的穩(wěn)定生產。

2.2 CSCR對主線運行的影響

2.2.1 電場除塵器入口溫度

CSCR吸附塔對溫度的要求與電場溫度影響協(xié)同，對鏈箅機布料的精度提出更高要求。電場除塵器及CSCR吸附塔布置見圖2。為應對電場除塵器溫度要求(測溫點1<150 ℃)通常增加鏈箅機料厚、提高鏈箅機機速等；電場出口(測溫點2)溫度監(jiān)測作為預先調整CSCR吸附塔兌冷風閥開度，穩(wěn)定進入吸附模塊運行(≤160 ℃)及適應含氧量變化的判定依據(jù)，適時采取調整噴氨量、調整增壓風機轉速等措施。CSCR脫硫脫硝系統(tǒng)的投用向鏈箅機布料均勻性提升、機速穩(wěn)定性提升提出了更加嚴苛的要求，穩(wěn)定控制電場除塵入口溫度(測溫點1)難度不斷增加。

圖2 電場除塵器及CSCR吸附塔布置示意圖

2.2.2 粉塵排放控制

由于活性炭的CSCR對粉塵的捕集主要依靠物理沉降和靜電吸附且未設置環(huán)保除塵設備(布袋除塵器)，在出現(xiàn)活性炭減粒、模塊壓差突變、增壓風機調速幅度過大等影響炭循環(huán)的故障或操作時將引起外排粉塵的高值，嚴重時在排口形成可見煙羽。目前，通常采用調整炭循環(huán)量、降低增壓風機轉速、停炭循環(huán)等限制吸附過程的被動方法，不利于產能的發(fā)揮。

2.3 SNCR對主線的影響

2.3.1 SNCR對鏈箅機溫度的影響

鏈箅機預熱二段反應溫度對SNCR工藝的控制至關重要。溫度低于900 ℃時，脫硝反應速度大幅降低，NH3反應不完全，將造成氨逃逸；而溫度過高(大于1 050 ℃)時，NH3會被O2氧化為NO，導致氮氧化物排放濃度增高。位于西1#煙罩的機頭噴氨反應裝置熱量來源主要有窯尾熱風、預熱二段輻射熱，實測西1#煙罩溫度超過970 ℃時NOx生成量(CSCR入口濃度)顯著上升，超過80 mg/Nm3，最終外排濃度達到27 mg/Nm3(含氧量18.3%)以上。系統(tǒng)溫度與氮氧化物濃度變化趨勢見圖3?；剞D窯料溫對NOx的生產量影響最大，在西1#煙罩溫度945 ℃、回轉窯料溫1 150 ℃時，NOx生成量相對穩(wěn)定的上漲至42 mg/Nm3，西1#煙罩溫度超過950 ℃、回轉窯料溫超過1 150 ℃時，NOx生成量快速增長。這一趨勢也證明了熱力型NOx在鏈-回-環(huán)產線中占比較大[10]。SNCR的投用提高了對鏈箅機布料的均一性和料層透氣性要求，主線操作必須實時基于鏈箅機布料厚度對煙罩溫度、窯頭料溫進行調整，適應逐漸壓縮的操作窗口。

圖3 風系統(tǒng)關鍵溫度與NOx排放濃度關系

2.3.2 SNCR對啟停機的影響

SNCR反應對溫度的要求限制了產線啟停時煙氣凈化的操作方法。產線異常停機時通常立即降低燃料輸入、降低增壓風機及耐熱風機轉速等首要措施，當窯尾溫度低于850 ℃時SNCR脫硝效率下降，此時主要依靠CSCR模塊噴氨實現(xiàn)NOx的控制；產線開機時，造球盤布料、電場溫度拉升、鏈箅機機速匹配均需要考慮，隨著系統(tǒng)溫度升高，優(yōu)先開啟CSCR模塊噴氨，穩(wěn)定外排指標，窯尾溫度高于850 ℃時開始投用SNCR。

2.4 料厚對鏈箅機溫度的影響

鏈箅機布料要求各個方向上厚度的均勻性，一般要求厚度差小于30 mm[11]，以達到風量、風溫的合理分布。以某年產200萬t鏈-回-環(huán)氧化球團產線鏈箅機風箱布置為例，濕球預熱熱量來源先后為環(huán)冷三段、預熱二段、環(huán)冷二段、窯尾熱風(見圖4)，在輸入熱量穩(wěn)定的前提下，由于布料器(梭式或擺頭式)存在布料機械偏差，大輥篩兩側薄料層等原因，進一步導致了鏈箅機同長度位置上雙側煙道溫度的分布差異。鏈箅機布料厚度一方面反映了造球過程的穩(wěn)定性，影響鏈箅機在各向的均一性；另一方面，決定了單位時間內濕球干燥、傳熱總量，進一步影響了電場除塵器出口溫度、CSCR入口對冷風閥門開度，并最終影響了CSCR系統(tǒng)內含氧量與外排指標。

圖4 典型鏈-回-環(huán)煙氣循環(huán)布置示意圖

3 實踐效果

3.1 鏈箅機溫度及風機負荷

選取預熱二段(西1#煙罩及風箱)、預熱一段(東8#煙罩及風箱)、抽干段(西13#煙罩及風箱)、鼓干段(東17#風箱)等關鍵點位，對2019年9月(CSCR單獨運行)、2019年10月(CSCR+SNCR模式)、2020年10月(同期環(huán)境溫度)、2022年9月(同期環(huán)境溫度)等關鍵時間節(jié)點的系統(tǒng)溫度變化情況進行分析。由圖5可知，在CSCR投產后，由于SNCR投用調試期系統(tǒng)最佳溫度和氨/氮比控制的不確定性，西1#風箱溫度呈現(xiàn)先上升再下降的過程，西1#煙罩溫度最大降低28 ℃，隨著對SNCR運行的探索，預熱一段、干燥段溫度的逐步提升，西1煙罩溫度逐步上升至2022年9月份的937.5 ℃，并制定了940～955 ℃的控制標準，穩(wěn)定預熱過程的熱量供應，為焙燒段再結晶過程創(chuàng)造條件。文獻表明[12]，低于1 240 ℃的條件下進行焙燒，氧化球團微觀結構主要為單點狀的初晶，強度較差。此外，東8#煙罩的溫度出現(xiàn)了異常下降，主要原因是局部耐材噴涂導致的測溫電偶失準，不參與分析。

圖5 鏈箅機關鍵點位溫度及環(huán)冷鼓風機電流變化

進一步的，西13#煙罩溫度下降14 ℃，西13#風箱上升6 ℃，抽干段熱量利用效率提升；東17#風箱溫度升高8 ℃，鼓干段干燥效果得到優(yōu)化。適用于鏈-回-環(huán)產線的CSCR+SNCR煙氣凈化裝設備要求進一步將風熱向鏈箅機尾段分布，降低預熱二段的熱量富積，穩(wěn)定SNCR反應的效率。

由圖5，基于上文關鍵技術改造節(jié)點熱工參數(shù)，為控制系統(tǒng)空氣過剩系數(shù)，3臺鼓風機負荷(電流)下調，其中又以1#鼓風機降低最為顯著，降幅最高達到8.91 A，2021年7月份對1#鼓風機進行增容、SNCR投用后，負荷有所提升但仍較CSCR單獨運行時下降6.4 A(11.1%)。此外，2#、3#鼓風機負荷均呈現(xiàn)不同程度的下降，2#鼓風機電流下調達10.8%，3#鼓風機電流下調達12.5%。1#鼓風機的負荷下降顯著縮小了焙燒球在臺車上均熱過程的冷卻梯度，實現(xiàn)“慢冷”的操作，這一過程促進了球團內部互聯(lián)晶、再結晶發(fā)育條件提升，可推斷低還原性的鐵橄欖石等硅酸鹽玻璃質減少。

3.2 噴氨結構優(yōu)化

噴氨結構與外排指標變化見表2。2019年9月吸附塔模塊平均噴氨量相對較低，僅168 kg/h。這主要是由于CSCR投產初期噴氨層分配氣室透氣性良好，間隙未出現(xiàn)堵塞(40 mm)[2]，氨水與煙氣的混合效率較高的結果。隨著CSCR的運行，至2020年10月單獨對吸附塔模塊噴氨進行的脫硝效率逐漸下降，氨水單耗逐步增加到2.59 kg/t，增幅達84.5%。同時現(xiàn)場已開始結合倒修對模塊噴氨層進行清理和疏通，以穩(wěn)定與主線流程的100%同步；2020年逐步開展對SNCR投入后煙氣凈化過程還原劑分布結構的優(yōu)化探索：降低模塊噴氨，增加鏈箅機機頭噴氨量，緩解噴氨層板結堵塞分配氣室的核心問題。

表2 噴氨結構與外排指標變化表

2021年隨著低氮燃燒器的使用，探索出了西1煙罩940～955 ℃，窯頭料溫1 120～1 150 ℃的低溫焙燒操作制度，噴氨量下降至350 kg/h(20%氨水)。目前產線氨水單耗1.6 kg/t，較CSCR+SNCR投產初期降低0.99 kg/t。CSCR+SNCR的煙氣凈化模式將脫硝過程由單級改變?yōu)槎嗉?，提高了NOx外排指標在正常運行及開停機過程中的應對控制能力。

3.3 CSCR粉塵深度治理

CSCR吸附塔對粉塵的吸附可等效為顆粒層過濾器，其中煙氣中1 μm以上的粉塵主要通過碰撞、沉降實現(xiàn)捕集，1 μm以下的粉塵主要通過擴散作用發(fā)生吸附，并在活性炭的篩分循環(huán)過程中通過工藝除塵排出系統(tǒng)。為應對以上問題，在CSCR吸附塔出口增設了尾段布袋除塵(防爆)裝置，同時新增引風機，實現(xiàn)粉塵的再次減排。由于除塵器前壓力(約-4.7 kPa)與現(xiàn)有CSCR出口壓力(-0.5 kPa)相差較大，在設計階段通過對葉輪風量、風壓等參數(shù)的選型，穩(wěn)定了增壓風機、主引風機運行，避免出現(xiàn)煙道喘振。

3.4 指標提升與效益

由表3，CSCR+SNCR模式的投入，日產量較CSCR單獨運行時提高316 t，折算效益約29.6萬元/d。由于CSCR吸附塔模塊的噴氨停用，活性炭床層脫硫能力由800 mg/Nm3提升為1 500 mg/Nm3，并穩(wěn)定實現(xiàn)了高硫低價礦粉配吃比例由30%提升至40%的降本措施，球團礦品位提高0.26%，高爐燃料比實際下降約0.27%(1.32 kg/t)。

表3 關鍵指標提升

4 結語

1)CSCR+SNCR煙氣治理模式在鏈-回-環(huán)的應用，要求鏈箅機1#煙罩溫度范圍在940～955℃、電場除塵器入口溫度控制在130～135℃，采取將熱量向鏈箅機后部風箱控制，加強干燥、預熱過程的措施。此外，噴氨結構應以SNCR為主，CSCR吸附塔模塊噴氨為輔。

2)SNCR脫硝裝置對鏈箅機溫度有降低的影響趨勢，通過對三臺環(huán)冷鼓風機電流分別降低11.1%、10.8%、12.5%，減少了冷風的兌入，同時控制西13#煙罩溫度下降14℃，西13#風箱上升6℃，實現(xiàn)了抽干段熱量利用效率進一步提升；東17#風箱溫度升高8℃，鼓干段干燥效果得到了優(yōu)化。

3)通過對CSCR+SNCR煙氣凈化系統(tǒng)與主流程工藝參數(shù)的探索，克服了CSCR煙氣脫硝氨水利用率低、SNCR反應溫度制約產能釋放的缺點，實現(xiàn)了產量提升316 t/d、氨水單耗降低0.99 kg/t的目標。

4)鏈箅機布料穩(wěn)定性直接影響電場除塵器出口溫度及CSCR入口對冷風閥門開度，并最終影響了CSCR系統(tǒng)內含氧量與外排指標，推動造球過程的穩(wěn)定性及自動化有利于適應當前CSCR+SNCR煙氣凈化流程的生產特點。