胡延永 段明官 姜 林 孔彩云

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司煉鐵部，河北 邯鄲 056000)

0 引言

為滿足環(huán)保對NOx的排放要求，響應(yīng)國家超低排放號召，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展，2019年7月，某企業(yè)200 萬t球團(tuán)生產(chǎn)線配套建成投運(yùn)一套SCR脫硝系統(tǒng)。該系統(tǒng)投運(yùn)以來，對高氧、高氮氧化物球團(tuán)煙氣中的NOx脫除效果顯著，對鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線的煙氣特點、煙氣凈化設(shè)施以及SCR脫硝的工藝過程、操作控制要點和應(yīng)用實踐進(jìn)行了介紹，以期為采用類似工藝的同行提供參考。

1 某企業(yè)200萬t鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線煙氣特點

某企業(yè)鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線煙氣量為70萬m3/h左右，隨著磁鐵精礦資源的日益緊缺以及赤鐵礦的不斷開發(fā)，球團(tuán)原料精礦配比變化頻繁，赤鐵礦在球團(tuán)配料結(jié)構(gòu)中的配比逐漸增加，在目前赤鐵礦比例接近40%的原料條件下，邯鋼球團(tuán)焙燒煙氣具有以下特點：

1)O2含量高，基本在18%左右。與燒結(jié)煙氣約16%的O2含量相比，鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)焙燒煙氣O2含量一般在17%～19%之間，高于燒結(jié)煙氣。

2)NOx含量高，一般在400～700 mg/m3范圍，均值在530 mg/m3左右。該企業(yè)鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝主熱源為窯頭燒嘴，使用燃料為焦?fàn)t煤氣，熱值～4 000 kcal/Nm3，用量7 500～9 500 m3/h，燒嘴火焰溫度一般在1 250～1 500 ℃，NOx的產(chǎn)生主要源于空氣中氮氣的高溫氧化和燃料中氮的燃燒[1]，以熱力型和燃料型為主。且隨著赤鐵精礦配比的提高，焙燒球抗壓強(qiáng)度下降，需要提高球團(tuán)的預(yù)熱、焙燒溫度，延長預(yù)熱、焙燒時間[2]。有資料表明，在煙氣溫度為1 300～1 350 ℃時，溫度每變化10 ℃，NOx的質(zhì)量濃度變化值高達(dá)30 mg/m3，所以隨著赤鐵礦配吃比例逐漸提高，焙燒溫度升高，最終導(dǎo)致煙氣中熱力型NOx產(chǎn)生量增加[3]。

3)硫含量波動大，介于500～3 000 mg/m3之間。球團(tuán)煙氣中的SO2主要來自于焙燒過程中鐵礦粉、煤氣中的硫化物和硫酸鹽，通過焙燒，原料中90%以上的硫排除進(jìn)入到煙氣中。由于該企業(yè)生產(chǎn)鐵料品種多，變料頻繁，原料中含硫量差別大導(dǎo)致煙氣中硫含量波動大。

4)粉塵顆粒物濃度大，該企業(yè)200萬t球團(tuán)生產(chǎn)線于2005年投產(chǎn)，由于機(jī)頭電場除塵器設(shè)備老化，除塵效率下降，除塵后顆粒物濃度在40～80 mg/m3左右，對后續(xù)煙氣處理設(shè)施除塵能力要求高。

2 鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)線煙氣凈化設(shè)施概況

隨著鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，2019年4月國家生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合推動實施鋼鐵行業(yè)超低排放標(biāo)準(zhǔn)(SO2小于35 mg/m3、NOx小于50 mg/m3、粉塵小于10 mg/m3)。該企業(yè)鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)線循環(huán)流化床干法脫硫除塵系統(tǒng)，可將焙燒煙氣SO2、顆粒物分別脫除至30 mg/m3、10 mg/m3以下，但煙氣中NOx含量不能滿足超低排放要求。為此，決定新建一套SCR脫硝系統(tǒng)，以實現(xiàn)球團(tuán)焙燒煙氣超低排放。自2019年7月建成投運(yùn)以來，球團(tuán)焙燒煙氣 NOx濃度從SCR脫硝系統(tǒng)入口的400～700 mg/m3脫除至出口的小于30 mg/m3，脫除效率穩(wěn)定達(dá)到90%以上，實現(xiàn)預(yù)期超低排放目標(biāo)。該SCR系統(tǒng)構(gòu)成如下：

1)煙氣系統(tǒng)：脫硝煙氣從布袋除塵器出口引出，經(jīng)GGH換熱和熱風(fēng)爐補(bǔ)熱后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，脫硝后的煙氣再經(jīng)GGH換熱降溫后經(jīng)引風(fēng)機(jī)排往煙囪。

2)GGH換熱系統(tǒng)：SCR裝置設(shè)置一套GGH系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括GGH換熱器本體、吹灰器、低泄漏風(fēng)機(jī)等。GGH換熱器主要用來完成將來自脫硫布袋除塵器80～100 ℃原煙氣與SCR脫硝反應(yīng)器出口約280 ℃凈煙氣之間的換熱，減少燃料消耗量，降低系統(tǒng)能耗。

3)SCR反應(yīng)器系統(tǒng)：主要包括反應(yīng)器本體、催化劑及用于清除催化劑表面積灰的聲波吹灰器。反應(yīng)器內(nèi)煙氣豎直向下流動，反應(yīng)器入口設(shè)氣流均布裝置及導(dǎo)流板，以保證進(jìn)入反應(yīng)器的氣流均勻。催化劑是SCR系統(tǒng)的“心臟”，SCR催化劑按照“3+1”布置，即初裝3層，并在反應(yīng)器頂部預(yù)留1層備用。選用催化劑為中溫脫硝催化劑，適用溫度范圍在270～290 ℃，一般運(yùn)行在280 ℃左右。催化劑參數(shù)見表1。

表1 催化劑參數(shù)

4)煙氣加熱系統(tǒng)：煙氣補(bǔ)熱系統(tǒng)設(shè)置了一套煙氣加熱爐，其功能為補(bǔ)充換熱溫差及散熱損失。加熱爐使用高爐煤氣作為燃料，從加熱爐出來的煙氣，和原有煙氣在煙道內(nèi)進(jìn)行混合加熱，使煙氣溫度升高至～280 ℃，確保SCR脫硝處于最佳反應(yīng)溫度區(qū)。

5)噴氨系統(tǒng)：噴氨系統(tǒng)主要包括氨水存儲輸送、稀釋風(fēng)機(jī)、氨水溶液噴射器、氨水蒸發(fā)器等。氨水通過罐車輸送至氨水站，由氨水卸料泵卸載到氨水儲罐中存儲備用，系統(tǒng)運(yùn)行時，氨水由輸送泵輸送至氨水溶液噴射器，噴入氨水蒸發(fā)器，由熱煙氣蒸發(fā)成氨氣，最后經(jīng)格柵噴入反應(yīng)器入口煙道。

3 SCR脫硝的工藝過程及原理

1)建設(shè)脫硝系統(tǒng)為中溫SCR脫硝工藝，工藝流程為：脫硫布袋除塵器→GGH(原煙氣段)→SCR中溫脫硝反應(yīng)器→GGH(凈煙氣段)→引風(fēng)機(jī)→煙囪排放，工藝流程簡單，易操作。

2)對煙氣中高濃度NOx脫除效率高，可以將煙氣中濃度為400～700 mg/m3的NOx穩(wěn)定脫除至30 mg/m3以下，脫除效率穩(wěn)定在90%以上。

3)采用中低溫SCR脫硝，脫硝反應(yīng)溫度在280 ℃左右。

4)反應(yīng)副產(chǎn)物為水和氮氣，環(huán)保無污染，直接隨煙氣排放至大氣，反應(yīng)機(jī)理如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

(2)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

(3)

4 SCR脫硝系統(tǒng)操作控制要點

4.1 SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行控制內(nèi)容

4.1.1 煙氣溫度控制

SCR入口煙氣溫度是影響脫硝率的重要因素。脫硝催化劑適用溫度在270～290 ℃范圍，在此溫度范圍內(nèi)具有較好的活性，通過反應(yīng)器的煙氣溫度正常運(yùn)行時嚴(yán)格控制在280 ℃左右。一方面，當(dāng)煙氣溫度低于270 ℃時，不僅會因催化劑活性降低而降低脫硝率，而且噴入的氨水還會與煙氣中的SOx反應(yīng)生成硫酸氫銨或硫酸銨附著在催化劑的表面；另一方面，當(dāng)煙氣溫度太高時，NH3會與O2發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致煙氣中的NOx增加，并且容易造成催化劑燒毀。

要保證煙氣適宜的溫度，需及時根據(jù)煙氣的溫度調(diào)整熱風(fēng)爐煤氣流量和摻風(fēng)量，防止因為煤氣質(zhì)量、煙氣流量變化等因素導(dǎo)致的煙溫波動。日常操作過程中強(qiáng)化對GGH換熱器中煙氣溫度的調(diào)控；同時，設(shè)定合理的吹灰頻率，防止GGH積灰過多導(dǎo)致阻力增大，換熱效率降低。

4.1.2 氨逃逸監(jiān)控

SCR脫硝氨逃逸一般要求控制在3 ppm以內(nèi)。若控制不好，不僅會增加成本，而且可能導(dǎo)致下游設(shè)備腐蝕堵塞。多余的氨還會與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨或硫酸銨，當(dāng)后續(xù)煙道煙溫降低時，硫酸氫銨或硫酸銨就會附著在GGH表面和飛灰顆粒物表面，腐蝕堵塞GGH換熱通道。

4.1.3 噴氨濃度控制

SCR脫硝系統(tǒng)采用的還原劑為氨水(NH3)，其爆炸極限為(在空氣中體積%)15.7%～27.4%，為保證氨(NH3)注入煙道的絕對安全以及均勻混合，噴氨系統(tǒng)引入稀釋風(fēng)，將氨濃度降低到爆炸極限以下，控制在5%以內(nèi)。

4.1.4 顆粒物排放控制

由于SCR系統(tǒng)本身不具備除塵作用，所以日常操作過程中一是嚴(yán)格控制CFB脫硫系統(tǒng)進(jìn)入SCR系統(tǒng)煙氣的含塵量，不僅對CFB系統(tǒng)布袋除塵器布袋壓差進(jìn)行控制，以使布袋保持一定的掛灰量，提高除塵效率，而且定期對布袋進(jìn)行檢查更換。目前，該企業(yè)CFB系統(tǒng)除塵布袋壓差控制在1 200 Pa左右，除塵后煙氣含塵量控制在6 mg/m3左右。二是對SCR系統(tǒng)GGH換熱器、催化劑的吹灰操作加強(qiáng)監(jiān)控，對催化劑層聲波吹灰器及GGH耙式吹灰器高標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)，根據(jù)催化劑層及GGH進(jìn)出口端的的壓降情況及時調(diào)整聲波吹灰器吹灰時間，同時避免因SCR系統(tǒng)內(nèi)積灰過多吹灰操作時導(dǎo)致顆粒物排放濃度瞬時增加。

4.1.5 NOx排放控制

在保證排放煙氣NOx濃度小于50 mg/Nm3和氨逃逸小于3 ppm的前提下，根據(jù)入口NOx濃度合理控制噴氨量，控制原則氨氮比小于1。

4.2 SCR系統(tǒng)啟停操作注意事項

1)SCR系統(tǒng)啟動時，系統(tǒng)引入煙氣的同時投入SCR脫硝聲波吹灰器，開始吹灰。

2)啟動過程中原煙氣進(jìn)入GGH換熱器后，開啟加熱爐逐步提升進(jìn)入煙氣換熱器的凈煙氣溫度，以避免GGH轉(zhuǎn)子發(fā)生卡澀。溫升速度控制在60 ℃/h以內(nèi)，以防止轉(zhuǎn)子的異常變形。嚴(yán)禁在沒有通入煙氣的情況下單獨啟動加熱爐進(jìn)行加熱操作，以免溫度過高引起GGH的密封變形。

3)SCR的停運(yùn)時，要密切關(guān)注GGH換熱器入口煙溫和驅(qū)動電機(jī)電流波動，煙溫變化速度嚴(yán)控在60 ℃/h以內(nèi)，杜絕過快升降溫，以防轉(zhuǎn)子發(fā)生異常變形卡澀，而影響煙氣換熱器安全運(yùn)行。凈煙氣入口溫度降低至125 ℃以下，方可停止GGH換熱器。

4)SCR反應(yīng)器嚴(yán)格杜絕高于300 ℃以上運(yùn)行，避免催化劑被燒毀永久失去活性。同樣避免低煙氣溫度下噴氨，防止在催化劑層上生成硫酸氫銨或硫酸銨，進(jìn)而導(dǎo)致催化劑的微孔結(jié)構(gòu)堵塞，性能下降。

4.3 SCR系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)控制

嚴(yán)格按照運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行操作控制SCR系統(tǒng)是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及降低事故率的有效措施，SCR系統(tǒng)日常執(zhí)行的運(yùn)行參數(shù)如表2。

表2 SCR系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)表

5 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)應(yīng)用實踐

5.1 SCR系統(tǒng)煙溫、煤氣消耗、催化劑層壓降

SCR系統(tǒng)不同位置實測溫度以及2020年1至10月份高爐煤氣消耗和催化劑層壓降如表3、表4、表5。熱風(fēng)爐高爐煤氣消耗量約50 m3·t-1·礦-1。

表3 SCR系統(tǒng)煙氣溫度 ℃

表4 SCR系統(tǒng)高爐煤氣消耗 (m3·t-1·礦-1)

表5 SCR系統(tǒng)催化劑層壓降 Pa

5.2煙氣NOX脫除實效

2020年，基準(zhǔn)氧含量18%條件下，該企業(yè)煙氣NOx排放數(shù)據(jù)如表6。在球團(tuán)煙氣入口NOx濃度均值538 mg/m3左右的情況下，噴氨量400 L/h左右，凈化后煙氣NOx濃度均能降到30 mg/m3以下，排放指標(biāo)滿足超低排放要求。

表6 2020年NOx處理效果實績

6 結(jié)語

1)目前，某企業(yè)生產(chǎn)原料結(jié)構(gòu)中赤鐵精礦占比約40%，磁鐵礦占比約60%，球團(tuán)預(yù)熱焙燒燃料采用熱值為～4 000 kcal/Nm3的焦?fàn)t煤氣，該工況條件下，球團(tuán)焙燒煙氣中NOx濃度居高，全年小時均值在538 mg/m3左右。

2)在原煙氣含氧量18%左右、NOx平均濃度538 mg/m3左右、噴氨量約400 L/h條件下，SCR脫硝系統(tǒng)可以穩(wěn)定脫除焙燒煙氣中的高濃度NOx。以基準(zhǔn)含氧量18%計算，凈化后的凈煙氣NOx濃度均值為22.92 mg/m3。以基準(zhǔn)含氧量16%計算，凈化后的凈煙氣NOx濃度均值為38.2 mg/m3，均滿足超低排放(小于50 mg/m3)要求，優(yōu)于超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

3)GGH換熱器、催化劑性能對SCR系統(tǒng)的煙氣凈化效果、能源介質(zhì)消耗至關(guān)重要，選擇合適的GGH換熱器和催化劑是SCR系統(tǒng)成功運(yùn)行的關(guān)鍵。

4)現(xiàn)場操作中嚴(yán)格執(zhí)行吹灰操作、嚴(yán)控?zé)煔鉁囟瓤刂?270～290 ℃)，減少積灰和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，有利于SCR脫硝系統(tǒng)實現(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

5)對工況條件相近的鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)線生產(chǎn)工藝，SCR脫硝技術(shù)具有一定的借鑒意義。