鄭海濱

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

2019 年生態(tài)環(huán)境部等五部門印發(fā)了《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，對鋼鐵、球團工業(yè)大氣污染物排放限值做了新規(guī)定，并對鋼企超低排放提出了相關目標任務，要求加快實施鋼鐵企業(yè)超低排放改造。近幾年鋼鐵企業(yè)以此為目標，遵循綠色低碳發(fā)展的原則，開展了節(jié)能降耗、污染物減排、碳減排等一系列工作，各項污染物排放總量呈下降趨勢，為打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)立下了汗馬功勞，有力促進了空氣質(zhì)量改善、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、治理水平提升和環(huán)保技術進步，總體成效顯著。但由于我國鋼鐵工業(yè)排放總量大、基數(shù)高，鋼鐵工業(yè)在綠色發(fā)展上仍然面臨很多問題，特別是在國家提出碳達峰、碳中和目標后，在去產(chǎn)能、超低排放改造的多重壓力下，后超低排放時代精細化運行的需求逐漸顯現(xiàn)。

鋼鐵行業(yè)作為所有制造業(yè)領域中碳排放量最高的行業(yè)，目前整體進入了新一輪下行周期，呈現(xiàn)下游需求疲弱，生產(chǎn)成本高，盈利水平大幅下滑的態(tài)勢，鋼鐵工業(yè)遭遇前所未有的挑戰(zhàn)[1]。在這個環(huán)境背景下，對各類技術、工藝、裝備進行研究具有深遠意義。探討鋼鐵行業(yè)減污降碳系統(tǒng)工藝配置的實施路徑及優(yōu)化措施，將成為今后很長一段時期我國鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排工作的一條主線。

1 燒結(jié)煙氣超凈治理工藝對比分析

我國燒結(jié)煙氣推行超低排放治理改造已近5 年，總體成效顯著，在工藝選擇上已經(jīng)有較成熟的方向，但部分企業(yè)在實施超低排放改造過程中選用科學性、穩(wěn)定性、可靠性存疑甚至是簡易低效的治理技術，不按超低排放相關文件可行技術規(guī)范等要求開展改造，因此無論從工藝完善性、設備配置，還是運行穩(wěn)定性方面鋼鐵企業(yè)超低排放改造仍還有較大的提升空間。

針對采用濕法脫硫工藝的燒結(jié)煙氣超凈治理項目，在實現(xiàn)超低排放的技術探索過程中先后出現(xiàn)了先脫硝后濕法脫硫及先濕法脫硫后脫硝這兩種路線，經(jīng)過實踐檢驗，這兩種工藝路線在技術穩(wěn)定性、投資成本及運行成本等方面存在較大差異。

1.1 工藝路線一：機頭除塵+升溫法SCR+濕法脫硫+濕電（含MGGH）

在燒結(jié)煙氣超低排放治理改造初期，國內(nèi)有不少鋼鐵企業(yè)參考電力行業(yè)工藝，采用濕法脫硫前置SCR脫硝的煙氣超凈治理工藝（見圖1），其煙氣處理流程為：機頭電除塵器→主抽風機→GGH 原煙氣側(cè)→SCR→GGH 凈煙氣側(cè)→MGGH 降溫段→增壓風機→濕法脫硫→濕電→冷凝器→MGGH 升溫段→煙囪。其中，配備冷凝器及MGGH 的目的主要是為了對濕電出口的飽和濕煙氣進行冷凝、換熱升溫，滿足煙氣“消白”的需求。

圖1 燒結(jié)煙氣脫硫前置SCR 脫硝工藝路線

某個采用此路線的項目穩(wěn)定運行3 個月后，SCR系統(tǒng)催化劑發(fā)生堵塞，系統(tǒng)阻力驟升，影響燒結(jié)系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，通過采用新增耙式吹灰器、升溫熱解等技術后依舊無法解決催化劑堵塞問題，只能通過燒結(jié)減產(chǎn)、頻繁停機、更換催化劑以短時滿足生產(chǎn)需求。對催化劑頂層防護網(wǎng)（見圖2）和催化劑模塊底部（見圖3）的堵塞物進行XRF 檢測分析發(fā)現(xiàn)堵塞物成分中70%以上是重金屬氧化物及硫酸鹽物質(zhì)（見表1）。據(jù)此分析由于高硫煙氣中的重金屬及經(jīng)催化劑轉(zhuǎn)換形成的SO3，極容易在噴氨及催化環(huán)境下形成粘性態(tài)物質(zhì)造成催化劑堵塞。

表1 XRF 成分檢測分析檢驗結(jié)果

圖2 催化劑模塊表層粉塵

圖3 催化劑模塊底部黏結(jié)物

1.2 工藝路線二：機頭除塵+濕法脫硫+濕電+冷凝器+升溫法SCR

經(jīng)過對工藝路線一的總結(jié)分析及改進，濕法脫硫后SCR 脫硝的煙氣超凈治理工藝（見圖4）成為了鋼鐵企業(yè)在實施超低排放改造普遍推行的技術路線之一，其煙氣處理流程為：機頭電除塵器→主抽風機→濕法脫硫→濕電→冷凝器→GGH 原煙氣側(cè)→SCR→GGH 凈煙氣側(cè)→增壓風機→煙囪。

圖4 燒結(jié)煙氣脫硫后置SCR 脫硝工藝路線

對國內(nèi)采用此工藝的項目運行狀況進行統(tǒng)計跟蹤，這類項目基本能穩(wěn)定實現(xiàn)燒結(jié)煙氣的超凈治理需求，各項排放指標均優(yōu)于標準值，部分經(jīng)營管理優(yōu)質(zhì)的企業(yè)在實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，可以將系統(tǒng)能耗控制在每噸礦8～9 元。

1.3 對比小結(jié)

對上述兩種燒結(jié)煙氣超凈治理工藝的技術可靠性及投資成本進行對比，詳見表2。

表2 燒結(jié)煙氣超凈治理工藝對比表

通過統(tǒng)計超低排放改造政策推行初期（2018—2020 年）國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)新建的12 個燒結(jié)煙氣超低排放項目發(fā)現(xiàn)，無論選擇哪種形式的催化劑，采用濕法脫硫前置SCR 脫硝工藝的6 個項目均先后出現(xiàn)了催化劑堵塞的狀況。為保障燒結(jié)生產(chǎn)運行，這些項目只能通過增加停機頻率、更換催化劑或?qū)ο到y(tǒng)進行再改造等方式以解決這類問題。

經(jīng)實踐證明，濕法脫硫前置SCR 脫硝工藝雖然能短期滿足《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中的排放指標，但由于SCR 前端缺乏較可靠的技術措施脫除煙氣中的重金屬及硫化物，并不適合大面積推廣用于鋼鐵燒結(jié)煙氣的超凈治理。濕法脫硫后置SCR 脫硝工藝系統(tǒng)投資成本及運行成本較低，穩(wěn)定性高，更適合作為我國鋼鐵燒結(jié)煙氣的超凈治理技術推廣。

2 燒結(jié)煙氣超凈治理工藝配置淺析

我國鋼鐵體量大，在實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展方面仍面臨不少挑戰(zhàn)。在這種背景下，對濕法脫硫后置SCR 燒結(jié)煙氣超凈治理系統(tǒng)的冷凝及精細除塵技術配置進行對比分析、優(yōu)化，可以提高系統(tǒng)利用率，降低能耗，減少碳排放量，推動我國鋼鐵行業(yè)加速低碳轉(zhuǎn)型，助力國家碳達峰與碳中和目標順利實現(xiàn)。

2.1 煙氣冷凝技術分析

冷凝器一般設置在濕電出口，它通過將冷卻水引入冷凝器設備，將濕電出口50～55 ℃的飽和濕煙氣進行降溫冷卻換熱，煙氣中被冷凝析出的水外排重復利用。

2.1.1 工藝分析

由于FGD 及濕電會大幅增加煙氣含水率，在脫硫后置SCR 脫硝工藝中設置冷凝器可將煙氣中的水汽凝結(jié)析出，降低煙氣的絕對濕度。通過溫降值的設計，可以將煙氣含水率控制在10%～15%以內(nèi)，降低系統(tǒng)故障時低溫、高濕煙氣影響催化劑傳質(zhì)，避免其失活。同時可有效避免高濕煙氣進入SCR 后造成溫度場、氨氣混合分布不均勻，出現(xiàn)如局部噴氨量過大、氨逃逸超標、脫硝效率降低等問題。另一方面煙氣含水率的降低在減輕GGH 換熱負荷的同時可以減小加熱爐升溫的煤氣耗量，降低系統(tǒng)運行成本。以360 m2燒結(jié)煙氣治理為例，采用冷凝工藝將煙氣由55 ℃冷凝至50 ℃后再進入GGH 系統(tǒng)換熱，并由加熱爐將煙氣升溫30 ℃，相對于無冷凝的工藝可節(jié)省高爐煤氣約2 533 m3/h。

冷凝技術可保障“煙氣消白”長期穩(wěn)定，提高煙囪觀感。結(jié)合“白煙”的形成和消散機理，要保證煙氣在擴散過程中始終為非飽和狀態(tài)，煙氣中的水蒸氣不會凝結(jié)、析出才能徹底消除“白煙”[2]。通過冷凝技術降低煙氣的絕對含濕量，保證煙氣向大氣擴散過程一直為非飽和狀態(tài)，可以大幅提高煙氣的擴散能力。當環(huán)境相對濕度為30%、環(huán)境溫度為10 ℃時，未冷凝煙氣的濕煙羽消散難度大，再熱后溫度（GGH 凈煙氣側(cè)出口煙溫）需大于97 ℃才能滿足完全消白要求。若通過冷凝技術將濕電出口煙溫由55 ℃降至50 ℃，再熱后溫度（GGH 凈煙氣側(cè)出口煙溫）大于77 ℃即可實現(xiàn)“消白”。

此外通過冷凝器可將飽和濕煙氣中溶解殘留的硫酸鹽、細微粉塵、重金屬等污染成分隨冷凝水析出，輔助煙氣趨零排放，避免GGH 換熱升溫后煙氣中的硫酸鹽固化析出，堵塞催化劑微孔。同時，對煙氣冷凝水的析出回收綜合利用可以降低系統(tǒng)水耗，以360 m2燒結(jié)煙氣治理為例，將煙溫由55 ℃冷凝至50 ℃，回收水量達35 t/h，在考慮系統(tǒng)蒸發(fā)補水后，綜合節(jié)水量達16 t/h。

2.1.2 經(jīng)濟性分析

通過表3 分析，在僅考慮經(jīng)濟效益情況下，設置冷凝器可實現(xiàn)運行成本創(chuàng)效31.5 萬元/a，以冷凝器20 a 的設計壽命計算，在設備有效周期內(nèi)，其投入與產(chǎn)出基本相當。

表3 360 m2 燒結(jié)煙氣治理的冷凝系統(tǒng)年運行綜合成本對比表

2.1.3 綜合分析

綜上所述，燒結(jié)煙氣脫硫后置SCR 脫硝工藝配備冷凝器可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，助力“煙氣消白”及煙氣多污染物的處理，對于生產(chǎn)管理優(yōu)質(zhì)的企業(yè)其創(chuàng)造的經(jīng)濟收益可與初次投入基本持平。

2.2 煙氣精細除塵技術分析

對于濕法脫硫+SCR 脫硝工藝，目前一般通過濕式電除塵器來保證系統(tǒng)出口粉塵排放濃度小于10 mg/m3，甚至5 mg/m3，部分項目由于場地、投資等因素采用管束式高效除塵除霧器取代濕式電除塵器。

2.2.1 工藝分析

濕式電除塵器的設備阻力一般小于250 Pa，其電場穩(wěn)定性好，運行電壓高，能有效控制氣流攜帶，對PM2.5脫除效率高，除塵效率可達到90%以上，對電腐蝕的抵抗能力強。它作為優(yōu)異的終端控制技術，被廣泛用于電力、化工、鋼鐵等行業(yè)超低排放系統(tǒng)末端補集細微粉塵、氣溶膠等。

管束除塵除霧器是以高速旋流產(chǎn)生慣性離心作用力，將霧滴和粉塵拋向筒壁捕集。相對于濕電系統(tǒng)更簡單，不需要有維持高壓電場的電控設備。但它在低負荷狀態(tài)下效率很低或失效：負荷小于80%時效率衰減較嚴重，負荷低于60%時基本失效；在80%～110%設計負荷時的效果最佳；負荷高于110%時易造成二次逃逸。正常工況下設備阻力一般在650 Pa 左右。具有投資費用低、運行費用低、施工及維護方便、改造周期短、場地要求較低等特點。

濕式電除塵器的結(jié)構(gòu)較管束除霧器復雜，安裝周期較長，運行維護較為繁瑣，對場地的要求較高。它對煙氣的凈化程度及穩(wěn)定性均高于管束除塵除霧技術，尤其對于亞微米超細粉塵、SO3、石膏微液滴以及重金屬的水溶性化合物均有較高的脫除效率，二者性能對比見表4。高效除霧技術對工況特性較為敏感，對入口粉塵濃度要求高，需對前端電除塵器進行改造提效，同時脫硫塔內(nèi)也需采用托盤、導流板等技術手段作為保障，才能充分發(fā)揮其性能。

表4 濕式電除塵器與管束除塵除霧器性能對比表

2.2.2 經(jīng)濟性分析（見表5）

表5 濕式電除塵器與管束除塵除霧器經(jīng)濟性對比表

1）設備一次性投資費用：以360 m2燒結(jié)煙氣治理為例，濕式電除塵器的初次投資費用約為1 250 萬元，管束除塵除霧器費用約為870 萬元。

2）運行費用：濕式電除塵器需配備沖洗水泵、高壓電源、熱風吹掃風機及空氣加熱器，而管束除塵除霧器僅需沖洗水泵。

2.2.3 綜合分析

綜上所述，相對于濕式電除塵器技術，管束除塵除霧器的技術可靠性較低，特別是對工況波動較為敏感。該技術在初次投資上具有優(yōu)勢，為保證進入管束除塵除霧器的粉塵濃度低，需對機頭電除塵器及濕法脫硫進行改造提效，綜合改造成本后，兩種技術在初期的投資基本相當。但采用管束除塵除霧器工藝的運行成本有較大優(yōu)勢，在機頭電除塵器及脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎上，通過優(yōu)化系統(tǒng)配置，采用管束除塵除霧器取代濕式電除塵器可以減小系統(tǒng)能耗，適用于礦物來源穩(wěn)定、燒結(jié)工況及工藝控制較好的新建項目推廣。

3 結(jié)語

濕法脫硫前置SCR 脫硝工藝因技術可靠性不強，已被證明不適合在鋼鐵燒結(jié)煙氣的超凈治理中推廣應用。對于穩(wěn)定性高的濕法脫硫后置SCR 脫硝工藝，采用濕式電除塵器+冷凝器的配置在技術可靠性上具有明顯優(yōu)勢，但該技術初次投資大、運行費用較高。在國家碳達峰、碳中和的政策背景下，通過優(yōu)化健全燒結(jié)工藝控制措施實現(xiàn)燒結(jié)工況穩(wěn)定，推動機頭電除塵器及濕法脫硫的提效改造，研究升級煙氣冷凝技術及管束式除塵除霧器技術，采用管束式除塵除霧器部分替代濕式電除塵器等措施以優(yōu)化系統(tǒng)配置，降低系統(tǒng)運行能耗，實現(xiàn)技術創(chuàng)效，對于加快推動國家節(jié)能減排工作，推動我國鋼鐵行業(yè)加速低碳轉(zhuǎn)型，早日實現(xiàn)碳中和具有深遠意義。