淺談燒結(jié)煙氣超低排放技術(shù)的應(yīng)用

王賀建，甄 眾，孫彥廣，李智勇，董云江，鄒宗來(lái)

（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)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣含有大量的污染物，其中燒結(jié)工序產(chǎn)生的煙氣污染物總量最大。天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（后稱天鋼聯(lián)合特鋼）有兩臺(tái)230 m2燒結(jié)機(jī)，正常生產(chǎn)時(shí)單臺(tái)燒結(jié)煙氣流量在70萬(wàn)Nm3/h左右，其污染物排放量占公司總排放量的50%以上。2018年5月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《鋼鐵企業(yè)超低排放改造工作方案》，將燒結(jié)煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值分別修改為10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，在超低排放治理工作中，燒結(jié)煙氣超低排放技術(shù)的應(yīng)用起到重要意義。

本文分析了天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)煙氣污染物的種類(lèi)，介紹了燒結(jié)機(jī)配套的煙氣處理設(shè)施，重點(diǎn)論述了機(jī)頭電除塵、濕法脫硫、煙氣消白、SCR脫硝等燒結(jié)煙氣超低排放技術(shù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題和影響因素，并給出了相應(yīng)的解決辦法。

1 燒結(jié)煙氣污染物的種類(lèi)及超低排放設(shè)施

1.1 燒結(jié)煙氣污染物種類(lèi)

燒結(jié)工序主要是將各種含鐵粉料，配入適量的燃料和溶劑，經(jīng)混合后在燒結(jié)機(jī)中燒結(jié)成塊的過(guò)程，其中含鐵原料種類(lèi)豐富。燒結(jié)也是鋼鐵企業(yè)固體廢物再利用的重要環(huán)節(jié)，大部分含鐵廢物，如除塵灰、鋼泥等都可以按一定比例混入原料中重新利用，因此燒結(jié)煙氣成分復(fù)雜，除含有顆粒物、SO2、NOx外，還含有多環(huán)芳烴和容易引起脫硝催化劑中毒的堿金屬等多種污染物。

1.2 燒結(jié)煙氣超低排放設(shè)施

天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)煙氣超低排放采取的工藝路線為：燒結(jié)煙氣先經(jīng)電除塵脫除顆粒物，后通過(guò)主抽風(fēng)機(jī)進(jìn)入SCR脫硝系統(tǒng)脫除氮氧化物，經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)將脫除氮氧化物后的煙氣送入濕法脫硫塔中脫除SO2，最終煙氣經(jīng)過(guò)消白處理后排出煙筒，實(shí)現(xiàn)超低排放。天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)煙氣超低排放工藝流程如圖1所示。

圖1 天鋼聯(lián)合特鋼超低排放設(shè)施流程圖

2 超低排放技術(shù)的應(yīng)用

2.1 機(jī)頭電除塵

機(jī)頭電除塵的主要作用是脫除燒結(jié)煙氣中的顆粒物，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。目前電除塵器電源分有高頻電源和工頻電源兩種：高頻電源相對(duì)工頻電源具有更好的節(jié)能效果、更高的電暈功率、更好的電源適應(yīng)性、除塵效率高等優(yōu)勢(shì)，高頻電源電除塵器電場(chǎng)為一直流，只要投入運(yùn)行其電場(chǎng)電壓就接近于擊穿電壓，平均電壓處于高位；工頻電源電除塵器電壓處于長(zhǎng)期波動(dòng)的狀態(tài)，平均電壓比高頻電源低很多。

由于高頻電源平均電壓高，提高了粉塵的荷電，強(qiáng)化了電場(chǎng)粉塵吸附效果，最終可實(shí)現(xiàn)除塵效率的提高。天鋼聯(lián)合特鋼230 m2燒結(jié)機(jī)頭電除塵器共有6個(gè)電場(chǎng)，全部升級(jí)改造為高頻電源，當(dāng)前除塵器運(yùn)行情況良好，外排煙氣顆粒物穩(wěn)定控制在≤10 mg/m3的范圍內(nèi)。

2.2 濕法脫硫

鋼鐵企業(yè)在SO2減排方面，基本都已完成燒結(jié)煙氣脫硫工程化應(yīng)用，大多數(shù)采用濕法或半干法脫硫工藝，濕法脫硫約占80%，半干法脫硫約占15%[1]。部分地區(qū)對(duì)濕法脫硫后的“白煙羽”提出了“消白減白”的要求。

天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)脫硫工藝采用濕法脫硫，脫硫劑選用CaO（石灰石），副產(chǎn)品為CaSO4（石膏）。濕法脫硫主要原理是：將CaO配成脫硫需要使用的吸收劑（氫氧化鈣溶液），通過(guò)噴淋系統(tǒng)噴入吸收塔中（塔內(nèi)布置了三層吸收劑噴淋裝置），煙氣中的硫化物與吸收劑接觸后生成CaSO3，在氧化風(fēng)機(jī)的作用下，大量的空氣進(jìn)入吸收塔中，使CaSO3氧化生成可被利用的CaSO4。當(dāng)前采用CaO為脫硫劑的濕法脫硫裝置還是比較多的，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在工藝非常成熟可靠、原材料價(jià)格低廉、副產(chǎn)品易于處理、適用工況較為寬泛、脫硫效率較高。天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)脫硫鈣、硫比略大于1時(shí)，脫硫率可達(dá)95%以上。

2.3 濕法脫硫后煙氣的消白

消白技術(shù)不完全針對(duì)白色煙羽的治理，主要應(yīng)用目的是收水和節(jié)能，收集的冷凝水進(jìn)行加堿等處理后，可重復(fù)利用。當(dāng)前天鋼聯(lián)合特鋼正常生產(chǎn)情況下，兩條消白裝置每天可回收950噸冷凝水供脫硫生產(chǎn)使用。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，100%的水蒸氣飽和煙氣溫度與含濕量關(guān)系關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 100%的水蒸氣飽和煙氣溫度與含濕量關(guān)系

曲線的上方為水蒸氣過(guò)飽和區(qū)，水蒸氣將發(fā)生相變冷凝成液態(tài)，煙氣排出煙囪后經(jīng)歷了O-A-B-C的過(guò)程，由于環(huán)境溫度低于煙氣溫度，在這個(gè)過(guò)程中，煙氣中的水蒸氣冷凝為液態(tài)，產(chǎn)生白色煙羽[2]。

為了能夠消除白色煙羽，需要提高排煙溫度，煙氣排出煙囪后必須經(jīng)歷O-D-F-C的過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)。天鋼聯(lián)合特鋼在燒結(jié)脫硫塔出口安裝了氟塑料材質(zhì)的冷凝器，換熱量為10 MW，能夠脫除煙氣中80%以上的水分；煙氣經(jīng)過(guò)板式除霧器后到達(dá)再熱器，再熱器材質(zhì)也采用氟塑料材質(zhì)，換熱量達(dá)到8 MW，可以將煙氣溫度升高至71℃以上，最終實(shí)現(xiàn)“消白”效果。消白工藝流程圖如圖3所示。

圖3 消白工藝流程圖

2.4 氮氧化物超低排放技術(shù)

2.4.1 源頭治理措施

氮氧化物（NOx）會(huì)引起酸雨、光化學(xué)煙霧、溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等自然災(zāi)害現(xiàn)象，對(duì)地球整個(gè)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，在氮氧化物減排技術(shù)中，源頭治理顯得非常關(guān)鍵。

源頭治理就是希望通過(guò)改進(jìn)燃燒過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤燃燒過(guò)程中氮氧化物生成量的有效控制[3]。研究表明相同燃燒溫度、氧含量與氮氧化物的生成成正比，不同燃料因?yàn)槌煞植槐M相同，氮氧化物的生成量也會(huì)有很大的區(qū)別。

（1）天鋼聯(lián)合特鋼在燒結(jié)生產(chǎn)中用焦粉替代洗精煤，氮氧化物生成量降低了20%以上。

（2）在脫硝系統(tǒng)中，對(duì)補(bǔ)燃設(shè)備進(jìn)行了改造，將原有熱風(fēng)助燃改造成直燃，煤氣燃燒溫度由原來(lái)的1 000℃降低到720℃，并將助燃風(fēng)由空氣切換成煙氣，降低氧含量，實(shí)現(xiàn)低氮燃燒。

2.4.2 SCR脫硝工藝

SCR脫硝工藝主要反應(yīng)機(jī)理為，在反應(yīng)器中布置好一定規(guī)格的催化劑，在一定煙氣溫度和催化劑的作用下NH3與煙氣中的NOx反應(yīng)生成對(duì)環(huán)境無(wú)污染的N2和H2O。反應(yīng)原理圖如圖4所示。

圖4 反應(yīng)原理圖

天鋼聯(lián)合特鋼使用的催化劑為蜂窩式，2+1分層布局，所用還原劑NH3采用尿素水解制氨工藝生成，通過(guò)氨稀釋風(fēng)機(jī)稀釋后注入反應(yīng)器中。天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)煙氣脫硝裝置工藝流程如圖5所示。

圖5 天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)煙氣脫硝裝置工藝流程圖

2.4.3 影響SCR脫硝穩(wěn)定運(yùn)行的因素

2018年脫硝系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)脫硝裝置投運(yùn)率非常低，真正實(shí)施燒結(jié)煙氣末端脫硝的燒結(jié)機(jī)不足總臺(tái)數(shù)的2%[4]，燒結(jié)煙氣脫硝成功案例可借鑒的相對(duì)較少。天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)煙氣最終選擇了SCR脫硝置前，濕法脫硫置后的工藝流程。脫硝設(shè)施投運(yùn)后，催化劑堵塞成為了影響脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行周期只能維持在7～10天。

通過(guò)對(duì)催化劑堵塞物的取樣化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)除硫酸氫氨外主要成分和機(jī)頭除塵灰成分一致，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析最終確定了催化劑堵塞原因。燒結(jié)煙氣中含有部分SO3，同時(shí)脫硝催化劑也能促進(jìn)SO2向SO3的轉(zhuǎn)換，其規(guī)律為溫度越高轉(zhuǎn)換率也越高，SCR煙氣脫硝過(guò)程氨逃逸是難免的，最終導(dǎo)致硫酸氫氨的生成。硫酸氫氨具有很強(qiáng)的粘結(jié)性，能吸附煙氣中的飛灰，由于粘性很強(qiáng)，吹灰器不能將其正常的清掃掉，而且燒結(jié)煙氣的飛灰中含有多種堿金屬，可引發(fā)催化劑中毒，導(dǎo)致催化劑活性降低、脫硝效率變差，最終飛灰堆積導(dǎo)致催化劑堵塞。

根據(jù)CaO+SO3→CaSO4的原理，天鋼聯(lián)合特鋼發(fā)明了脫硝系統(tǒng)噴入脫硫劑粉末裝置，脫硫劑（CaO）可以顯著降低煙氣中的SO3含量，從而防止NH3與SO3合成粘性物質(zhì)。該成分的脫硫劑在解決催化劑堵塞的同時(shí)，未反應(yīng)的脫硫劑可以用于后續(xù)濕法脫硫工序，生成的極少量的CaSO4在高溫下處于干燥粉末狀，吹灰器可以將其徹底清掃干凈，最終解決了催化劑堵塞的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

天鋼聯(lián)合特鋼在燒結(jié)煙氣超低排放設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)了靜電除塵器的高壓電源頻率，解決了SCR脫硝裝置堵塞問(wèn)題，提高了燒結(jié)煙氣除塵、脫硫和脫硝設(shè)施的運(yùn)行效率，消除了燒結(jié)尾氣白色煙羽。目前天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的含量可以穩(wěn)定控制在10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3的超低排放限值范圍內(nèi)。隨著國(guó)家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，燒結(jié)煙氣超低排放技術(shù)必將獲得更加廣泛的推廣和應(yīng)用。