摘要
隨著鋼鐵企業(yè)超低排放政策的實施，行業(yè)亟需經(jīng)濟可行的技術(shù)方案。由于燒結(jié)煙氣的特殊性，NOx超低排放改造仍存在一定的技術(shù)瓶頸。在燒結(jié)煙氣活性炭法脫硫脫硝裝置后進行了25000 m3/ h低溫SCR脫硝半工業(yè)化試驗，結(jié)果表明：活性炭法耦合低溫SCR脫硝工藝組合方案優(yōu)勢明顯，活性炭法為低溫SCR脫硝提供了優(yōu)異的低硫、低塵環(huán)境，150℃的煙氣溫度下脫硝效率為85%左右，135℃的煙氣溫度下脫硝效率為65%～70%；活性炭法后煙氣中粉塵具有質(zhì)輕、粘附性強的特點，聲波吹灰+壓縮空氣吹灰的組合吹灰方式吹灰效果良好；低溫下氨的吸脫附特征明顯，工程控制中為防止氨逃逸超標需嚴格控制煙氣溫度及噴氨量。
關(guān)鍵詞:燒結(jié)煙氣；脫硝；低溫 SCR；半工業(yè)化試驗
引言
2018年5月7日生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《鋼鐵企業(yè)超低排放改造工作方案》征求意見稿，明確提出鋼鐵行業(yè)燒結(jié)煙氣超低排放指標:在基準含氧量16%條件下，顆粒物、SO2、NOx小時均值排放濃度分別≤10，35，50 mg / m3，鋼鐵行業(yè)迎來“史上最嚴”的排放標準，加速了鋼鐵企業(yè)超低排放改造進程。
就目前燒結(jié)煙氣凈化市場而言，脫硫、除塵工藝已較為成熟，實現(xiàn)顆粒物及 SO2超低排放指標壓力較小，在技術(shù)路線上也有諸多選擇，而脫硝技術(shù)仍處于起步階段，實現(xiàn)脫硝超低排放，企業(yè)將承受較大壓力。
企業(yè)將面臨以下新挑戰(zhàn):
1) 由于過去幾年，脫硝排放標準寬松，鋼鐵行業(yè)長期執(zhí)行 300 mg/m3的排放限值，無脫硝設(shè)施也能基本滿足排放標準，導致脫硝設(shè)施覆蓋率低，據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)約 90%的燒結(jié)機未安裝脫硝設(shè)備，導致行業(yè)技術(shù)儲備不足。
2) 由于燒結(jié)煙氣排放溫度處于 90～150 ℃，而目前電力行業(yè)使用的中 高 溫 脫 硝 催 化 劑 的 工 作 溫 度 通 常 為 300 ～400 ℃ ，鋼鐵行業(yè)難以直接進行技術(shù)移植，而煙氣再加熱將大大增加投資成本，增加系統(tǒng)能耗和操作費用。
3) 目前行業(yè)內(nèi)以煙氣再加熱的中高溫SCR脫硝技術(shù)和活性炭催化脫硝的技術(shù)路線為主，這兩種技術(shù)路線都存在一定的技術(shù)缺陷: 煙氣再加熱導致系統(tǒng)能耗偏高以及活性炭脫硝效率有限，導致兩種方法大面積推廣應用受限。
從燒結(jié)煙氣實際排煙溫度來看，低溫SCR被認為是實現(xiàn)脫硝超低排放目標最有前景的技術(shù)手段之一。
燒結(jié)煙氣低溫SCR脫硝具有以下優(yōu)點:
1) 低溫下可實現(xiàn)脫硝，燒結(jié)煙氣僅需少量或無需設(shè)置再加熱裝置，設(shè)備體積大幅縮減，能耗大大降低。
2) 脫硝設(shè)施布置不受溫度限制，可布置于除塵、脫硫后，無需對原煙氣凈化系統(tǒng)進行改動，安裝簡便，適應性強。
3) 脫硝設(shè)施布置于低塵、低硫的原煙氣凈化系統(tǒng)尾部，無催化劑堵塞、磨損、微量金屬元素污染、SO2中毒等問題，維護成本低，使用壽命長。
低溫SCR脫硝優(yōu)勢明顯，但低溫下SCR催化劑抗水、抗硫的問題仍未得到有效的解決，低溫SCR脫硝缺少成熟可靠的工程案例。低溫SCR脫硝技術(shù)應用前景廣闊，鋼鐵企業(yè)超低排放改造成功與否直接關(guān)系到企業(yè)的生存與發(fā)展，而超低排放改造的重點是脫硝，因此，解決低溫SCR脫硝的工程難題意義重大。為了實現(xiàn)燒結(jié)煙氣中 NOx的超低排放，中冶長天國際工程有限責任公司聯(lián)合山西太鋼不銹鋼股份有限公司共同開展了鋼鐵燒結(jié)煙氣低溫SCR脫硝半工業(yè)化試驗研究。
1 項目概況
項目建設(shè)地點為太鋼不銹煉鐵廠三燒結(jié)活性炭法脫硫脫硝設(shè)施旁，煙氣取自活性炭法脫硫后凈煙氣煙道，取氣量為25000 m3/ h，在引風機作用下，煙氣通過蒸汽換熱器，經(jīng)噴氨、煙氣整流器混合均勻后進入反應器本體，煙氣中的NOx在三層催化劑的催化作用下與NH3發(fā)生還原反應生成N2達到脫硝的目的，凈化后的煙氣再返回至凈煙氣煙道排放，每層催化劑均設(shè)有壓縮空氣進行吹灰，由于入口粉塵量較小，系統(tǒng)不設(shè)置灰斗，吹灰后的煙塵可隨煙氣流動帶出系統(tǒng)，試驗工藝流程如圖1所示。
圖 1 低溫SCR脫硝半工業(yè)化試驗研究工藝流程
燒結(jié)原煙氣經(jīng)過活性炭法脫硫脫硝系統(tǒng)后，進入SCR 脫硝系統(tǒng)的煙氣條件( 實際氧) 如表 1 所示，低硫、低塵的環(huán)境為低溫SCR創(chuàng)造了優(yōu)異的反應條件，尤其在顆粒物<10 mg/m3、SO2< 35 mg / m3超低排放要求的背景下，除塵+脫硫+脫硝的組合工藝將是實現(xiàn) NOx超低排放很有前景的技術(shù)方案之一。
表 1SCR系統(tǒng)入口煙氣條件
2 試驗結(jié)果
2. 1 脫硝情況
2019 年 1 月中旬開始，SCR 脫硝中試系統(tǒng)投入運行，煙氣通過蒸汽換熱器升溫至 150 ℃左右后穩(wěn)定12 h，然后按氨氮摩爾比 = 1：1 噴入氨氣，如圖 2 所示，初始脫硝效率約 70%，隨著試驗進行，系統(tǒng)脫硝效率緩慢提高，約 12 h 后系統(tǒng)達到約 85%的穩(wěn)定脫硝率。在 150 ℃ 的煙氣溫度條件下，系統(tǒng)穩(wěn)定運行200 h，在此期間在線煙氣分析儀由于環(huán)境溫度較低多次報故障，數(shù)據(jù)記錄出現(xiàn)中斷，在分析儀故障期間采用 testo 350 手持便攜式煙氣分析儀間隔 2 h 測試一次數(shù)據(jù)，測得脫硝效率在 80% ～ 90%，出口 NOx滿足超低排放指標。
圖 2SCR系統(tǒng)在 150 ℃煙氣溫度下的脫硝效率
為驗證燒結(jié)煙氣在不加熱狀態(tài)下能否實現(xiàn)穩(wěn)定脫硝，另外，考慮到燒結(jié)煙氣中水分較高，為防止水汽冷凝影響催化劑工作，低溫SCR系統(tǒng)保持在 135 ℃的煙氣溫度下運轉(zhuǎn)，噴氨后約 12 h 的脫硝效率穩(wěn)定在 65%～70%左右。在 135 ℃的煙氣溫度條件下，系統(tǒng)穩(wěn)定運行 70 h 的煙氣溫度及脫硝效率如圖 3 所示，出口 NOx濃度在 50 mg/m3左右。
圖 3SCR系統(tǒng)在 135 ℃煙氣溫度下的脫硝效率
2. 2 系統(tǒng)壓降情況
圖 4 為SCR系統(tǒng)開機后煙氣量變化及系統(tǒng)阻力( 煙氣經(jīng)催化劑前后) 的歷史曲線，煙氣量隨阻力增加而減小，經(jīng)過約 2 周時間，煙氣量由初始的 25000m3降至 22000 m3左右，催化劑前后壓差由 600 Pa 增加至 900 Pa，遠超設(shè)計值，在調(diào)整風門開度及電機頻率后煙氣量恢復至 25000 m3，同時，壓差值增加至1000 Pa 左右。通煙氣后，系統(tǒng)壓降( 第一層催化劑入口壓力與第三層催化劑出口壓力之差: P1-P4) 基本以固定斜率緩慢增加，第 9 天起系統(tǒng)開始噴氨，阻力基本上仍以固定斜率增加，兩個小的突變點對應調(diào)整煙氣量至 25000 m3; 第一層催化劑前后壓差( P1-P2)變化( 280 Pa→820 Pa) 是導致壓差變大的主要原因，而第二層催化劑前后壓差( P2-P3) 和第三層催化劑前后壓差( P3-P4) 幾乎呈穩(wěn)定狀態(tài)，分別在 140 ～ 280 Pa和 190～300 Pa，與設(shè)計值相符。可見，噴氨并未對煙氣阻力上漲產(chǎn)生影響，煙氣中粉塵累積是造成阻力增加的主因，煙氣中顆粒物被第一層催化劑截留后，僅靠壓縮空氣吹灰難以脫除，吹灰效果不理想導致系統(tǒng)阻力持續(xù)上升。
圖 4 系統(tǒng)通煙氣后催化劑前后壓差變化情況
由于壓差的變化遠超設(shè)計值，將SCR系統(tǒng)進行停機檢修，并對系統(tǒng)積灰情況進行排查，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)每層催化劑上方鐵絲網(wǎng)均有不同程度的灰沉積，尤其以第一層催化劑積灰最為明顯，而系統(tǒng)出口煙道內(nèi)壁光滑無積灰，如圖 5 所示。由于吹灰管路覆蓋面積有限，吹灰僅對管路下方積灰清除有效，而未覆蓋的鐵絲網(wǎng)處積灰較明顯，說明單管路吹灰設(shè)計不能滿足系統(tǒng)的吹灰要求，推測雖然入口粉塵絕對量較小，但粉塵以質(zhì)輕、粘附性強的活性炭粉為主，吹灰方式的選取需要特別注意; 系統(tǒng)出口煙道無積灰，說明瞬時清灰后，粉塵可以隨煙氣排出系統(tǒng)。
圖 5SCR系統(tǒng)催化劑( 圖左) 及出口煙道( 圖右) 積灰情況
鑒于吹灰不徹底的現(xiàn)狀，對SCR系統(tǒng)進行了聲波吹灰器的加裝以及原有壓縮空氣清灰管路的改造，改造后每層催化劑上層均設(shè)置一套聲波吹灰裝置，且在原有 9 路壓縮空氣吹灰管路下各增加一列 T 型支管，各支管開一定數(shù)量的小孔，保證壓縮空氣吹掃面積覆蓋整層催化劑，解決吹灰面積有限的問題，改造實物如圖 6 所示。
圖 6SCR系統(tǒng)增設(shè)聲波吹灰器及壓縮空氣吹灰改造實物
吹灰改造完成后，效果顯著，圖 7 為系統(tǒng)運行650 h 催化劑前后壓差變化情況，可見吹灰改造后壓差控制較為理想，僅在 150～200 h 時間段調(diào)整煙氣量后壓差增加至 920 Pa 左右，壓縮空氣吹灰后，壓差降至 800 Pa 左右，并達到較長期的穩(wěn)定，說明聲波吹灰+壓縮空氣組合吹灰的效果明顯，同時也可推測在低硫、低塵、低溫的環(huán)境下系統(tǒng)生成的硫銨有限，為進一步開展低溫下SCR試驗創(chuàng)造了條件。
圖 7 系統(tǒng)吹灰改造后催化劑前后壓差變化情況
2. 3 系統(tǒng)氨逃逸
試驗期間，出口氨逃逸設(shè)計值為 3 ppm 以內(nèi)，但試驗過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)升溫降溫過程中氨逃逸值出現(xiàn)較大波動導致出口氨難以控制。圖 8 所示為煙氣溫度調(diào)整與氨逃逸值歷史數(shù)據(jù)，可見，煙氣溫度升高后，氨逃逸值瞬間變大，煙氣溫度降低，氨逃逸值立即降低，煙氣溫度與出口 NH3濃度相關(guān)性較好。這可能是因為低溫下反應器及管道對 NH3的吸附作用明顯，導致溫度升高后氨大量脫附。因此，當系統(tǒng)開機與或停機檢修時需要注意脫硝效果的滯后期以及系統(tǒng)內(nèi)殘留氨的充分釋放，另外，需要嚴格控制煙氣溫度的變化及噴氨量。
圖 8SCR系統(tǒng)煙氣溫度調(diào)整及氨逃逸歷史曲線
3 結(jié) 論
1)低硫、低塵環(huán)境下，低溫SCR脫硝表現(xiàn)出較好的NOx脫除能力，活性炭法+低溫SCR有望成為燒結(jié)煙氣超低排放改造經(jīng)濟可行的方案之一。
2) 低溫下SCR反應對環(huán)境的要求嚴苛，可繼續(xù)探索低溫高硫環(huán)境下催化劑抗 SO2、抗 H2O 中毒能力及機理等，不斷完善低溫SCR應用基礎(chǔ)科研工作。
3) 活性炭法耦合低溫SCR工藝，對于具有質(zhì)輕、粘附性強等特點的活性炭粉，聲波吹灰+壓縮空氣吹灰可作為一種較優(yōu)的吹灰組合工藝。
4) 低溫下SCR系統(tǒng)對 NH3的吸脫附作用明顯，煙氣溫度波動導致 NH3逃逸的變化顯著，工程控制中需嚴格控制噴氨量和煙氣溫度。
