钢铁行业烧结机脱硝排放系统中GGH设计探讨

蒲亨林 魏永贵 刘 君 刘朝成

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司 四川成都 611731）

1 背景

我国经济快速发展的同时不断推进大气污染的深度治理，近年来随着火力发电厂的超净排放进入尾声，超净排放逐步向钢铁行业烧结机覆盖，重点地区加速推进钢铁行业的脱硫脱硝超净排放改造。早期的钢厂一般未装设专用脱硝系统，而此次超净排放改造需要加装脱硝系统。在脱硝系统中，烟气加热器（GGH）作为重要的高效换热设备，能够有效进行热量回收，提升进入脱硝反应器的烟气温度，提高脱硝催化剂的效率。

回转式GGH是一种以逆流方式运行的再生式热交换器，如图1所示。加工成特殊波纹的金属换热元件被紧密地放置在转子扇形仓格内，转子以约1转/分钟的转速旋转，其左右两半部份分别为未净化烟气（原烟气）和净化烟气（净烟气）通道。当净烟气流经转子时，将热量释放给换热元件，净烟气温度降低；当换热元件旋转到原烟气侧时，又将热量释放给原烟气使其温度升高。如此周而复始地循环，实现净烟气与原烟气的热交换。

图1 回转式GGH三维示意图

2 钢铁行业烧结机GGH工作环境

烧结机烟气的特点[1]：

（1）烟气流量大、波动大，大型烧结机烟气量为200～300万m3/h。（2）烟气温度低、波动大，烟气温度为 120℃～220℃。（3）烟气中污染物浓度波动大，其中NOx含量为300mg/m3～600mg/m3。（4）烟气粉尘浓度高，粘度较大。（5）烟气成分复杂，含湿量大，含氧量高（12%～18%）。

对于烧结烟气NOx控制技术主要采用选择性催化还原法（SCR）脱硝技术[2]。结合现有各条生产线的不同设备布置位置，存在着先脱硝还是先脱硫的技术路线选择。烧结机脱硝放在脱硫前面，催化剂使用温度范围一般为280℃～400℃，脱硝放在脱硫后面，催化剂使用温度范围一般为250℃～340℃，随着脱硝催化剂的高效反应温度不断降低，可以采用更低温度区间的脱硝催化剂。结合不同的技术路线选择，GGH的工作环境有较大差异。

3 烧结机烟气处理路线

3.1 先脱硝再脱硫技术路线

烧结机先脱硝后脱硫，如图2所示，烧结烟气先经过除尘设备，除尘后的原烟气进入脱硝GGH，原烟气被加热后，再经过补燃设备将烧结烟气温度提升至脱硝需求温度进入脱硝装置，脱硝后的净烟气进入脱硝GGH，高温的净烟气通过回转式GGH进行热量交换，降温后的净烟气进入脱硫装置后续设备。本工艺路线采用高温SCR脱硝技术，烟气需要再热至280℃以上。一

图2 烧结机先脱硝后脱硫工艺路线

般脱硝采用高温催化剂，该脱硝温度场与常规煤粉炉的温度场相近，鉴于烧结机烟气含尘量较常规煤粉炉低了两个数量级（常规煤粉炉进入回转式空气预热器的含尘量大约在数十克），且烧结机脱硝后烟气经过GGH换热后，排烟温度都在150℃以上，与传统锅炉回转式空气预热器相比，其堵塞倾向性大大减弱。因此，采用先脱硝再脱硫技术路线的GGH设计选材要求就更低，GGH本体防腐和防堵的要求不高。

3.2 先脱硫再脱硝技术路线

图3 烧结机先脱硫后脱硝工艺路线

烧结机先脱硫后脱硝，如图3所示，烧结烟气先经过脱硫除尘设备，再进入脱硝GGH。不同的脱硫工艺有湿法脱硫、半干法脱硫和干法脱硫[3]，其中湿法脱硫系统腐蚀、堵塞严重，对后续的GGH提出了较高的防腐要求。因此，经过脱硫后的烟气含湿量偏高和温度偏低，在经过GGH加热以后，原烟气出口的温度一般在250℃～280℃，但是鉴于原烟气入口温度较低50℃～90℃，在该温度场的环境运行，GGH要考虑防腐。干法防腐要求略低于湿法，甚至无须防腐。

4 GGH设计重要参数

4.1 换热性能

GGH的换热性能是其关键指标。为了减少补燃设备的补燃量，减少燃料的消耗，在满足环保要求的最低排放烟气温度前提下，应该尽量将脱硝后的净烟气热量传递给原烟气。由于GGH存在换热时间和空间的限制，一般换热存在极限，推荐净烟气入口温度与原烟气出口温度温差在25℃时，其换热将到达线性极限。当温差超过25℃时，可以通过增加部分GGH的换热元件，到达快速提升原烟气温度的目的，当温差要求小于25℃时，提升相同的原烟气温度，需要增加GGH的换热元件量就更多，此时会造成GGH的阻力快速增加，同时GGH本体重量也会快速增加，其关系趋势如图4所示。

图4 净烟气入口温度和原烟气出口温度温差与换热元件面积关系趋势

4.2 漏风率

漏风率按下列公式计算：

式中：E1—烟气再热器净烟气入口烟气量kg/s；E2—烟气再热器净烟气出口烟气量kg/s。

在实际测试过程中，可采用间接测量法，类似于空气预热器性能测试，通过GGH烟气成分进行推算，即GGH烟气换热器漏风率按SCR出口测GGH换热器进出口烟气中的NOx浓度计算，如下[4]：

式中：A——实测的GGH烟气换热器漏风率，%；NOx——实测的GGH烟气换热器原烟气进口NOx浓度，ppm；NOx2——实测的GGH烟气换热器净烟气入口NOx浓度，ppm；NOx1——实测的GGH烟气换热器净烟气出口NOx浓度，ppm。

漏风率作为回转式换热器的重要指标，对烧结机的烟气排放指标有影响，即漏风率过大会造成NOx排放超标，达不到排放指标要求。

4.3 阻力

GGH的阻力大小对风机电耗有影响，阻力分为阻力定量与阻力增量。阻力定量指在设计条件下阻力的初始值，一般原烟气侧和净烟气侧总阻力为1200pa～1800pa；而阻力增量指GGH在运行一段时间后阻力的增加值，如果出现GGH阻力增量快速增大，轻则导致厂用电增加，漏风率增加，重则导致风机达到最大出力，影响烧结机生产线的最大产能。因此阻力增量是衡量GGH防堵性能的重要指标[5]。

5 GGH应用要求

GGH设计要求高可用率、低阻力高效传热和低漏风率特性等。

5.1 高可用率

为了与烧结机生产线相匹配，GGH设计不间断地连续运行时间大于8000小时，对GGH的各功能部件的鲁棒性提出了非常高的要求。

5.2 低阻力高效传热

在实际设计过程中，鉴于GGH的放置位置受场地限制，GGH的设计直径受到限制约束，因此只能在高效传热和低阻力特性有所取舍，在满足同等要求换热量的前提下，用尽量少的金属耗量换热元件完成换热，兼顾流体较低的通流阻力。与此同时，提升换热元件自清洁特性，即提升通过流体冲刷后带走表面粘附物的能力，保证GGH阻力增量较小。

5.3 低漏风率

在设置径向密封系统、轴向密封系统和旁路密封系统基础之上，为了保证超净排放，GGH会选择性增加一套低泄露系统，从而保证GGH的漏风率控制在2%以下甚至更低。

低泄露系统主要是利用风机抽取GGH出口的净烟气，通过注入GGH转动体内，减少原烟气向净烟气的直接泄露和携带泄露，在大型号GGH中，设置热端扇形板间隙跟踪装置，减少低泄露系统的风机功率，节省运行成本。各重要部件的选材配置见表1。

表1 GGH各重要部件选材配置

结语

文章通过介绍GGH在烧结机脱硝烟气处理中的作用，结合脱硝不同工艺路线的选择和进入GGH设备的烟气成分，明确了GGH在设计过程中需要重点关切的换热性能、漏风率和阻力特性的性能指标，提出了GGH在设计过程中各重要部件的选材和配置，解决了GGH的腐蚀和漏风大的难题。随着GGH不断在烧结机中的投运，对其认识将更加深刻，将持续细分其设计要领，设计出更加高效节能的热交换器。