烧结烟气SCR脱硝技术的应用实践

2020-07-03梁春明

山东冶金 2020年3期

孙东，梁春明

（石横特钢集团有限公司炼铁厂，山东肥城271612）

1 前言

烧结烟道废气中排放的氮氧化物含量在280～360 mg/m3，其来源主要是空气中的氧与烧结燃料中氮元素高温燃烧发生反应生成NOx。废气中的NOx主要由NO和NO2组成，其中NO约占NOx总量的95%，NO2约占NOx总量的5%。空气中的NOx可与碳氢化合物经紫外线照射发生反应形成光化学烟雾，也可与空气中的水反应生成硝酸和亚硝酸形成酸雨，影响人类健康，污染环境［1］。根据山东省《钢铁工业大气污染物排放标准》中规定，烧结烟道废气中氮氧化物排放量要求在50 mg/m3以下。通过工艺调整优化，氮氧化物只能控制在270 mg/m3左右，氮氧化物减排问题已成为制约公司能否生存发展的主要瓶颈。在此背景下，石横特钢开展烧结烟气NOx减排技术研究。新3#烧结SCR脱硝技术于2018年12月15日投入应用，该技术使用20%浓度的氨水作为脱硝还原剂，将烧结烟气NOx降低至50 mg/m3以内，实现NOx超低排放。

2 SCR脱硝原理

2.1 化学反应原理

在SCR脱硝工艺中，将氨水雾化喷入烧结烟气中，在催化剂作用下和300～400℃温度范围内氨与NOx反应，生成氮气和水。主要化学反应方程式为：

2.2 化学反应机理

氨首先被催化剂活化成氨基，再与烟气中的NO偶合，形成了极易降解为N2和H2O的亚硝基中间产物。随着还原态的催化剂被烟气中的氧气所氧化，催化剂得到复原，实现了催化循环，见图1。

图1 脱硝反应机理

3 SCR脱硝技术工艺流程

SCR脱硝技术有以下系统：热风炉加热系统、网链除尘系统、GGH系统、SCR反应器（含3层催化剂及吹灰系统）、烟气降温系统、氨水储存及输送系统、电气控制系统等。

工艺流程：主抽风机将130℃的原烟气送入脱硝原烟道，烟气流经GGH换热器，在GGH换热器和热风炉的作用下，将原烟气加热到310℃，氨水经喷枪雾化在脱硝原烟道与加热后原烟气混合，经网链除尘器除尘，进入SCR反应器，在催化剂作用下，氨气与烟气中的NOx加速反应实现脱硝。脱硝后的烟气经GGH换热器降温至160℃，再进入烟气降温器降温至120℃，经增压风机去往吸收塔进行脱硫除尘，最终达标排放。工艺流程见图2。

脱硝系统设两台CEMS，分别安装在脱硝入口烟道和脱硫塔出口烟道，用于检测整套系统的出入口数据，出、入口数据CEMS的NOx数据通过硬接线接入脱硝DCS中进行监控与记录，出口在线数据直接上传市环保局，有力保障数据的真实性、有效性。

4 脱硝技术参数的控制

4.1 催化剂活性

图2 脱硝系统工艺流程

催化剂是SCR系统中关键设备之一，其类型、结构和表面积对脱除NOx效果有很大影响，该工艺选择金属氧化物为催化剂，主要材质为V2O5-WO3（MoO3）/TiO2。影响催化降解效果的因素有以下几点。

1）反应温度。反应温度决定着反应速度和反应活性。如果温度过低，反应速率慢，甚至出现了一些不利于NOx降解的副反应，如铵盐的生成反应加快。如果温度过高，则会出现催化剂活性微晶受高温烧结的现象，影响了催化剂的使用寿命。SCR系统反应温度控制在300～400℃。

2）空间速率［2］。烟气的空间速率越大，其停留时间越短。一般而言，SCR的脱硝效率将随烟气空间速率的增大而降低。空间速率通常是根据SCR反应器的布置位置、脱硝效率、烟气温度、允许的氨逃逸量以及粉尘浓度来确定的。空间速率一般在2 500～3 500 Nm3/（m3·h）。

3）烟气流型及与氨的湍流混合。在工程设计中必须重视烟气的流场，喷氨点应具有湍流条件以实现与烟气的最佳混合，形成明确的均项流动区域。

4.2 脱硝率

烧结废气中入口NOx浓度一般在280～360 mg/m3，通过实时控制氨水流量、喷氨周期，保证SCR系统出口NOx＜50 mg/m3，脱硝率达90%以上。

4.3 催化剂压差

催化剂运行压差反映了烟气经过SCR反应器催化剂层后的压头损失。压差的升高趋势，代表催化剂的堵塞严重程度。正常情况下，压差＜0.6 kPa。

4.4 NH3/NOx的摩尔比

氨氮摩尔比简称为氨氮比［3］，理论上，1 mol的NOx需要1 mol的NH3去脱除，NH3量不足会导致NOx的脱除效率降低，但NH3过量又会带来NH3对环境的二次污染以及产生氨盐等腐蚀性物质。通常，喷入的NH3量随机组负荷的变化而变化，所以烟气的NOx在线监测设备要定期检修、校准，保证监测数据的精准。以氨逃逸量为基准，保证能与NOx充分反应，防止逸散。NH3逃逸率一般控制在＜3%。

4.5 声波吹灰器操作

为防止催化剂积灰，提高催化剂使用寿命，在3层催化剂上方各均匀设有5套声波吹灰装置循环吹灰，声波吹灰器每15 min喷吹1遍，利用金属膜片在压缩空气下产生声波，将压缩空气携带的能量转为高强声波对积灰产生剥离振动，使灰粒子和空气产生震荡，以便烟气或重力将其带走。声波吹灰器工作压力应＞0.5 MPa，否则难以达到除灰效果。

5 运行中存在的问题及对策

5.1 催化剂堵塞

催化剂堵塞主要是由于铵盐及飞灰的小颗粒沉积在催化剂小孔中，阻碍了 NOx、NH3、O2到达催化剂活性表面，引起催化剂钝化。

新3#烧结脱硝系统于2018年12月15日投入运行，运行后由于对反应温度、吹扫周期及吹扫压力等工艺参数的控制缺乏经验，运行不到1个月时间，催化剂总压差由0.48 kPa逐步升高至1.5 kPa，系统阻力增加，导致烧结负压降低，影响烧结矿产量降低。于2019年2月15日对脱硝系统工艺停机检查，经检查发现催化剂堵塞严重。检修开机后采取增加吹扫频次、降低反应温度等措施，但催化剂仍有堵塞现象，于4月7日再次停机清理催化剂堵塞；此次停机在清理堵塞的同时，采取了降低喷吹管与催化剂的垂直距离，距离由500 mm降低至300 mm；另外在第三层催化剂上部增加网链清扫装置，运行中定时对催化剂吹扫、声波振打等，减少催化剂积灰。此次检修开机后，催化剂堵塞现象得到一定改善，但压差还是有缓慢升高趋势。

为彻底解决催化剂堵塞对生产的影响，脱硝攻关小组不断创新，拟在吹风管道中兑入调质剂。2019年5月11日停机12 h，通过对相关设备的改造和对接，实现往吹风管道中兑入调质剂。调质剂的主要作用是改善烟气的品质，降低烟气的黏度。调质剂使用后催化剂堵塞现象得以消除，实现了SCR系统的长期平稳运行。

5.2 催化剂的磨损

催化剂的磨蚀主要是由于飞灰撞击催化剂表面形成的，磨蚀强度与气流速度、飞灰特性、撞击角度及催化剂本身特性有关。预防措施：加强生产操作管控，控制适宜的混合料水分，杜绝混合料出现干料；使用铺底料工艺，提高机头除尘效率，减少粉尘颗粒物进入脱硝系统。

5.3 催化剂碱金属及砷中毒

碱金属中毒主要是烟气中Na、K腐蚀性混合物与催化剂表面接触，降低催化剂活性。砷（As)中毒主要是由烟气中的As2O3扩散进入催化剂表面及堆积在催化剂小孔中，在催化剂的活性位置与其他物质发生反应堆积，引起催化剂活性降低。预防措施：一是烧结配矿时综合考虑原料中碱金属及砷元素带入量，控制烧结矿中K2O≤0.12%、Na2O≤0.05%、As≤0.07%；二是做好机头除尘设备维护，提高除尘运行效率。通过以上措施减少碱金属及砷进入SCR系统。

5.4 NH3逃逸

监控显示SCR反应器出口氨浓度＞3×10-6。NH3逃逸一般是NH3/NOx的摩尔比参数控制过高或催化剂性能降低，不仅浪费了生产成本，而且造成环境的二次污染；另外，逃逸了的NH3与烟气中的SO3反应生成NH4HSO4和（NH4）2SO4等黏稠状的铵盐，粘结在下游设备上，并腐蚀这些设备，同时增大了沿程阻力。减少NH3逃逸的措施：在保证SCR系统出口NO浓度达标排放的情况下，减少喷氨量；停机检查催化剂是否完好或检测催化剂的性能指标是否满足要求；检测烟气流场是否均匀。