7.63 m焦炉烟道气SDS脱硫和SCR脱硝实践

梁 杰，殷喜和

（山西太钢不锈钢股份有限公司焦化厂，山西 太原030003）

太钢焦化厂3×70孔7.63 m焦炉均采用高炉煤气加热，适当掺入焦炉煤气。强化生产状态下（结焦时间25 h），单座焦炉加热煤气瞬时用量上限为13.5万m3/h，空气过剩系数上限为1.5（7.63 m焦炉加热烟道气中氧体积分数控制在3%～5%），加热烟道气瞬时流量上限为46万m3/h，温度为190℃～230℃，其中二氧化硫、氮氧化物、粉尘颗粒物质量浓度分别为200 mg/m3～400 mg/m3、400 mg/m3～500 mg/m3、15 mg/m3～20 mg/m3。自2019年10月1日起，山西省焦化行业执行GB 16171—2012中规定的特别排放限值要求：SO2质量浓度≤30 mg/m3、NOx质量浓度≤150 mg/m3、颗粒物质量浓度≤15 mg/m3。为满足特别排放限值的要求，太钢焦化厂通过分析对比目前各种脱硫、脱硝技术及调研国内相关焦炉加热烟道气脱硫脱硝装置运行情况[1]，结合7.63 m焦炉加热烟道气温度、成分及流量，选择了碳酸氢钠干法（SDS）脱硫除尘与中低温选择性催化还原脱硝（Selective Catalytic Reduction，简称SCR）一体化工艺。项目于2018年5月开工，10月底投入运行。现就运行情况介绍如下，供行业相关人员参考。

1 SDS脱硫+SCR脱硝工艺流程

SDS干法脱硫除尘与SCR脱硝一体化工艺流程图见图1。焦炉加热烟道气在增压风机作用下，从总烟道引出，进入SDS干法脱硫及除尘装置，去除烟道气中的二氧化硫及颗粒物，之后进入中低温SCR脱硝反应器，脱除烟道气中的氮氧化物。经过处理后的净烟道气返回焦炉总烟道，经大烟囱排入大气。

图1 SDS干法脱硫除尘与SCR脱硝一体化工艺流程图

1.1 烟道气脱硫

该工艺先以碳酸氢钠为脱硫剂，将碳酸氢钠磨成粒径为20μm～25μm的细粉颗粒，通过风机气力输送，经专用的雾化喷头，均匀喷入干式脱硫塔内。碳酸氢钠在脱硫塔内利用文丘里原理，与烟道气完成一系列复杂的物理化学变化：首先碳酸氢钠在180℃以上的温度下脱氢，生成的碳酸钠具有有吸附能力的微孔结构，生成的碳酸钠的比表面积迅速增大至原来碳酸氢钠的数百倍，当这些具有微孔结构的碳酸钠与烟道气中的二氧化硫接触时，二氧化硫分子迅速被碳酸钠微孔捕获并发生化学反应，生成亚硫酸钠，亚硫酸钠再与烟道气中的氧气反应生成硫酸钠。经过脱硫的烟气粉尘，通过除尘器下部螺旋输送机和气力输送系统，将脱硫副产物硫酸钠排出系统，送往粉煤灰综合利用公司加气砼车间做墙体材料，实现脱硫废物变废为宝[2]。脱硫后的烟气中二氧化硫质量浓度≤20 mg/m3，颗粒物质量浓度≤10 mg/m3。

完成的主要化学反应见式（1）、（2）：

与其他酸性物质的反应见式（3）、（4）：

吸收了SO2等酸性物质的干燥含粉废气进入布袋除尘器，进行气固分离和烟尘净化。除尘器收集的脱硫副产物为干态粉状料，其大致的成分（质量分数）为：Na2SO4约占90%、Na2CO3约占10%，通过除尘器排灰、输送至副产物料仓，下料口处用吨包装袋打包外运。脱硫除尘后的烟气进入SCR脱硝系统。

1.2 烟道气脱硝

脱硫后的烟道气进入装有低温脱硝催化剂的脱硝反应器。脱硝反应器分为4个单元，每个单元里装有2层催化剂。含有氮氧化物的烟气在经过脱硝反应器前部烟道时，与经过喷氨格栅喷入的氨空混合气混合均匀后进入脱硝反应器（氨空混合气是利用氨气稀释风机，将纯氨气稀释到体积分数＜5%的混合气），在低温脱硝催化剂的作用下，烟气温度＞180℃时，烟气中的氮氧化物与喷入的氨气发生化学反应，生成氮气和水，脱硝副产物氮气和水随烟气经过烟囱排入大气，达到净化烟气的目的。

脱硝工艺系统包括氨气供应、脱硝反应、热解析。烟气中混入的氨气作为还原剂，与烟气中的NOx在催化剂活性成分催化下，发生反应，生成氮气和水蒸气，脱除氮氧化物。净化后的烟气送回焦炉总烟道（闸板前），经烟囱排放。

脱硫除尘后烟道气中的氮氧化物一般由约95%（体积分数）的NO和5%（体积分数）的NO2组成，SCR脱硝反应主要反应式见式（5）、（6）：

1.3 脱硫脱硝系统的工艺介质流程走向

1.3.1 焦炉烟道气

焦炉烟道气→SDS脱硫装置→布袋除尘器→SCR脱硝装置→增压风机→焦炉总烟道。

1.3.2 碳酸氢钠粉

碳酸氢钠储仓→磨机进料计量秤→磨机→引风机→SDS脱硫装置。

1.3.3 脱硫副产物

脱硫装置→布袋除尘器→螺旋输送机→气力输灰装置→副产物储仓→半自动打包装置。

1.3.4 氨气

氨气缓冲罐→氨空混合器→喷氨格栅→烟道→SCR反应器。

2 技术配置及相关参数

2.1 脱硫脱硝系统整体配置特点

采用先脱硫后脱硝流程的优点：先脱硫除尘，能有效去除焦炉烟道气中的焦油等杂质，可以防止其对脱硝催化剂的污染，延长催化剂使用寿命。

系统严密性及散热保温：脱硫脱硝系统在设计过程中，必须充分考虑系统对严密性的要求，连接部位采用密封结构设计和严密性材料；施工安装、焊接时，进行气密性试验，确保其严密性，以防止系统投用后抽入冷空气。同时，对系统散热面进行全面保温，高温烟道气管道保护层采用纳米气凝胶+硅酸铝棉，确保整个系统烟道气温度达标，以免影响脱硫脱硝效果。另外，除尘输灰管道也要使用电伴热保温。

2.2 主要运行参数

脱硫脱硝装置主要运行参数见表1。

表1 主要运行参数

2.3 脱硫剂

SDS干法脱硫的脱硫剂曾多次试用国内食品级碳酸氢钠，但在研磨环节，频繁出现结块现象，影响系统运行，后最终使用索尔维（SOLVAY）公司生产的碳酸氢钠产品作为高效脱硫剂。

SDS脱硫工艺在管道直接喷射脱硫剂，可根据烟气中酸性物质含量随时调节脱硫剂的注入量，不受其他因素影响，对工况适应性强，在负荷调整时有良好的、适宜的调节特性。

2.4 脱硝催化剂

SCR脱硝反应催化剂选用蜂窝式钒钛系中低温催化剂，主要成分为V2O5、TiO2等，具有催化反应温度调节范围宽、SO2转化率和NH3逃逸率低、抗硫性好、脱除效率高、比表面积大、结构强度高、寿命长等特点。催化剂采用模块化密封设计，可有效防止烟气短路，各层模块规格统一，具有互换性、抗水性、抗黏性。催化剂模块采用钢结构框架，便于运输、安装、起吊，可缩短安装、更换催化剂的作业时间。

催化剂的安装按2+1层设置，其中初装2层，备用1层。在初期的2层催化剂运行2 a后，增加布置第3层催化剂，之后每年循环更换1层催化剂。同时，用耐高温陶瓷纤维毡对催化剂间隙进行密封。在催化剂顶加装声波吹灰装置，用以吹扫催化剂表面的积灰，保证烟气通道的畅通。

在SCR脱硝反应器内还安装有吹灰器，定期对催化剂进行吹扫，可保证脱硝效率，并延长催化剂使用寿命。

2.5 脱硝催化剂热解析系统

脱硝催化剂热解析再生系统采用在线解析的方式，启动煤气热风炉，通过阀门调节煤气用量，将烟气加热至300℃以上，用以清除催化剂表面的附着物，包括焦油、有机物等。根据脱硝运行状况，热解析系统约每12个月投运一次，每次一个仓室，4个仓室轮流进行，每次升温时间约持续12 h。热解析系统可及时清理催化剂的表面，保持催化剂的活性，延长催化剂的使用寿命，降低运行成本[3]。

2.6 氨气供应系统

氨气供应系统的进口烟道上设置喷氨格栅，将烟道截面划分为多个控制区域，每个控制区域有若干个喷射孔。通过烟气导流板和调整各氨气喷嘴阀门的开度，使各氨气喷嘴流量与烟气中需还原的NOx含量相匹配，使氨在烟气中均匀分布，确保进入SCR反应器的烟气气流保持均匀，避免局部喷氨过量。同时，调整反应器中第一层催化剂上方烟气的NH3、NOx摩尔比，改善氨的扩散及与烟气的混合均匀程度。

2.7 脱硝系统进口烟道气温度控制

当脱硝系统入口烟道气温度过低时（＜170℃），启动煤气热风炉（用焦炉煤气点火，以高炉煤气为热源），对烟道气进行补充加热，以确保烟道气温度稳定在中低温脱硝催化剂活性温度范围内，从而达到运行稳定、高效脱硝。

3 特殊操作

3.1 在脱硫脱硝系统入口管道上设置气动快速切换翻板，能够在10 s内迅速开启/关闭，实现脱硫系统与焦炉加热烟道气原排气系统的快速切换。脱硫系统正常运行时，旁路翻板关闭，原烟道气进口翻板打开，烟道气经脱硫脱硝系统处理后，经焦炉烟囱排出；脱硫脱硝装置发生故障、出现意外紧急停机或检修时，进口翻板关闭，焦炉总烟道旁路翻板打开，焦炉加热烟道气直接切出脱硫脱硝系统，确保不影响焦炉的正常工作。

3.2 脱硫除尘布袋材质耐高温度为250℃，要求烟道气温度不得超过240℃。除尘仓烟道气进口温度≥240℃时的应急操作：（1）打开快切阀；（2）逐步降低增压风机转速；（3）观察脱硫塔入口温度，降低到220℃以下时，关闭快切阀；（4）逐步提高增压风机频率，使焦炉加热吸力符合要求。

3.3 碳酸氢钠脱硫剂具有吸湿性，研磨系统停止前，利用磨机系统配置的输送风机，先将磨机及输送管道中的脱硫剂全部吹送至脱硫塔中反应完。

3.4 系统增压风机采用变频调速，开启增压风机时，初始设定风机的频数为20 Hz，而后再缓慢增加风机电机频数，直至达到系统要求、稳定运行；系统停机时，缓慢降低增压风机变频至20 Hz，而后再停运增压风机。

4 运行效果

太钢焦化厂焦炉烟道气碳酸氢钠干法（SDS）脱硫除尘与SCR中低温脱硝一体化工艺系统自2018年投运以来，装置运行稳定，净化后的指标低于GB 16171—2012中规定的特别排放限值要求（脱硫脱硝系统实际运行指标见表2）。

表2 脱硫脱硝系统实际运行指标mg/m3

由表2可见，三套系统脱硫和脱硝效率均大于90%、颗粒物脱除效率大于85%。

总体来讲，该脱硫脱硝一体化系统脱除效率高，对焦炉负荷变化适应性强，NH3逃逸率低，催化剂活性好、失活率低、寿命长；系统气流分布均匀、阻力小，对其他酸性物如HCl、SO3、HF等也具有很高的脱除率。同时，脱硫副产物硫酸钠纯度高，方便利用。而且处理后的烟道气没有因降温造成的白雾现象，无需再对烟道气进行消白处理，避免了视觉污染。该系统运行两年以来，稳定可靠、安全性高，便于维护，运行成本低。

对于独立焦化厂而言，该工艺在脱硫工序采用钠盐作为脱硫剂，生产的硫酸钠处理困难，需进一步拓展工艺；同时建议脱硫脱硝系统配套大功率的增压风机，以满足焦炉加热系统对吸力的要求。新建焦炉烟道气脱硫脱硝设施时，可同步考虑处理干熄焦烟气负荷，以降低新建干熄焦烟气脱硫脱硝成本。