河北文丰钢铁#3 烧结机超低排放系统设计探讨

李靖菀

0 概况

河北文丰钢铁有限公司位于邯郸武安，地处城西工业区，向东30 km 是京深高速公路。为了相应国家环保响应国家环保政策确保烟囱出口SO2、烟尘、NOx 排放浓度满足环保超低排放标准要求，钢厂决定为#3 烧结机新增脱硫、除尘、脱硝及相关配套设施。

1 原始设计参数

（1）烧结机容量：132 m2

（2）装置出力烟气能力：942 000 m3/h（工况）

（3）烟温：90～150℃

（4）入口 SO2浓度：3 000 mg/Nm3

（5）入口粉尘浓度：100～150 mg/Nm3

（6）SCR 入口 NOx 浓度：350 mg/Nm3

（7）系统操作弹性：40%～110%

（8）出口 SO2浓度:＜35 mg/Nm3

（9）烟囱出口 NOx 浓度:＜50 mg/Nm3

（10）出口粉尘浓度:＜10 mg/Nm3

（11）蒸汽：无

（12）煤气：转炉煤气及高炉煤气，压力4～20 KPa

以上污染物浓度均指标态，干基，16%O2 时的浓度。

2 工艺路线设计

烧结烟气温度低（90℃～150℃），不在SCR 脱硝的反应温度窗口内，但符合湿法脱硫的要求。因此，无法采用燃煤锅炉烟气先脱硝后脱硫的工艺路线。

故用以下工艺路线：

主抽风机出口烧结烟气（90℃～150℃）→脱硫湿电一体塔（50℃）→GGH 升温（280℃）→热风炉补温（320℃）→SCR 中高温脱硝→GGH 降温（99℃）→排入烟囱该工艺利用脱硝后净烟气（320℃）携带的热量，通过GGH 将该热量换给原烟气（50℃），使其升温280℃，再通过热风炉补热升温至320℃达到SCR 中高温催化脱硝的温度要求。

本项目选择SCR 中高温脱硝，而非SCR 低温脱硝是基于以下两点原因。一，多用于低温SCR 脱硝的锰基催化剂，虽在低温下活性高，但与中高温催化剂相比，抗SO2中毒（SO2与活性金属生成硫酸盐，导致活性金属减少）性能差，需再生周期短[1-2]。二，烟气中SO3与NH3反应生成硫酸铵和硫酸氢氨，在温度低于230℃时无法分解，会凝结黏附在催化剂表面及下游的烟道上，造成催化剂堵塞及烟道腐蚀[3]。

3 系统关键设备应用

3.1 脱硫湿电一体塔

经湿法脱硫吸收塔洗涤后的烟气中仍含有超过排放标准的粉尘量（30 mg/Nm3）。粉尘中的 SiO2、Al2O3、CaO、As 等污染物吸附在 SCR 脱硝催化剂表面，减小催化剂的比表面积，抑制反应物向催化剂表面的扩散，从而影响催化剂的活性[4]。为降低脱硫后烟气中的尘含量，采用脱硫湿电一体塔。烧结烟气进入吸收塔后上升，与塔内雾化喷嘴喷出的循环浆液逆流接触，烟气中的SO2、SO3、HCl、HF 被吸收。为使塔内流场更均匀，提高脱硫效率，在喷淋层下方设置了烟气均布器（开孔率33%）。烟气均布器能改善流场，其表面停留的一层石灰石浆液，可增加烟气同浆液的接触时间，进一步提高脱硫效率。通过循环浆液洗涤后的烟气含水量高，需通过除雾器去除烟气中较大的雾滴。采用两级屋脊加管式除雾器，可有效将吸收塔出口烟气中雾滴含量控制在20 mg/Nm3以内。

通过除雾器的烟气上升，进入塔上湿式静电除尘器，去除烟气中粉尘达到排放要求。湿电由阳极系统、阴极系统、电场冲洗水系统、热风吹扫系统等构成。阳极系统由蜂窝型布置的阳极管组成，材质为2 205 双向不锈钢。阴极系统由绝缘子、阴极吊杆、阴极吊梁、阴极线等组成。绝缘子室的热风吹扫系统包含密封风机和电加热器。电场冲洗水系统与湿电下方的除雾器冲洗共用两台冲洗水泵（一用一备）。

3.2 GGH 换热器

GGH 换热器是将烧结烟气升温以满足SCR 中高温催化脱硝温度的关键设备。采用回转式烟气换热器，主要由转子和烟气通道两部分组成。转子由电动机带动以0.75～2 r/min 的转速旋转，交替通过原烟气（脱硫后烟气，50℃）和净烟气（脱硝后烟气，320℃）通道。在通过净烟气通道时，蓄热部件吸收净烟气的热量，温度上升；再通过原烟气通道时，蓄热部件放热，对原烟气加热。依靠转子的热容作用，实现原烟道与净烟气间连续的热交换。

回转式烟气换热器采用低泄漏密封系统，减小原烟气对净烟气的污染。为避免烟气腐蚀设备，GGH 与烟气接触部件均采取防腐措施。对于GGH 静态部件采用玻璃鳞片树脂保护，回转部件采用考登钢，换热元件采用镀搪瓷的钢板。

原烟气（脱硫除尘后的烟气）还携带飞灰，飞灰在GGH 内沉积会降低传热效率和增加阻力，因此配置压缩空气吹灰装置及高压冲洗水系统，以保证设备压损不高于1 800 Pa。考虑到进入GGH 的原烟气温度在露点以下，与GGH 配套的低泄漏风机叶轮需采用316 L，保证设备的耐腐蚀能力。

3.3 热风炉加热系统

利用GGH 只能将原烟气升温至280℃，而SCR 中高温脱硝的反应温度在310℃以上[5]，因此需设置烟气加热装置将烟气升温40℃至320℃。由于烟气量大（600 302 Nm3/h，湿基），升温40℃需消耗8 550 KW 热量，故选择热风炉加热系统。该系统由热风炉本体、燃烧器、点火装置、高炉煤气阀组、助燃风机及控制系统等组成。热风炉燃烧高炉煤气来加热少量湿烟气（26 000 Nm3/h）至1 000℃。这部分烟气与经GGH 升温至280℃的原烟气混合成320℃烟气，进入SCR 脱硝反应器。热风炉的控制系统配有触摸屏，显示炉膛温度、热风温度、烟气温度等报警参数。

3.4 SCR 中高温脱硝系统

本项目SCR 中高温脱硝系统由氨水蒸发系统及SCR 反应器构成。氨水槽车运来的20%氨水通过卸料泵进入氨水储罐，再经过氨水循环输送系统及计量分配模块喷入氨水蒸发器。在蒸发器内氨水吸收高温烟气的热量蒸发后，进入SCR 脱硝反应器喷氨格栅。在设计工况下，20%的氨水蒸发量为360 kg/h。SCR反应器内布置2+1 层氧化钛基（V2O5-WO3/TiO2）催化剂，其中一层为预留层。在处理100%的烟气时，2 层催化剂的脱硝效率不低于90%。催化剂型式为蜂窝式（25 孔），孔内流速不超过8 m/s。为避免烟气在催化剂表面积灰，每层催化剂均设置声波吹灰器，备用层也预留了吹灰器的空间及接口。根据反应器的截面尺寸8 000 mm（宽）×9 700 mm（长），以及声波吹灰器的吹灰距离8m（轴向）、2～4 m（径向），在 9 700 mm 长度上每层布置 3 台声波吹灰器。

4 运行情况

正式投运一年来系统运行正常，主要指标达到设计要求。烧结烟气经脱硫除尘一体塔处理后含尘量低于10 mg/Nm3，加上催化剂层布置了合理的声波吹灰系统，未发现催化剂堵塞和磨损问题。

5 结语

该系统采用了先脱硫除尘后脱硝的工艺。经脱硫湿电一体塔处理后的烟气通过GGH 升温及热风炉补热后，进入SCR 脱硝反应器脱除NOx，再回到GGH 降温至99℃，排入烟囱。将SCR 反应器布置在脱硫湿电一体塔后，可使催化剂在低SO2、低尘的烟气中工作，降低了飞灰对反应器的堵塞及腐蚀的风险，避免了催化剂污染、中毒，提高了催化剂的使用寿命。采用该工艺还可避免排烟温度低造成的“白雾”现象。然而，为了将烧结烟气升温至SCR 脱硝反应的温度窗口内，采用了GGH 和热风炉，造成投资及运行成本比同等规模的电厂锅炉脱硫脱硝烟气净化装置高。

除了SCR 脱硝外，也有臭氧法、活性炭吸附法、微生物净化法、湿式络合吸收法、脉冲电子晕等离子法及电子束照射法等其他脱硝方式。臭氧脱硝国内应用还不成熟，臭氧利用率低。臭氧脱硝产出的硝酸盐废水需有效处理后，才可排入环境水体。

活性炭吸附脱硝虽然设备简单，且能同时脱除SO2，但吸附剂容量有限，需要的吸附剂量大，设备庞大。加上活性炭再生利用的消耗大，市场价格高，其投资及运行费用较高[6]。

微生物净化法是利用反硝化细菌的合成代谢将NOx还原成有机氮化物，成为菌体的一部分或通过异化反硝化作用最终转化为N2，该方法还处于研究阶段。

湿式络合吸收法利用液相络合剂与NO 反应，增加NO 在水中的溶解度，从而使NO 从气相转入液相，再通过对脱硫设备的改造，实现同时脱除SO2和NOx。但脱硝效率低、且副产物难处理。

脉冲电晕等离子法和电子束照射法都是利用高能电子将烟气中的H2O 和O2分子激活、电离或裂解，生成强氧化性的自由基。这些自由基可将SO2和NOx进行等离子体催化氧化，生成SO3和NO2或相应的酸，在添加剂的作用下，生成相应的盐而沉降。这两种方法技术含量和投资费用都较高，且脱硝效率不如SCR。

脱硝方法工业化应用还需改进。目前，高温脱硝仍是比较成熟、有效的方法。