浅谈烧结烟气超低排放技术的应用

王贺建，甄 众，孙彦广，李智勇，董云江，邹宗来

（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

0 引言

钢铁行业生产过程中产生的烟气含有大量的污染物，其中烧结工序产生的烟气污染物总量最大。天津市新天钢联合特钢有限公司（后称天钢联合特钢）有两台230 m2烧结机，正常生产时单台烧结烟气流量在70万Nm3/h左右，其污染物排放量占公司总排放量的50%以上。2018年5月，生态环境部发布了《钢铁企业超低排放改造工作方案》，将烧结烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值分别修改为10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，在超低排放治理工作中，烧结烟气超低排放技术的应用起到重要意义。

本文分析了天钢联合特钢烧结烟气污染物的种类，介绍了烧结机配套的烟气处理设施，重点论述了机头电除尘、湿法脱硫、烟气消白、SCR脱硝等烧结烟气超低排放技术应用中存在的问题和影响因素，并给出了相应的解决办法。

1 烧结烟气污染物的种类及超低排放设施

1.1 烧结烟气污染物种类

烧结工序主要是将各种含铁粉料，配入适量的燃料和溶剂，经混合后在烧结机中烧结成块的过程，其中含铁原料种类丰富。烧结也是钢铁企业固体废物再利用的重要环节，大部分含铁废物，如除尘灰、钢泥等都可以按一定比例混入原料中重新利用，因此烧结烟气成分复杂，除含有颗粒物、SO2、NOx外，还含有多环芳烃和容易引起脱硝催化剂中毒的碱金属等多种污染物。

1.2 烧结烟气超低排放设施

天钢联合特钢烧结烟气超低排放采取的工艺路线为：烧结烟气先经电除尘脱除颗粒物，后通过主抽风机进入SCR脱硝系统脱除氮氧化物，经增压风机将脱除氮氧化物后的烟气送入湿法脱硫塔中脱除SO2，最终烟气经过消白处理后排出烟筒，实现超低排放。天钢联合特钢烧结烟气超低排放工艺流程如图1所示。

图1 天钢联合特钢超低排放设施流程图

2 超低排放技术的应用

2.1 机头电除尘

机头电除尘的主要作用是脱除烧结烟气中的颗粒物，使其达到排放标准。目前电除尘器电源分有高频电源和工频电源两种：高频电源相对工频电源具有更好的节能效果、更高的电晕功率、更好的电源适应性、除尘效率高等优势，高频电源电除尘器电场为一直流，只要投入运行其电场电压就接近于击穿电压，平均电压处于高位；工频电源电除尘器电压处于长期波动的状态，平均电压比高频电源低很多。

由于高频电源平均电压高，提高了粉尘的荷电，强化了电场粉尘吸附效果，最终可实现除尘效率的提高。天钢联合特钢230 m2烧结机头电除尘器共有6个电场，全部升级改造为高频电源，当前除尘器运行情况良好，外排烟气颗粒物稳定控制在≤10 mg/m3的范围内。

2.2 湿法脱硫

钢铁企业在SO2减排方面，基本都已完成烧结烟气脱硫工程化应用，大多数采用湿法或半干法脱硫工艺，湿法脱硫约占80%，半干法脱硫约占15%[1]。部分地区对湿法脱硫后的“白烟羽”提出了“消白减白”的要求。

天钢联合特钢烧结脱硫工艺采用湿法脱硫，脱硫剂选用CaO（石灰石），副产品为CaSO4（石膏）。湿法脱硫主要原理是：将CaO配成脱硫需要使用的吸收剂（氢氧化钙溶液），通过喷淋系统喷入吸收塔中（塔内布置了三层吸收剂喷淋装置），烟气中的硫化物与吸收剂接触后生成CaSO3，在氧化风机的作用下，大量的空气进入吸收塔中，使CaSO3氧化生成可被利用的CaSO4。当前采用CaO为脱硫剂的湿法脱硫装置还是比较多的，其优势主要体现在工艺非常成熟可靠、原材料价格低廉、副产品易于处理、适用工况较为宽泛、脱硫效率较高。天钢联合特钢烧结脱硫钙、硫比略大于1时，脱硫率可达95%以上。

2.3 湿法脱硫后烟气的消白

消白技术不完全针对白色烟羽的治理，主要应用目的是收水和节能，收集的冷凝水进行加碱等处理后，可重复利用。当前天钢联合特钢正常生产情况下，两条消白装置每天可回收950吨冷凝水供脱硫生产使用。

在标准大气压下，100%的水蒸气饱和烟气温度与含湿量关系关系曲线如图2所示。

图2 100%的水蒸气饱和烟气温度与含湿量关系

曲线的上方为水蒸气过饱和区，水蒸气将发生相变冷凝成液态，烟气排出烟囱后经历了O-A-B-C的过程，由于环境温度低于烟气温度，在这个过程中，烟气中的水蒸气冷凝为液态，产生白色烟羽[2]。

为了能够消除白色烟羽，需要提高排烟温度，烟气排出烟囱后必须经历O-D-F-C的过程才能实现。天钢联合特钢在烧结脱硫塔出口安装了氟塑料材质的冷凝器，换热量为10 MW，能够脱除烟气中80%以上的水分；烟气经过板式除雾器后到达再热器，再热器材质也采用氟塑料材质，换热量达到8 MW，可以将烟气温度升高至71℃以上，最终实现“消白”效果。消白工艺流程图如图3所示。

图3 消白工艺流程图

2.4 氮氧化物超低排放技术

2.4.1 源头治理措施

氮氧化物（NOx）会引起酸雨、光化学烟雾、温室效应、臭氧层破坏等自然灾害现象，对地球整个生态环境造成严重的影响，在氮氧化物减排技术中，源头治理显得非常关键。

源头治理就是希望通过改进燃烧过程，实现对煤燃烧过程中氮氧化物生成量的有效控制[3]。研究表明相同燃烧温度、氧含量与氮氧化物的生成成正比，不同燃料因为成分不尽相同，氮氧化物的生成量也会有很大的区别。

（1）天钢联合特钢在烧结生产中用焦粉替代洗精煤，氮氧化物生成量降低了20%以上。

（2）在脱硝系统中，对补燃设备进行了改造，将原有热风助燃改造成直燃，煤气燃烧温度由原来的1 000℃降低到720℃，并将助燃风由空气切换成烟气，降低氧含量，实现低氮燃烧。

2.4.2 SCR脱硝工艺

SCR脱硝工艺主要反应机理为，在反应器中布置好一定规格的催化剂，在一定烟气温度和催化剂的作用下NH3与烟气中的NOx反应生成对环境无污染的N2和H2O。反应原理图如图4所示。

图4 反应原理图

天钢联合特钢使用的催化剂为蜂窝式，2+1分层布局，所用还原剂NH3采用尿素水解制氨工艺生成，通过氨稀释风机稀释后注入反应器中。天钢联合特钢烧结烟气脱硝装置工艺流程如图5所示。

图5 天钢联合特钢烧结烟气脱硝装置工艺流程图

2.4.3 影响SCR脱硝稳定运行的因素

2018年脱硝系统建设时，国内钢铁行业脱硝装置投运率非常低，真正实施烧结烟气末端脱硝的烧结机不足总台数的2%[4]，烧结烟气脱硝成功案例可借鉴的相对较少。天钢联合特钢烧结烟气最终选择了SCR脱硝置前，湿法脱硫置后的工艺流程。脱硝设施投运后，催化剂堵塞成为了影响脱硝系统稳定运行的重要因素，连续生产运行周期只能维持在7～10天。

通过对催化剂堵塞物的取样化验，发现除硫酸氢氨外主要成分和机头除尘灰成分一致，经过数据对比分析最终确定了催化剂堵塞原因。烧结烟气中含有部分SO3，同时脱硝催化剂也能促进SO2向SO3的转换，其规律为温度越高转换率也越高，SCR烟气脱硝过程氨逃逸是难免的，最终导致硫酸氢氨的生成。硫酸氢氨具有很强的粘结性，能吸附烟气中的飞灰，由于粘性很强，吹灰器不能将其正常的清扫掉，而且烧结烟气的飞灰中含有多种碱金属，可引发催化剂中毒，导致催化剂活性降低、脱硝效率变差，最终飞灰堆积导致催化剂堵塞。

根据CaO+SO3→CaSO4的原理，天钢联合特钢发明了脱硝系统喷入脱硫剂粉末装置，脱硫剂（CaO）可以显著降低烟气中的SO3含量，从而防止NH3与SO3合成粘性物质。该成分的脱硫剂在解决催化剂堵塞的同时，未反应的脱硫剂可以用于后续湿法脱硫工序，生成的极少量的CaSO4在高温下处于干燥粉末状，吹灰器可以将其彻底清扫干净，最终解决了催化剂堵塞的问题。

3 结语

天钢联合特钢在烧结烟气超低排放设施运行过程中，积累了丰富的经验，改进了静电除尘器的高压电源频率，解决了SCR脱硝装置堵塞问题，提高了烧结烟气除尘、脱硫和脱硝设施的运行效率，消除了烧结尾气白色烟羽。目前天钢联合特钢烧结烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的含量可以稳定控制在10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3的超低排放限值范围内。随着国家环保排放标准的不断提高，烧结烟气超低排放技术必将获得更加广泛的推广和应用。