链箅机-回转窑球团烟气NOx控制技术与前置SCR脱硝工艺分析

赵利国

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

在钢铁工业中，球团矿是高炉炼铁与直接还原铁生产的重要含铁原料，具有品位高、强度高、冶金性能好等优点，用于高炉冶炼可降低炼铁燃料比、渣铁比，提高高炉产量，有利于高炉的节能减排。在我国大部分钢铁企业高炉炉料结构中，球团矿的配用比例多年来一直停留在低于20%的水平[1]，同欧美国家相比，高炉炉料结构中球团矿比例较低。在“碳达峰”背景下，粗钢冶炼提高球团矿的比例是碳排放减排的重要技术路径，高炉炉料对球团矿的需求比例将大幅增加。在国家推进钢铁行业绿色化改造以及双碳目标的约束下,球团矿的生产将在我国进一步发展。

目前，我国的生态文明建设已经进入了以降碳为重点战略方向，推动减污降碳协同增效，促进经济社会全面绿色转型发展，实现生态环境质量由量变到质变的关键时期。2019年4月，生态环境部等五部委联合发布了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(环大气[2019]35 号)，对推进实施钢铁行业超低排放提出了具体要求，其中明确球团烟气在基准含氧量18%条件下，颗粒物、SO2、NOx排放浓度分别不得超过10、35、50 mg/m3。国内新建球团项目均要求达到超低排放水平，2025年底前重点区域钢铁企业超低排放改造基本完成，全国力争80%以上产能完成改造。

世界上生产球团矿的工艺主要包括链箅机-回转窑工艺与带式焙烧机工艺，竖炉球团工艺由于技术比较落后，已逐渐被淘汰。我国球团生产以链箅机-回转窑工艺为主，其产量占球团总产量的60%以上[2]。在上述背景下，基于球团生产良好的发展势头以及球团生产企业减污降碳的迫切需求，针对链箅机-回转窑球团项目NOx的超低排放工艺路线，选择一种与球团生产工艺相契合，投资省、运行成本低、节能减碳的脱硝技术，对球团生产企业生命力和产品竞争力的提高具有重要意义。近年来无论是新建项目还是改造项目，前置选择性催化还原技术(SCR)工艺路线由于具备上述优点，已在多个项目上投入使用。本文主要对球团常用的NOx控制技术以及前置SCR脱硝工艺技术的特点和应用中应关注的问题进行分析。

1 球团烟气NOx的生成机理及排放规律

NOx的生成途径主要包括3种类型：1)燃料型，即燃料中含有的氮化合物在热分解后与氧反应生成NOx；2)热力型，即空气中氮气与氧气在高温条件下发生化合作用而生成NOx；3)瞬时反应型(快速型)，即燃料燃烧过程中，由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成NOx。研究表明，对于链箅机-回转窑球团工艺而言，当采用煤气作为燃料时，NOx的生成以热力型为主；当采用煤粉作为燃料时，NOx的生成以燃料型和热力型为主[2]。

球团烟气中氮氧化物主要以NO的形式存在，其余主要为NO2。NOx主要在燃料燃烧阶段以及高温反应阶段生成，结合链箅机-回转窑球团生产工艺特点，烟气中的NOx主要在回转窑(焙烧段)内生成，焙烧烟气进入链箅机预热Ⅱ段经除尘后通过回热风机返回链箅机抽干段，最后与链箅机预热Ⅰ段热废气一起经主抽风机外排。由于链箅机预热Ⅰ段热废气来自于环冷机二冷段热气流(～700 ℃)，链箅机鼓风干燥段废气来自环冷机三冷段热气流(～240 ℃)，而环冷机二冷段、三冷段热气流是冷却风机通过球团矿后产生的热风，理论上该部分热风中的NOx只是空气中的NOx，不会在通过环冷机后导致NOx的明显增加，因此，在保证链箅机预热Ⅱ段不向预热Ⅰ段串风的条件下，只需控制链箅机预热Ⅱ段热废气NOx的浓度达标，即可保证链箅机回转窑球团外排废气中NOx的达标排放，这也是链箅机-回转窑球团前置SCR脱硝工艺的理论基础。

2 球团烟气NOx的控制技术

球团烟气污染物的控制主要遵循“源头削减、过程控制、末端治理”的原则。

2.1 源头削减相关技术措施

对于球团烟气NOx的控制，源头削减层面主要是优化球团生产的原燃料结构，由于原燃料中的氮化合物是燃料型NOx的主要来源，因此采用低氮的原燃料可以从根本上控制NOx的生成。球团生产燃料为煤粉时，可选择含氮量低的煤粉；燃料为煤气时，焦炉煤气、高炉煤气等不同煤气中NOx的含量差别较大，可根据生产需要，选择合适的配比，降低煤气本身NOx的带入量；此外，尽量采用经净化处理，氨、氰化物、吡啶等化合物含量较低的煤气，减少燃烧过程中NOx的生成。

2.2 过程控制相关技术措施

过程控制层面主要包括低氮燃烧、低温焙烧等技术，通过改进燃烧设备或控制燃烧条件，以降低尾气中NOx的浓度。对于燃料为煤气的链箅机-回转窑球团生产，煤气燃烧器结构的不同，会造成煤气和空气流场分布的差异，可使燃烧过程中空气过剩系数下降，组织过浓燃烧，降低煤气周围氧气的浓度；在氧浓度较低情况下，添加煤气在火焰前峰和反应区中停留的时间，从而实现烟气中NOx浓度降低。研究表明，采用低NOx烧嘴技术，NOx的减排效果可以达到15%～40%[3]。低温焙烧技术主要是在满足球团矿产品技术指标的前提下，通过降低回转窑内的焙烧温度，减少燃料的使用量，从而减少热力型NOx的生成。具体措施包括优化配矿，配加添加剂等强化固结措施，提高生球强度和爆裂温度以改善生球性能，提高生球均匀度等。

2.3 末端治理相关技术措施

末端治理层面主要是采用适合的脱硝技术对球团烟气中的NOx进行脱除，使之还原为N2。链箅机-回转窑球团废气中含氧量一般为17%～19%，由于各厂原燃料、设备情况以及生产控制不同，废气中NOx的质量浓度在100～600 mg/m3不等，大多数球团厂在300 mg/m3以下。为了满足超低排放标准要求，必须采取末端治理相关技术措施对废气进行处理。当前阶段国内主要的球团烟气脱硝工艺包括：1)选择性非催化还原法(SNCR)；2)活性焦法；3)选择性催化还原法(SCR)。

1)选择性非催化还原法(SNCR)

SNCR是在无催化剂的作用下，在适合脱硝反应的“温度窗口”(一般为900～1 100 ℃)内喷入尿素或氨气等氨基还原剂，将NOx还原为无害的N2和H2O。对链箅机-回转窑球团而言，还原剂的喷射位置一般位于回转窑尾部动密封段的下游，根据链箅机机头空间的特性，选择合适的SNCR反应温度区间，确定喷射位置和关键的喷射设备，综合考虑相关因素，实现最贴合现场实际的SNCR脱硝系统。溶液喷射雾化系统是整个系统的关键部分，决定脱硝效率的高低，喷枪一般安装在链箅机预热Ⅱ段顶部烟罩上，并要保证喷入的还原剂能与烟气混合均匀。喷射系统应尽量考虑利用链箅机平台进行安装和维修。根据国内外的工程经验，SNCR技术的脱硝效率较低，一般在20%～40%之间，难以到达超低排放的标准要求，很少单独使用，一般与SCR工艺结合使用。

2)活性焦法

活性焦法是一种烟气多污染物协同处置净化技术，既能实现脱硫脱硝，又可以同时去除烟气中的颗粒物、重金属、二噁英类等污染物，目前已在钢铁行业烧结球团尤其是烧结等项目上广泛应用，可以满足超低排放标准要求。

活性焦法的脱硝原理主要是物理吸附与催化还原反应过程，物理吸附可以脱除约15%的NOx；活性焦还具有催化活性，向烟气中喷入NH3后，在活性焦的吸附、催化作用下，NH3与NOx(NO、NO2)发生选择性催化还原反应生成N2和H2O，该技术总体脱硝效率可达80%以上。由于活性焦法为多污染物协同处置技术，一般不单独用来做脱硝处理，在工艺的应用上要考虑入口二氧化硫的浓度要求，SO2初始浓度超过2 000 mg/Nm3时，需要增加吸附单元的数量，从而增加投资，因此对链箅机-回转窑球团而言，该工艺的选择需要综合考虑烟气条件。同时，该工艺系统复杂，运行操作要求高，占地面积较大，建设投资高，运行成本取决于活性焦的市场价格。

3)选择性催化还原法(SCR)

SCR是工业应用最为广泛的一种烟气脱硝技术，是目前控制NOx排放技术最成熟、最有效的方法。该方法是在一定温度和催化剂作用下，利用还原剂(NH3、尿素等)有选择性地将烟气中NOx还原为N2和H20的方法，理想状态下，可使NOx的脱除率达90%以上，且具有经济技术优势。根据实际应用中不同温度下催化剂的反应活性，脱硝催化剂分为3类：反应温度在345～595 ℃的高温分子筛型催化剂，反应温度260～425 ℃的中温催化剂，反应温度150～300 ℃的低温催化剂[4]。链箅机-回转窑球团烟气的排放温度一般在120～180 ℃之间，根据脱硝系统与脱硫系统前后位置不同，SCR脱硝又分为前置中高温SCR脱硝工艺(烟气免升温)、后置中低温SCR脱硝工艺(烟气需要升温)。采用将SCR系统后置于脱硫系统的净化工艺，由于烟气温度达不到SCR催化反应温度区间，因此需要设置烟气换热及补热装置，对于采用湿法脱硫+SCR脱硝净化工艺的球团项目，由于湿法脱硫后烟气温度～50 ℃，因此需要补热较多，增加投资运行成本及碳排放。前置SCR脱硝由于与链箅机-回转窑生产工艺本身较契合，不需要对烟气补热，具有一定的应用前景。

3 链箅机-回转窑球团前置SCR烟气脱硝技术

3.1 技术特点

链箅机-回转窑球团前置SCR烟气脱硝技术是针对链箅机-回转窑球团生产工艺特点，将SCR脱硝反应装置与球团生产工艺相结合，使脱硝装置嵌入到常规链箅机-回转窑球团工艺的多管除尘器与回热风机之间。根据前述球团NOx的生成机理及排放规律分析，链箅机-回转窑外排烟气中的NOx主要来自回转窑内，窑尾约900～1 050℃的热气流在链箅机预热Ⅱ段对球团进行氧化、分解和加热后，通过底部风箱汇集，进入多管除尘系统，此时烟气温度可以达到350～450 ℃，在保证链箅机预热Ⅱ段不向预热Ⅰ段串风的条件下，将预热Ⅱ段风箱汇集的热废气中NOx脱除达标，即可保证球团外排烟气NOx达标。由于该部分烟气的温度刚好与中高温脱硝催化剂的使用温度窗口相吻合，因此无需对烟气进行升温，高温烟气首先通过多管除尘器净化后，进入SCR反应器，在反应器入口烟道内喷入NH3，使烟气中的NOx在催化剂的作用下与NH3发生催化还原反应，脱硝后的烟气，通过高温循环风机升压，进入链箅机干燥段烘干生球。嵌入SCR装置后，反应前后烟气温度降低很少，不会对球团生产造成影响。

该工艺主要优点：

1)处理的烟气量仅为链箅机预热Ⅱ段风箱烟气，约占球团排放总烟气量的60%，降低了脱硝装置的投资成本和运行费用。

2)同后置SCR脱硝相比，无需增加GGH、加热炉等换热补热设施，可减少投资和运行成本，同时可减少补热燃料燃烧产生的碳排放。尤其是对于独立球团企业，一般无法提供便宜的高炉煤气等燃料，从根本上解决了工艺选择的技术难题，并降低了运行费用。

3)脱硝装置可作为一个设备嵌入到球团生产工艺中，可与球团工艺布置综合考虑，节约占地面积，减少投资。

3.2 技术应用中应关注的问题

1)由于只对链箅机预热Ⅱ段风箱的烟气进行了处理，因此必须要。从球团工艺角度采取相关措施，尽量保证预热Ⅱ段的烟气不向预热Ⅰ段串风，进而保证球团烟气中NOx的去除效率。对于新建项目，球团工艺设计要从整体上进行统筹考虑，防止串风的措施主要如下：

①降低链箅机预热Ⅱ段与预热Ⅰ段隔墙高度，将隔墙降低至料面附近，减少通过隔墙串风；

②链箅机预热Ⅰ段靠近预热Ⅱ段隔墙第一个风箱设计成小风箱，并将该风箱烟气也并入到回热风机，可以收集通过隔墙串到预热Ⅰ段的含氮氧化物的烟气；

③工艺操作上，在满足工艺温度等参数前提下，控制预热Ⅱ段上罩负压微低于预热Ⅰ段上罩负压，可以让预热Ⅰ段上罩废气通过隔墙进入到预热Ⅱ段上罩，不会出现反串风。

对于现有球团项目，在脱硝设计前要检测工艺装置的漏风率，并衡量通过采取相应措施可否实现不串风，避免由于串风导致NOx未经处理而超标。

2)预热Ⅱ段烟气温度的精准控制对催化剂反应温度、脱硝效率的影响较大。因此，需要从球团工艺热风平衡角度与前置SCR脱硝工艺进行契合。

3)要选择合适的催化剂，防止催化剂堵塞和中毒。

4)将SNCR与前置SCR工艺结合使用，可以提高NOx的去除效果。

4 结语

在减污降碳的当前背景下，对链箅机-回转窑球团烟气NOx的控制，要从源头削减、过程控制、末端治理多方面入手。在末端治理工艺技术的选择上，前置SCR脱硝工艺由于投资运行成本低，节能降碳，占地小，处理效率高等诸多优点推荐优先考虑，但在使用过程中要采取切实可行的防串风措施，并建议与SNCR脱硝工艺相结合使用，最终实现链箅机-回转窑球团外排烟气中NOx满足超低排放标准要求。