烧结烟气超低排放稳定运行的研究与实践

孙彦广，甄 众，邹宗来，李智勇，董云江，张 军

（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

0 引言

钢铁行业是我国大气污染治理和超低排放控制的重点领域，其中烧结工序烟气治理是钢铁企业实现超低排放的重点环节，烧结烟气中的NOx 是大气主要污染物之一。天钢联合特钢有限公司（下称联合特钢公司）两台230 m2烧结机脱硝工艺采用的是选择性催化还原脱硝（SCR）技术，该烟气脱硝技术优势为脱硝效率高、装置结构相对简单。但联合特钢公司烟气处理是先脱销再脱硫，因此在烟气遇到脱硝用催化剂时，可以将部分烟气中的SO2氧化生成SO3，SO3与脱硝过程中逃逸的NH3反应生成硫酸氢氨，硫酸氢氨具有粘性，吸附积灰后会对催化剂和回转再生式烟气换热器造成堵塞，除此以外，经过我们实际运行情况来看，还存在其他原因导致的堵塞。

因此，研究解决催化剂与GGH 堵塞的问题是实现烧结烟气NOx超低排放的重要技术措施。本文介绍了SCR 脱硝原理和设备工艺布置，分析了联合特钢公司烧结烟气治理系统催化剂和GGH 堵塞的原因，提出了工艺技术改进建议，并对改进效果进行了总结。

1 SCR 脱硝原理以及脱硝装置的工艺布置

1.1 SCR 反应原理

联合特钢公司烧结烟气治理的工艺路线为：经电除尘脱除颗粒物的烧结烟气通过主抽风机进入SCR 脱硝系统，脱除氮氧化物的烟气由增压风机送入湿法脱硫塔中进行脱硫，最终烟气经过消白处理后排出烟筒，实现烧结烟气超低排放。其中SCR 脱硝工艺选用NH3作为还原剂，在催化剂选择性催化还原的作用下，烟气中的NOx与NH3反应生成N2和H2O。 SCR 脱硝工艺反应原理图如图1 所示。

图1 SCR 脱硝工艺反应原理图

1.2 脱硝装置的工艺布置

联合特钢公司烧结烟气脱硝反应器内布置有两层催化剂，烟气由上向下流动，垂直通过催化剂。喷NH3格栅布置在烟气入口侧，与NH3混合后的烟气经过导流板和整流格栅后进入SCR 反应器内部进行催化还原反应。联合特钢公司脱硝装置布置如图2 所示。

图2 联合特钢公司脱硝装置布置图

2 SCR 堵塞问题原因分析

2.1 氨逃逸

联合特钢公司SCR 工艺采用的是蜂窝状催化剂，其载体为TiO2，活性成分由V2O5、WO3组成。但V2O5在提高脱硝效率的同时也促进了SO2生成SO3的反应，而SO3能和脱硝过程中逃逸的NH3反应生成硫酸氢氨[1]。硫酸氢氨具有粘性，能够吸附飞灰从而造成催化剂与GGH 堵塞。生成硫酸氢氨和硫酸铵的反应如下：

SCR 烟气脱硝过程氨逃逸是难免的，并且会随着运行时间的推移，氨逃逸会逐步升高，氨逃逸率同运行时间的关系如图3 所示。氨逃逸原因分析如下：

图3 氨逃逸率同运行时间的关系

（1）反应器注入氨流量分布不均匀。由于反应器相当于一个巨大的箱体，如果喷氨格栅设计与安装位置不合理，使注入氨流量分布不均匀，会造成不同位置单位体积下的氨气浓度差别较大，导致脱硝效率降低，使氨逃逸率升高.

（2）喷氨量的控制问题。控制好NH3和NOx的化学计量比至关重要，根据入口氮氧化物浓度的变化及时调整喷氨量，避免出现过量喷氨的情况。

2.2 催化剂温度

烧结烟气通过催化剂的温度和催化剂的活性密切相关[1]，催化剂最佳活性温度区间320 ℃～420℃。当烟气温度过低时，催化剂活性降低，从而降低NOx的脱出效率，在此温度下喷入的NH3还会与烟气中的SOx反应生成硫酸氢氨，硫酸氢氨容易吸附飞灰造成催化剂与GGH 堵塞；当烟气温度过高时，NH3会和O2反应，导致烟气中的NOx增加，从而抵消脱硝效果。因此，精准的烟气温度控制是脱硝稳定运行的关键。

2.3 催化剂吹灰系统问题

烧结烟气中含有大量的灰尘，经过机头电除尘过滤后尘浓度大幅降低，但长期运行后仍会堆积在催化剂表面，使NH3和NOx不能正常的在催化剂的作用下发生还原反应；随着时间的推移，烟气的阻力也会逐步增加，催化剂良好的吹灰效果是SCR 脱硝长期稳定运行的基本条件。烧结烟气的灰尘中包含多种碱金属，碱金属能化学性地吸附在活性催化剂的毛细孔表面并引起堵塞，其中Na 和K 是最主要的两类[2]。机头除尘灰主要成分如表1 所示。

表1 机头除尘灰成分 /%

通过表1 可以看出，烧结烟气中碱金属的比例是非常高的，尤其是K2O，已经达到了14.83%，所以及时清理催化剂表面的积灰十分重要。反应器每层催化剂配备5 台耙式吹灰器，每台耙式吹灰器分三组耙管，每根耙管喷嘴数19 个。耙式吹灰器布置如图4 所示。

图4 耙式吹灰器布置图

耙式吹灰器吹灰时按照先上层后下层，逐一进行吹灰的方式运行，通过耙式吹灰器布置图来看，催化剂可以全面的得到吹扫。但实际运行情况非常糟糕，吹灰效果并不理想，催化剂堵塞严重，未能达到理想的效果。催化剂积灰情况如图5 所示。

图5 催化剂积灰情况

3 SCR 堵塞问题改进措施

3.1 催化剂温度的精准控制

硫酸氢氨的形成是可逆的，将温度升高到316℃即可使硫酸氢氨升华[3]。烟气经过催化剂的温度区间也决定了脱硝效率与SO2/SO3转化率的高低，参考催化剂技术协议中相关的技术参数，我们选取320 ℃～330 ℃为催化剂温度的控制范围，在保证较高的脱硝效率和降低氨逃逸的同时，使SO2/SO3转化率处于低位，从根本上减少硫酸氢氨的生成。另外催化剂温度在320 ℃～330 ℃之间，可同时保证GGH净烟气热端温度在316 ℃以上，可以使生成的硫酸氢氨升华，在GGH 冷端形成的少量硫酸氢氨可以用吹灰器清除。SO2/SO3转化率同烟气温度的曲线如图6 所示，脱硝效率同烟气温度曲线如图7 所示。

图6 SO2/SO3 转化率同烟气温度的曲线

图7 脱硝效率同烟气温度曲线

3.2 催化剂吹灰系统的改进

（1）分析催化剂表面积灰情况，发现吹灰效果并不均匀，我们用压缩空气进行人工吹扫，积灰可以有效的得到清理。要想吹灰器达到理想的效果，需要调整吹灰器的工艺布置，经过现场调研和实验决定将耙式吹灰器的高度降低130 mm,使得喷嘴与催化剂表面距离缩短，并每根耙管喷嘴数量由原有的19 个增加至37 个，降低吹灰器喷嘴高度的同时增加了喷嘴的密度。

（2）由于耙式吹灰器气源为氮气，温度为常温，相对于脱硝催化剂320 ℃的温度来说非常低，吹灰的同时也给催化剂表面起到了降温的作用，催化剂表面温度过低不仅会降低脱硝效率而且会生成硫酸氢氨堵塞催化剂。经过反复设计，最终决定氮气气源管在反应器一层催化剂与二层催化剂之间进行盘管，利用反应器内的高温对氮气进行加热，使氮气温度上升，目前能达到120 ℃，减小低温对催化剂的影响，加强吹灰效果。

3.3 加强GGH 堵塞后的清理

我们采集了GGH 部分堵塞物样品，实验后发现其易溶于水。经调研论证，并结合之前行业上对GGH 在线清洗实施成功的方案，决定对GGH 的堵塞物实施水清洗方案，即采取高压水冲洗与低压水清洗相结合的方式进行GGH 的单侧清洗[4]。联合特钢公司利用烧结机3 天检修契机，在GGH 内部布置了冲洗水管路和喷嘴，利用冲洗水泵对GGH的堵塞物进行水洗，并通过手动盘车的方式完成整体的冲洗工作。开机后GGH 差压从之前的1600 pa 降低到500 pa，效果明显。GGH 冲洗喷嘴如图8所示。

图8 GGH 冲洗喷嘴

3.4 增加反应器内烟气流速

增压风机功率偏小也会在一定程度上影响烟气脱硝的稳定运行。烟气压力过低，会导致反应器内烟气流速变慢，飞灰更容易沉积在催化剂表面，导致吹灰器需要处理的尘量变大，而吹灰器是间断运行的，吹灰时加大的烟尘浓度给GGH 也造成了比较大的压力，同时不利于外排颗粒物的稳定控制。

3.5 降低烟气飞灰黏度

堵塞催化剂的积灰黏度高，甚至有板结在催化剂表面的情况发生。为了改善这一情况，经过详细的实验研究与论证，一种调质剂可以缓解堵塞催化剂积灰粘度高的问题，虽然调质剂会有让催化剂中毒的风险，但积灰粘度降低后会被吹灰器及时清理，因此调质剂对催化剂的影响可以忽略不计。我们向脱硝之前的原烟气中喷入适量的调质剂粉末，调质剂的投入效果十分明显，积灰黏度明显降低、质地如流沙，配合经过改进的吹灰器，催化剂在正常生产过程当中的清理效果明显改进。连续运行77天后催化剂状态如图9 所示。

图9 连续运行57 天后催化剂状态

4 结语

在SCR 脱硝工艺中，催化剂中的活性成分V2O5会促进烟气中SO2氧化成SO3，而氨逃逸是无法完全避免的。因此控制催化剂温度320 ℃～330 ℃之间可以使SO2/SO3转化率与脱硝效率取得平衡，可在脱硝的过程中最大限度的减少硫酸氢氨的生成。只要催化剂吹灰系统吹灰器定时吹扫，GGH 净烟气入口温度高于316 ℃，堵塞的可能性明显降低，GGH即使长时间运行堵塞后也可以用水洗的方法解决。

通过实施催化剂吹灰系统的改进、加强GGH堵塞后的清理、增加反应器内烟气流速、向烟气中加入调质剂等工艺改进措施，保障了SCR 脱硝系统的运行效果。目前联合特钢公司SCR 脱硝系统未再发生过因催化剂与GGH 堵塞造成的停机检修情况，有效解决了前置SCR 脱硝催化剂、GGH 堵塞的问题。