钢铁行业燃气锅炉烟气脱硫脱硝除尘技术对比分析

丁泽坤， 杜佳棋， 吕亮， 章洲， 史树锋

（1.杭州天明环保工程有限公司，杭州 310018；2.宁波兴业盛泰集团有限公司，浙江 宁波 315336；3.宁波爱嘉环境科技有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

生态环境部等5部委联合印发的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》指出，推进实施钢铁行业超低排放是推动行业高质量发展、促进产业转型升级、助力打赢蓝天保卫战的重要举措。钢铁行业在我国的工业发展中扮演着重要的角色，也是我国大气污染的主要来源之一，推动钢铁行业加速向低碳转型符合当前形势，有着重要意义。

随着河北省地方标准《锅炉大气污染物排放标准》（DB13/5161—2020）的发布，规定自2021年6月1日起，钢铁行业燃气锅炉的大气污染物排放限值为：NOx的排放限值为50 mg/m3，SO2的排放限值为10 mg/m3，颗粒物的排放限值为5 mg/m3[1]，而《锅炉大气污染物排放标准》（DB13/5161—2021）公开文件对排放要求有了进一步的提升。

钢铁行业燃气锅炉烟气实现全面超低排放的计划迫在眉睫，目前国内脱硫脱硝除尘技术相对较多，但由于原烟气符合老排放标准，可以直接排放，所以燃煤锅炉烟气脱硫脱硝除尘并无先例，没有任何可以参考的案例，如何选择一种适合的技术路线，是目前钢铁行业普遍面临的难题。

1 燃煤锅炉超低改造现状

1）烟气条件。燃气锅炉的燃料为高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气，其将前端设备给予的煤气予以燃烧，然后将燃烧后的烟气进行排放。锅炉燃烧后的烟气特性则与煤气中的成分息息相关，而煤气的成分又与矿石有关。根据钢厂正常生产的情况，钢厂选取矿石的主要考虑因素是成本，所以矿石的种类不是一成不变的，这就导致锅炉燃烧后的烟气成分发生变化，烟气特性随之改变，故对脱硫脱硝除尘技术的适应性是一种考验。根据钢厂一段时间内的烟气排放数据及运行记录可知，在正常情况下，锅炉的燃料为高炉煤气，烟气的NOx、SO2、粉尘数值不高并且很稳定，但是在高炉进行检修或者是有转炉、焦炉煤气时，烟气中的污染物浓度会大大升高，能达到正常值的2～3倍，这就给全工况超低排放造成了很大的困难。

2）场地条件。由于原烟气直接排放，所以燃气锅炉区域的设备布置比较紧凑，锅炉房后就是引风机房，随即进入烟囱进行排放。由于业主当时未考虑增添环保设备，所以厂区内未预留安装环保设备的空间，现场可利用的场地只有厂房、烟道上空、道路、绿化带等区域，这对环保设备的占地面积和体积无疑是一种挑战。

3）烟囱条件。燃气锅炉排放烟气的烟温为140 ℃左右，烟气中的含水量约为3%，烟气腐蚀性小，所以钢厂未对烟囱进行防腐处理。

4）施工条件。近年来，钢材的生产效益越来越好，钢厂一直处于高产状态，而燃气锅炉为副产物煤气的消耗设备，也一直处于工作状态，所以对新建环保设备工程而言，可以停炉施工的时间非常短，这不仅增加了施工难度，而且很多环保技术不能满足如此苛刻的条件。

2 脱硫脱硝除尘技术简介

根据钢厂燃气锅炉的现场情况，目前有以下几种技术路线可供选择：SCR脱硝技术+半干法脱硫+布袋除尘技术，SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿电除尘技术，脉冲等离子体脱硫脱硝除尘一体化技术。

SCR脱硝技术+半干法脱硫+布袋除尘技术路线为：燃烧后的烟气先经过换热器，到200 ℃左右后进入SCR进行脱硝，再进入半干法脱硫塔进行脱硫反应，然后反应产物与烟气中的原粉尘颗粒物在布袋除尘器中被收集。

SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿电除尘技术路线为：燃烧后的烟气先经过换热器，到200 ℃左右后进入SCR进行脱硝，再进入湿法脱硫塔进行脱硫反应，最后进入湿式电除尘器脱除颗粒物。但由于经过湿法脱硫后，烟气会变成饱和湿烟气，所以需要对烟囱进行防腐或者是对烟气进行再热。

脉冲等离子体脱硫脱硝除尘一体化技术路线为：燃烧后的烟气经过换热器换热至80 ℃左右，进入脉冲等离子体反应装置进行脱硫、脱硝、除尘的一体化脱除反应，由于需要通过间断喷淋的方式将收集的污染物排出设备，所以烟气会有10 ℃左右的温降，70 ℃左右的烟气仍高于烟气的露点温度20 ℃以上，不会对烟囱造成腐蚀。

1）SCR脱硝技术。SCR即为选择性催化还原技术，是目前最为成熟的脱硝技术，其原理为：在催化剂作用下，向一定温度的烟气中喷入氨或尿素，将NOx还原成N2和H2O。

主要反应式为：

SCR是国际上应用最为广泛的技术，它的反应产物为N2和H2O，不会构成二次污染，而且净化效率高，脱硝效率可以高达90%以上；不足的是催化剂容易中毒和失效，脱硝效率会随着使用时间的增加而逐渐降低，需要定期进行更换，以保证其性能。

2）半干法脱硫技术。半干法脱硫原理为：往塔内喷入石灰浆液，利用烟气热量来蒸发浆液中的水分，在干燥脱硫剂的过程中，与烟气中的SO2发生反应，生成干粉状的产物。目前脱硫塔的设计主要采用循环流化床的机理，让石灰浆液在烟气作用下悬浮在塔内，反复循环，从而与烟气中的SO2充分接触、吸收。在合适的Ga/S下，脱硫效率可以达到90%以上[2]，较湿法脱硫略低，但其脱硫剂利用率高，反应迅速，烟气处理时间长，处理后的烟气温度在70～80 ℃左右，不会造成烟囱腐蚀。

3）湿法脱硫技术。湿法脱硫采用液体吸收剂对烟气进行洗涤，是应用最广泛、技术最成熟的技术，目前湿法脱硫大多采用石膏法。通常，湿法脱硫的液气比为5～14 L/m3，液气比越大，脱硫效率越高，其脱硫效率可高达95%。由于采用喷淋液体的方式，并且液气比相对较大，则烟气在经过湿法脱硫塔时，吸收液对烟气的降温作用比较明显，塔出口烟温在50 ℃左右，烟气中含水量也会大大增加，成为饱和湿烟气，对烟囱具有腐蚀性。

4）布袋除尘技术。袋式除尘器是一种高效除尘设备，具有除尘效率高、运行稳定、操作维护简单等优点，广泛应用于钢铁、有色冶金、建材、化工、食品等行业，在国外也广泛应用于电厂燃煤锅炉烟气的净化。但其占地面积大，设备运行阻力较大，滤袋受到烟气的磨损，需要定期进行更换，运行维护成本高；由于滤料的耐温性能，使其使用条件受到一定限制，并且对烟气中的氧、氮氧化物等成分有严格的要求。

5）湿电除尘技术。湿式电除尘器是环保设备的终端处理设备，利用静电力将气体中粉尘分离，在高电场强度的作用下，电晕极周围小范围内气体电离，产生大量自由电子及正离子，当含尘气体通过存在大量负离子及电子的空间时，负离子及电子会附着在粉尘上，在电场力作用下，荷电粉尘向其极性反方向运动，在负电晕电场中，大量荷负电粉尘移向接地的集尘极，最终吸附在收尘极上，采用喷水的方式，将收集的粉尘带出设备，完成烟气净化的过程。湿式电除尘器没有二次扬尘，具有很高的除尘效率，用水来代替振打清灰，设备的可靠性大大提升，但由于采用连续喷水的方式清灰，且烟气湿度较大，需要有良好防腐措施。

6）脉冲放电等离子体脱硫脱硝除尘一体化技术。脉冲放电等离子体烟气一体化净化技术是以气体高压放电为基础，激发烟气中的H2O、O2等分子，生成OH*、H*和水合分子等活性自由基[3]，这些自由基与烟气中的SO2、NO等污染物结合，生成相应的H2SO4、HNO3等雾滴，与粉尘颗粒一样，在静电场的作用下荷电并被收集，具体反应机理如下：脉冲放电等离子体烟气一体化净化技术可以同时脱除多种污染物，无二次污染，空间占用小，可以有效地避免出现“白烟”现象，但其适合中低浓度烟气治理，如果在高浓度烟气条件下使用，经济性很差。

3 脱硫脱硝除尘技术路线对比分析

从上述技术简要介绍可知，SCR脱硝技术+半干法脱硫+布袋除尘技术、SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿电除尘技术、脉冲等离子体脱硫脱硝除尘一体化技术等3种技术路线都能实现钢厂燃气锅炉超低排放的功能，但三者在占地面积、投资成本及运行维护费用上存在一定的差异。

如表1所示，SCR脱硝技术+半干法脱硫+布袋除尘技术路线和SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿电除尘技术路线的占地面积为脉冲放电等离子体烟气一体化净化技术路线设备的6倍，运行费用为其10倍左右，三者的投资成本比较接近。

表1 技术路线对比表

从三者的反应温度看，脉冲放电等离子体烟气一体化净化技术的反应温度为80 ℃左右，而SCR脱硝技术+半干法脱硫+布袋除尘技术和SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿电除尘技术的反应温度都在200 ℃左右，这对烟气热量也是一种浪费。

4 结论

综上所述，从成本上考虑，脉冲放电等离子体烟气一体化净化技术路线明显优于另外两种技术路线，占地面积也要小得多，并且脉冲放电等离子体烟气一体化净化设备可以架空布置，放置在烟道、房屋、马路等设施的上空，不会占用地面空间，也不会影响其他设施设备的正常工作，整体改造工程量要小得多。

脉冲放电等离子体烟气一体化净化技术设备可完成多种污染物的脱除，设备比较简单，设备数量少，附属系统也少；设备操作简单，故障率低，运行维护人员上手快，人员需求少，大大减小了设备的运行维护工作量。

钢铁行业燃气锅炉烟气的脱硫脱硝除尘技术处于起步和探索阶段，需要结合燃气锅炉烟气的特点，不断创新和改进脱硫脱硝除尘技术，集各家之所长，在保证性能的同时降低投资和运行成本，同时减少对环境的二次污染，促进钢铁行业健康快速地发展。