SNCR脱硝技术在球团生产中的应用实践

2022-04-07杨金保刘金英沈国良

矿业工程 2022年2期

乔俊杨金保刘金英沈国良

(北京首钢股份有限公司，河北迁安 064404)

0 引言

某公司现有两条链箅机-回转窑-环冷机工艺的球团生产线，其中1#生产线设计能力120万t/a，2#生产线设计能力200万t/a。两条生产线于2018年进行了全流程超低排放改造，其中1#生产线采用了“电除尘+密相半干法脱硫+中低温SCR脱硝技术”的环保工艺(如图1)，2#生产线采用了“电除尘+CSCR逆流式活性炭脱硫脱硝技术”的环保工艺(如图2)，外排颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放浓度设计限值分别为10、35、50 mg/m3。在实际生产过程中，虽然各项外排指标保证了合格，但是存在的问题也很多，尤其是对氮氧化物的指标控制比较困难。

图1 1#生产线烟气脱硫脱硝工艺流程图

图2 2#生产线CSCR活性炭脱硫脱硝工艺流程图

1#生产线SCR脱硝系统的氨水蒸发器、空氨混合器、烟气加热炉发生故障频次较高，而且随着催化剂逐渐老化失效，脱硝效率明显下降，氨水使用量由最初的100～200 kg/h升高至300～500 kg/h，外排烟气的氮氧化物浓度还是频繁出现瞬时超标的问题，经常被迫采取回转窑降温、球团降产等办法来控制外排指标数据，严重影响了球团生产的稳定。2#生产线的CSCR活性炭脱硫脱硝系统对于吸附模块喷氨的条件较为苛刻，要求出脱硫层烟气的SO2浓度不超过20 mg/m3，如果在SO2浓度较高时喷氨，NH3会优先和SO2反应生成硫酸氢氨，硫酸氢氨结晶后粘在活性炭上面(如图3)而影响其使用性能，实际上在CSCR活性炭脱硫脱硝系统建成投产后将近4个月的时间里都没有达到喷氨条件，要实现氮氧化物超低排放的难度很大。

为了满足球团生产稳定和环保达标排放的需要，在2019年下半年开始研究将SNCR脱硝技术应用到球团生产工艺中，采取综合脱硝措施对球团焙烧烟气的氮氧化物进行控制。

图3 发生粘连的活性炭

1 SNCR脱硝技术原理及其特点

SNCR脱硝技术即选择性非催化还原技术，在850～1 100℃的温度区间内，不需要催化剂，采用含氨基的还原剂将烟气中的氮氧化物还原脱除，反应生成氮气和水。其主要的反应方程式如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(1)

4NH3+2NO2+O2→6N2+6H2O

(2)

SNCR脱硝对反应温度的控制至关重要。温度低于900℃时，脱硝反应速度大幅降低，NH3的反应不完全，会造成氨逃逸；而温度过高(大于1 050℃)时，NH3会被O2氧化为NO，发生反应方程式(3)中的副反应，导致氮氧化物排放浓度增高[1]。

4NH3+ 5O2→4NO + 6H2O

(3)

SNCR技术是一种比较成熟、经济的烟气脱硝技术，其脱硝效率一般为50%以上，相对于其它的脱硝技术来说，具有工艺和设备简单、清洁不产生危废、一次性投资少、运行费用较低、建造周期短的优点。但是其适用的温度范围比较窄，需要有良好的混合及适宜的反应时间和空间。当要求的脱硝效率较高时，须增大NH3/NOx的摩尔比，会造成NH3的逃逸量增加。

2 实际生产应用情况

2.1 现场布置情况

根据SNCR脱硝技术的反应机理，其最佳反应温度区间为900～1 050℃，而在球团生产工艺当中，链箅机预热二段烟罩的温度为900～1 000℃，正是最佳的应用环境。使用喷枪将20%～25%浓度的氨水溶液从链箅机机头位置喷射进入内部的烟气中，氨水溶液和烟气充分混合并在链箅机内部的高温条件下分解产生NH3，NH3再与烟气中的NOx进行反应，将其还原生成N2和H2O，达到脱除NOx的目的。其工艺布置示意图和现场实物照片分别见图4和图5。

图4 SNCR脱硝系统在球团链箅机上的工艺布置示意图

图5 链箅机外部布置的氨水溶液喷枪照片

在现场的实际应用中，SNCR脱硝系统还包括有卸氨设施、氨水储存罐、氨水输送泵、各部管路、氨水流量控制设施、压缩空气供应设施、分配调节箱等设备。

2.2 生产使用情况

该公司两条球团生产线所使用的燃料有煤粉和焦炉煤气，生产过程中两种燃料混喷燃烧，改造以前的焙烧烟气氮氧化物浓度为200～300 mg/m3。由于1#生产线和2#生产线在链箅机之后的烟气脱硫脱硝工艺不一样，因此在链箅机SNCR脱硝设施投入以后的实际运行情况也有差异。

2.2.1 1#生产线的使用情况

1#生产线的链箅机SNCR脱硝设施于2020年5月份建成并开始使用，运行期间根据喷氨量的多少，脱硝效率最高可以达到50%以上，出链箅机后的焙烧烟气氮氧化物浓度能够降低至100 mg/m3以下，大幅减轻了后面SCR脱硝系统的指标控制难度。但是，由于喷入的氨水在链箅机中反应不完全，残余的氨在焙烧烟气中进入后面的工序，当烟气温度降低至150℃以下之后，NH3和烟气中的SO2发生以下反应：

NH3+H2O+SO2=NH4HSO3

(4)

生成的亚硫酸氢铵混合在烟气里面，在密相半干法脱硫系统中和脱硫剂(消石灰)不发生脱硫反应。烟气继续进入SCR脱硝系统后，通过GGH换热器和加热炉的升温加热，烟气温度上升至260～280℃，亚硫酸氢铵遇热分解并重新释放出SO2气体，最后经过烟囱外排进入大气中。

在上述的过程中，相当于间接造成了SO2的“逃逸”，会影响外排SO2指标的控制，严重时甚至直接导致外排SO2数值超标。因此，在1#球团生产线上，SNCR脱硝系统有利也有弊，它对于控制NOx的外排指标是有利的，但是对于控制SO2的外排指标却是有害的。

在实际的生产当中，需要统筹考虑好NOx和SO2两项指标的控制情况再对链箅机上的SNCR脱硝设施进行使用和调整。当外排NOx指标容易控制的时候，SNCR脱硝设施不运行，以SCR脱硝系统为主；当外排NOx指标控制困难的时候，则开启链箅机SNCR脱硝设施喷氨，同时结合外排SO2的数值情况，对喷氨量进行精细调整，尽量找到平衡点，满足NOx和SO2两项外排数值全部达标的需要；在必要的情况下，还可以采取减少球团原料中高硫铁精粉的配比或者其它减硫措施，降低SO2的整体控制难度，以便链箅机SNCR脱硝设施可以适当提高喷氨量，辅助对外排NOx指标的控制。

通过生产实践得出，链箅机SNCR脱硝系统在1#生产线中不适合作为脱硝的主要设施，多数情况下只是进行备用，但是它可以作为一种烟气脱硝的辅助设施，在必要时候提供有效的脱硝控制手段。

2.2.2 2#生产线的使用情况

2#生产线的链箅机SNCR脱硝设施于2019年10月份建成并开始使用，和1#生产线的脱硫脱硝工艺不同，2#生产线的CSCR活性炭脱硫脱硝系统利用活性炭吸附原理净化烟气，不需要对烟气再进行加热升温，活性炭对于NOx、SO2、NH3等物质都有比较好的吸附能力，吸附饱和后的活性炭还可以解析再生，对其性能不会造成影响，因此链箅机SNCR脱硝之后不会给烟气脱硫带来明显的负面作用。

在实际的生产当中，通过调整链箅机SNCR脱硝设施的喷氨量，NH3/NOx的摩尔比控制在1.5～2.0，出链箅机后的焙烧烟气氮氧化物浓度控制在50～100 mg/m3，脱硝效率保持在50%～70%。虽然会产生一定的氨逃逸，但是当烟气进入到CSCR活性炭脱硫脱硝系统后，活性炭能够将烟气中的NOx、SO2、NH3、NH4HSO3等物质吸附脱除，最终的净化烟气符合环保控制标准。

经过长时间的实践摸索之后，确定将链箅机SNCR脱硝系统作为2#生产线的主要脱硝设施。正常生产的情况下，烟气脱硝以链箅机SNCR为主，后面的CSCR活性炭脱硫脱硝系统只发挥吸附作用，不再喷氨进行化学还原反应脱硝；在升温开机、降温停机或者其他异常的情况下，链箅机烟罩温度满足不了SNCR脱硝反应必须的温度范围，CSCR活性炭脱硫脱硝系统再喷氨提高脱硝的能力，保证外排指标合格。通过这种生产运行模式，CSCR活性炭脱硫脱硝系统的脱硝作用大幅减少，净化其它污染物能力更强，原设计中每个吸附模块2 m厚的脱硫活性炭层和3 m厚的脱硝活性炭层可以全部用于脱硫，相当于整个系统理论上增加了大约1.5倍的脱硫能力。

生产实践证明，链箅机SNCR脱硝系统在2#生产线中既能够较好的脱硝，还非常有利于脱硫，可以作为整个生产线的主要脱硝设施长期使用。

3 应用效果分析

3.1 1#生产线的应用效果

2020年6月份至2020年12月份，1#生产线的链箅机SNCR脱硝系统作为辅助脱硝设施，在SCR系统发生故障或者其它外排NOx指标难以控制的时候投入运行，共计使用了37次，外排环保指标实现了100%合格，避免了为保证外排达标而造成的被迫停产或者球团工艺发生大幅波动，有效促进了生产的稳定顺行。经核算，2020年下半年通过SNCR脱硝系统减少生产故障，1#球团生产线避免了球团矿产量损失4.3万t，减少经济损失约92.8万元。

3.2 2#生产线的应用效果

2#生产线的链箅机SNCR脱硝系统从2019年10月份投入之后一直稳定运行，由于其工艺简单，设备也较少，运行2年多时间以来很少出现故障。使用链箅机SNCR脱硝设施前后的主要生产数据对比情况如表1。

表1 使用链箅机SNCR脱硝前后的主要生产数据

通过表1中的数据可以看出，2#生产线在运用了SNCR脱硝技术之后综合效益非常明显。球团矿平均日产量由7 156 t/d提高到了7 472 t/d，增产4.4%，主要是因为氮氧化物、二氧化硫这两项环保指标都得到了较好的控制，突破环保控制瓶颈后，2#生产线长期保持着满负荷生产；成品球团矿抗压强度基本持平，均超过了3 000 N/球以上；链箅机预热二段烟罩高温点温度下降了7 ℃，链箅机预热球抗压强度降低18 N/球，但能够满足球团工艺质量控制要求；球团矿综合燃料消耗由13.09 kgce/t降低至12.97 kgce/t，在链箅机内部喷入氨水之后，理论上球团生产的燃料消耗会有升高，但是由于球团矿产量大幅增加，能源利用效率得到提高，实际的综合燃料单耗反而下降了0.12 kgce/t；出链箅机烟气的氮氧化物浓度由219 mg/m3降低至78 mg/m3，SNCR系统的的综合脱硝效率为64.38%；大烟囱外排烟气的氮氧化物浓度由之前的39.15 mg/m3降低至19.54 mg/m3，降幅达到50.09%；氨水单耗增加了1.14 kg/t，氨逃逸浓度为1.9 mg/m3，符合环保标准要求；CSCR活性炭脱硫脱硝系统正常情况下不再喷氨，这对改善活性炭的性能非常有益，原来设计的3 m厚脱硝活性炭层作为脱硫使用，系统实际的最大脱硫能力由不到800 mg/m3增大到了1 500 mg/m3以上，增加约87%，在此基础上，球团原料中的高硫铁精粉配比由30%提高至53%，2020年共计消耗了高硫铁精粉61.8万吨，由于高硫铁精粉的性价比相对较高，实现增加效益2 898万元。