基于CSCR+SNCR烟气净化技术的链-回-环氧化球团热工优化

高培程，刘金英，韩英广，刘长江，乔 俊

(北京首钢股份有限公司，河北 迁安 064400)

0 引言

随着环保形式的日趋严峻，京津冀地区尤其唐山域内执行的超低排放标准[1]，进一步提高了链-回-环产线对氮氧化物、粉尘、二氧化硫以及系统内含氧量的控制要求。错流式活性炭脱硫脱硝工艺2008年首次应用在太钢以来[2]，河钢邯钢、首钢股份迁安基地等单位陆续投产了逆流式活性炭选择催化还原工艺(CSCR)。由于该工艺在运转过程中不可避免的出现酸结露及氨结晶板结[3]，吸附塔易出现活性炭局部高温自燃、颗粒物排放控制困难、内部腐蚀等故障，同时由于活性炭对烟气入口温度的要求及硫吸附过程的蓄热影响[4]，兑冷风调整使系统内氧含量增加，加剧了外排指标的控制难度，最终使产线热工参数受到影响，随之也带来回转窑结瘤、产品质量下降的问题。王飞等人[5]通过减少未烘干含水生球与富含SO2组分的烟气接触，缓解了CSCR装置内部板结的问题；胡兵[6]等人通过对焦炉煤气净化过程、回转窑燃烧器过程控制的研究，提出了通过降低燃烧温度、优化配矿，实现氮氧化物控制的思路。针对CSCR技术在氧化球团工艺操作及应用的问题，分析了适配活性炭烟气净化技术的链-回-环热工状态参数，为CSCR工艺在球团行业长周期稳定运行提供了实践参考。

1 CSCR及SNCR工艺特点

1.1 逆流式活性炭选择性催化还原脱硫脱硝工艺

逆流式活性炭选择性催化还原脱硫脱硝工艺(CSCR)主要包括吸附塔、炭循环供应系统、解析塔、制酸系统，其中又以吸附塔内炭循环及其透气性对吸附和催化过程的烟气净化影响最为显著。逆流式活性炭烟气净化工艺采用两级模块分布(见图1)，在一级模块中优先通过物理、化学吸附过程降低SO2浓度，降低其对NOx在活性炭表面吸附作用的抑制效果[7]，同时通过低温Non-SCR反应催化部分氮氧化物生成氮气，并在一级模块出口添加还原剂(氨水)。当一级模块出口SO2含量超过20 mg/Nm3时，生成硫酸氢铵结晶的过程加剧[8]，造成活性炭板结，表面反应能力下降，并最终影响活性炭在吸附塔内的循环。

图1 逆流式活性炭吸附塔模块示意图

1.2 选择性非催化还原工艺

选择性非催化还原法(SNCR)烟气脱硝技术是利用链箅机850～1 150 ℃温度范围内、无催化剂作用下，氨基还原剂(NH3)选择性地还原烟气中的NOx的脱硝反应过程[9]，SNCR具有一定的优越性。在链-回-环产线应用SNCR工艺通常布置于链箅机预热二段，主要的优势：不需新增补热装置、不需考虑系统内气密性；但增加SNCR脱硝后，由于其对温度反应窗口的敏感性高的特点，显著影响了热量在链箅机烟罩及风箱的温度分配制度，原有工艺参数需要进一步优化。

2 问题分析及应对

2.1 含氧量对外排指标的影响

2.1.1 系统含氧量折算

球团产线的冷风来源主要有环冷鼓风机鼓入、主枪助燃风机鼓入、电场除尘前兑冷风、脱硫脱硝前兑冷风、系统漏风等，在超低排放要求下，探索适宜的助燃风量对系统内含氧量和外排指标具有积极意义。

按照环办大气函[2019]922号、迁环发[2022]4号文件对球团产线系统内含氧量及外排指标折算的规定，可计算球团产线(含氧折算基准18%)系统含氧量每升高0.1%，氮氧化物外排指标上限下降1.0 mg/Nm3，二氧化硫外排指标下降0.67 mg/Nm3，粉尘外排指标下降0.16 mg/Nm3。因此，氧含量波动一方面能够反应出热线系统漏风率，另一方面也将体现空气过剩系数是否合理。

2.1.2 燃料结构

基于热力型NOx的产生机理，回转窑主燃烧器燃料结构采用焦炉煤气+煤粉模式，在实际生产中通过调整燃料结构实现对NOx生成量控制。燃料结构对NOx指标的影响见表1。NOx含量升高时，稳定西1#烟罩温度的前提下，可采取降低焦炉煤气用量，适当提升煤粉压力的措施，达到降低含氧量、降低NOx产生的目的。

表1 燃料结构与系统含氧量关系

2.1.3 环冷鼓风机开度

以某年产200万t氧化球团产线为例，三台环冷鼓风机风量总和为63万m3/h，占系统总风量约90%，其中环冷机1#风机鼓入的部分氧可进一步被环冷机上焙烧球的二次氧化吸收，对产线含氧量变化影响相对较小；3#风机鼓入的氧被消耗最少，对系统内的含氧量影响也最大。基于以上分析，在CSCR+SNCR作为烟气净化的产线中，单纯依靠环冷机鼓风机开度调整链箅机热量分布的控制策略不再适用。环冷机向回转窑及链箅机的蓄热及热分配作用需要同时考虑风量及风温，在出现环冷机料层厚、透气性差的工况时，应提升环冷机转速、降低布料厚度、差异化调整三台环冷鼓风机开度，在满足氧化、传热前提下降低兑入冷风量，实现超低排放标准下的稳定生产。

2.2 CSCR对主线运行的影响

2.2.1 电场除尘器入口温度

CSCR吸附塔对温度的要求与电场温度影响协同，对链箅机布料的精度提出更高要求。电场除尘器及CSCR吸附塔布置见图2。为应对电场除尘器温度要求(测温点1<150 ℃)通常增加链箅机料厚、提高链箅机机速等；电场出口(测温点2)温度监测作为预先调整CSCR吸附塔兑冷风阀开度，稳定进入吸附模块运行(≤160 ℃)及适应含氧量变化的判定依据，适时采取调整喷氨量、调整增压风机转速等措施。CSCR脱硫脱硝系统的投用向链箅机布料均匀性提升、机速稳定性提升提出了更加严苛的要求，稳定控制电场除尘入口温度(测温点1)难度不断增加。

图2 电场除尘器及CSCR吸附塔布置示意图

2.2.2 粉尘排放控制

由于活性炭的CSCR对粉尘的捕集主要依靠物理沉降和静电吸附且未设置环保除尘设备(布袋除尘器)，在出现活性炭减粒、模块压差突变、增压风机调速幅度过大等影响炭循环的故障或操作时将引起外排粉尘的高值，严重时在排口形成可见烟羽。目前，通常采用调整炭循环量、降低增压风机转速、停炭循环等限制吸附过程的被动方法，不利于产能的发挥。

2.3 SNCR对主线的影响

2.3.1 SNCR对链箅机温度的影响

链箅机预热二段反应温度对SNCR工艺的控制至关重要。温度低于900 ℃时，脱硝反应速度大幅降低，NH3反应不完全，将造成氨逃逸；而温度过高(大于1 050 ℃)时，NH3会被O2氧化为NO，导致氮氧化物排放浓度增高。位于西1#烟罩的机头喷氨反应装置热量来源主要有窑尾热风、预热二段辐射热，实测西1#烟罩温度超过970 ℃时NOx生成量(CSCR入口浓度)显著上升，超过80 mg/Nm3，最终外排浓度达到27 mg/Nm3(含氧量18.3%)以上。系统温度与氮氧化物浓度变化趋势见图3。回转窑料温对NOx的生产量影响最大，在西1#烟罩温度945 ℃、回转窑料温1 150 ℃时，NOx生成量相对稳定的上涨至42 mg/Nm3，西1#烟罩温度超过950 ℃、回转窑料温超过1 150 ℃时，NOx生成量快速增长。这一趋势也证明了热力型NOx在链-回-环产线中占比较大[10]。SNCR的投用提高了对链箅机布料的均一性和料层透气性要求，主线操作必须实时基于链箅机布料厚度对烟罩温度、窑头料温进行调整，适应逐渐压缩的操作窗口。

图3 风系统关键温度与NOx排放浓度关系

2.3.2 SNCR对启停机的影响

SNCR反应对温度的要求限制了产线启停时烟气净化的操作方法。产线异常停机时通常立即降低燃料输入、降低增压风机及耐热风机转速等首要措施，当窑尾温度低于850 ℃时SNCR脱硝效率下降，此时主要依靠CSCR模块喷氨实现NOx的控制；产线开机时，造球盘布料、电场温度拉升、链箅机机速匹配均需要考虑，随着系统温度升高，优先开启CSCR模块喷氨，稳定外排指标，窑尾温度高于850 ℃时开始投用SNCR。

2.4 料厚对链箅机温度的影响

链箅机布料要求各个方向上厚度的均匀性，一般要求厚度差小于30 mm[11]，以达到风量、风温的合理分布。以某年产200万t链-回-环氧化球团产线链箅机风箱布置为例，湿球预热热量来源先后为环冷三段、预热二段、环冷二段、窑尾热风(见图4)，在输入热量稳定的前提下，由于布料器(梭式或摆头式)存在布料机械偏差，大辊筛两侧薄料层等原因，进一步导致了链箅机同长度位置上双侧烟道温度的分布差异。链箅机布料厚度一方面反映了造球过程的稳定性，影响链箅机在各向的均一性；另一方面，决定了单位时间内湿球干燥、传热总量，进一步影响了电场除尘器出口温度、CSCR入口对冷风阀门开度，并最终影响了CSCR系统内含氧量与外排指标。

图4 典型链-回-环烟气循环布置示意图

3 实践效果

3.1 链箅机温度及风机负荷

选取预热二段(西1#烟罩及风箱)、预热一段(东8#烟罩及风箱)、抽干段(西13#烟罩及风箱)、鼓干段(东17#风箱)等关键点位，对2019年9月(CSCR单独运行)、2019年10月(CSCR+SNCR模式)、2020年10月(同期环境温度)、2022年9月(同期环境温度)等关键时间节点的系统温度变化情况进行分析。由图5可知，在CSCR投产后，由于SNCR投用调试期系统最佳温度和氨/氮比控制的不确定性，西1#风箱温度呈现先上升再下降的过程，西1#烟罩温度最大降低28 ℃，随着对SNCR运行的探索，预热一段、干燥段温度的逐步提升，西1烟罩温度逐步上升至2022年9月份的937.5 ℃，并制定了940～955 ℃的控制标准，稳定预热过程的热量供应，为焙烧段再结晶过程创造条件。文献表明[12]，低于1 240 ℃的条件下进行焙烧，氧化球团微观结构主要为单点状的初晶，强度较差。此外，东8#烟罩的温度出现了异常下降，主要原因是局部耐材喷涂导致的测温电偶失准，不参与分析。

图5 链箅机关键点位温度及环冷鼓风机电流变化

进一步的，西13#烟罩温度下降14 ℃，西13#风箱上升6 ℃，抽干段热量利用效率提升；东17#风箱温度升高8 ℃，鼓干段干燥效果得到优化。适用于链-回-环产线的CSCR+SNCR烟气净化装设备要求进一步将风热向链箅机尾段分布，降低预热二段的热量富积，稳定SNCR反应的效率。

由图5，基于上文关键技术改造节点热工参数，为控制系统空气过剩系数，3台鼓风机负荷(电流)下调，其中又以1#鼓风机降低最为显著，降幅最高达到8.91 A，2021年7月份对1#鼓风机进行增容、SNCR投用后，负荷有所提升但仍较CSCR单独运行时下降6.4 A(11.1%)。此外，2#、3#鼓风机负荷均呈现不同程度的下降，2#鼓风机电流下调达10.8%，3#鼓风机电流下调达12.5%。1#鼓风机的负荷下降显著缩小了焙烧球在台车上均热过程的冷却梯度，实现“慢冷”的操作，这一过程促进了球团内部互联晶、再结晶发育条件提升，可推断低还原性的铁橄榄石等硅酸盐玻璃质减少。

3.2 喷氨结构优化

喷氨结构与外排指标变化见表2。2019年9月吸附塔模块平均喷氨量相对较低，仅168 kg/h。这主要是由于CSCR投产初期喷氨层分配气室透气性良好，间隙未出现堵塞(40 mm)[2]，氨水与烟气的混合效率较高的结果。随着CSCR的运行，至2020年10月单独对吸附塔模块喷氨进行的脱硝效率逐渐下降，氨水单耗逐步增加到2.59 kg/t，增幅达84.5%。同时现场已开始结合倒修对模块喷氨层进行清理和疏通，以稳定与主线流程的100%同步；2020年逐步开展对SNCR投入后烟气净化过程还原剂分布结构的优化探索：降低模块喷氨，增加链箅机机头喷氨量，缓解喷氨层板结堵塞分配气室的核心问题。

表2 喷氨结构与外排指标变化表

2021年随着低氮燃烧器的使用，探索出了西1烟罩940～955 ℃，窑头料温1 120～1 150 ℃的低温焙烧操作制度，喷氨量下降至350 kg/h(20%氨水)。目前产线氨水单耗1.6 kg/t，较CSCR+SNCR投产初期降低0.99 kg/t。CSCR+SNCR的烟气净化模式将脱硝过程由单级改变为多级，提高了NOx外排指标在正常运行及开停机过程中的应对控制能力。

3.3 CSCR粉尘深度治理

CSCR吸附塔对粉尘的吸附可等效为颗粒层过滤器，其中烟气中1 μm以上的粉尘主要通过碰撞、沉降实现捕集，1 μm以下的粉尘主要通过扩散作用发生吸附，并在活性炭的筛分循环过程中通过工艺除尘排出系统。为应对以上问题，在CSCR吸附塔出口增设了尾段布袋除尘(防爆)装置，同时新增引风机，实现粉尘的再次减排。由于除尘器前压力(约-4.7 kPa)与现有CSCR出口压力(-0.5 kPa)相差较大，在设计阶段通过对叶轮风量、风压等参数的选型，稳定了增压风机、主引风机运行，避免出现烟道喘振。

3.4 指标提升与效益

由表3，CSCR+SNCR模式的投入，日产量较CSCR单独运行时提高316 t，折算效益约29.6万元/d。由于CSCR吸附塔模块的喷氨停用，活性炭床层脱硫能力由800 mg/Nm3提升为1 500 mg/Nm3，并稳定实现了高硫低价矿粉配吃比例由30%提升至40%的降本措施，球团矿品位提高0.26%，高炉燃料比实际下降约0.27%(1.32 kg/t)。

表3 关键指标提升

4 结语

1)CSCR+SNCR烟气治理模式在链-回-环的应用，要求链箅机1#烟罩温度范围在940～955℃、电场除尘器入口温度控制在130～135℃，采取将热量向链箅机后部风箱控制，加强干燥、预热过程的措施。此外，喷氨结构应以SNCR为主，CSCR吸附塔模块喷氨为辅。

2)SNCR脱硝装置对链箅机温度有降低的影响趋势，通过对三台环冷鼓风机电流分别降低11.1%、10.8%、12.5%，减少了冷风的兑入，同时控制西13#烟罩温度下降14℃，西13#风箱上升6℃，实现了抽干段热量利用效率进一步提升；东17#风箱温度升高8℃，鼓干段干燥效果得到了优化。

3)通过对CSCR+SNCR烟气净化系统与主流程工艺参数的探索，克服了CSCR烟气脱硝氨水利用率低、SNCR反应温度制约产能释放的缺点，实现了产量提升316 t/d、氨水单耗降低0.99 kg/t的目标。

4)链箅机布料稳定性直接影响电场除尘器出口温度及CSCR入口对冷风阀门开度，并最终影响了CSCR系统内含氧量与外排指标，推动造球过程的稳定性及自动化有利于适应当前CSCR+SNCR烟气净化流程的生产特点。