楊助喜

（寶武水務(wù)科技有限公司，上海 201900）

2019 年，生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（環(huán)大氣[2019]35號），提出到2025年底前，重點區(qū)域鋼鐵企業(yè)超低排放改造基本完成，其中要求焦?fàn)t煙道氣的排放指標(biāo)（干基，基準(zhǔn)氧體積分?jǐn)?shù)8%）達到：SO2質(zhì)量濃度≤30 mg/m3，NOx質(zhì)量濃度≤150 mg/m3，粉塵質(zhì)量濃度≤10 mg/m3，并且不排除日后在此基礎(chǔ)上再次提高排放標(biāo)準(zhǔn)的可能。焦?fàn)t是鋼鐵、焦化企業(yè)的污染排放大戶，目前焦?fàn)t煙道氣的SO2、NOx排放大多無法達到超低排放要求，特別是采用焦?fàn)t煤氣加熱的焦?fàn)t，污染物超標(biāo)問題更加嚴(yán)重。

經(jīng)過對國內(nèi)焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝技術(shù)現(xiàn)狀和各種工藝的適用性進行比較分析，本文提出了一種基于熱量雙循環(huán)的“旋轉(zhuǎn)噴霧法（SDA）鈣基脫硫+ 選擇性催化還原（SCR）脫硝”工藝，并在國內(nèi)某鋼廠進行了實踐應(yīng)用。結(jié)果表明，這種工藝具有凈化效率高，抗煙氣波動能力強，且脫硫副產(chǎn)物（以CaSO4、CaSO3為主）可實現(xiàn)妥善處置等優(yōu)點，現(xiàn)介紹如下，以供同類焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝工程參考。

1 焦?fàn)t煙道氣脫硫工藝技術(shù)分析

由于焦?fàn)t自身工藝特點，根據(jù)所采用的燃料不同（主要是焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣或混合煤氣），所產(chǎn)生的煙道氣溫度為180 ℃～280 ℃，硫化物質(zhì)量濃度一般在50 mg/m3～500 mg/m3，NOx質(zhì)量濃度一般在200 mg/m3～1000mg/m3。

目前針對焦?fàn)t煙道氣的脫硫工藝路線可分為濕法、干法和半干法3 類[1]，其中，干法、半干法應(yīng)用較多。代表性的干法工藝有活性炭法、碳酸氫鈉干法（Sodium Dry Sorbent，簡稱SDS 法），半干法工藝有旋轉(zhuǎn)噴霧法（Spray Drying Absorption，簡稱SDA 法）、循環(huán)流化床法（Circulating Fluidized Bed，簡稱CFB法）等。

1.1 活性炭法

活性炭法是指在吸收塔中，利用活性炭發(fā)達的孔結(jié)構(gòu)和比表面積，通過物理和化學(xué)吸附作用，吸附煙氣中的SO2、NOx等污染物，并用NH3還原吸附的NOx，達到同時實現(xiàn)脫硫脫硝效果。其系統(tǒng)相對簡單，但由于受到活性炭耐溫影響，出于安全考慮，運行溫度需控制在較低水平，一般在120 ℃～130 ℃[2]，因此活性炭法一般前端需配置余熱鍋爐或其他煙氣降溫措施。

SDS 法、SDA 法、CFB 法3 種工藝均需在脫硫之后配置布袋除塵器，對粉塵的控制效果比較穩(wěn)定；而活性炭法利用活性炭微孔吸附或過濾粉塵，考慮到經(jīng)濟性，一般不再設(shè)置專門的除塵措施，但活性炭過濾粉塵能力有限且本身會粉化，因此，總體來說活性炭法對粉塵的控制相對較弱，系統(tǒng)存在一定的粉塵超標(biāo)風(fēng)險。另外，活性炭脫硝效率不高，一般不超過80%[3]，而且其脫硝過程中的氨逃逸率較高，隨著環(huán)保要求的日益提高，對氨逃逸的監(jiān)控必將提出更高要求。

1.2 SDS 法

采用碳酸氫鈉為脫硫劑的SDS 脫硫工藝是將脫硫劑（NaHCO3）研磨至細(xì)度600 目～800 目，然后均勻噴射在管道內(nèi)，并被熱激活，比表面積迅速增大，與酸性煙氣充分接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，煙氣中的SO2等酸性物質(zhì)被吸收凈化，生成以固態(tài)硫酸鈉、亞硫酸鈉、碳酸鈉為主的副產(chǎn)物。

從溫度上看，該工藝比較適合焦?fàn)t煙氣脫硫，其理想的使用溫度一般在150 ℃以上，且在脫硫過程中溫降小，脫硫后仍能維持較高的煙氣溫度，可以考慮其后直接配置低溫催化劑進行SCR 脫硝，流程較簡單。

該工藝主要的缺點是副產(chǎn)物硫酸鈉、亞硫酸鈉、碳酸鈉等混合物難以消納[4]，沒有合適的去向。另外由于運行溫度較高，需配套耐高溫的除塵器和布袋，提高了除塵器的投資和運行費用。

1.3 CFB 法

CFB 法是在脫硫塔底部入口處形成流化床層，強烈的內(nèi)部湍流和固體顆?；亓骷訌娏藷煔馀c吸收劑的接觸，使脫硫效率得到很大提高，可處理入口SO2濃度很高的煙氣。

該工藝主要缺點是對負(fù)荷變動較為敏感，焦?fàn)t雖然生產(chǎn)負(fù)荷變化不會很大，但其每隔20 min～30 min需進行換向操作，換向過程中煙氣量、污染物濃度均有較大波動，對流化床運行的穩(wěn)定性不利。為了滿足流化床內(nèi)足夠的流化動力，需設(shè)置煙氣再循環(huán)系統(tǒng)[5]，以防止塌床。

1.4 SDA 法

SDA 法是將脫硫漿液從脫硫塔的上方經(jīng)霧化器霧化后噴入脫硫塔內(nèi)，霧化器通過高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速10000 r/min 以上）產(chǎn)生離心力，將脫硫漿液霧化成霧滴，與煙氣氣流混合。產(chǎn)生的霧滴粒徑小至30 μm～80 μm，大幅增加了脫硫劑的反應(yīng)比表面積，使反應(yīng)迅速進行，并有很高的SO2脫除效率。

按照選用的脫硫劑不同，SDA 法可分為鈣基SDA法[6]（脫硫劑為石灰漿液）和鈉基SDA 法[7]（脫硫劑為蘇打漿液），其中鈉基SDA 法副產(chǎn)物與SDS 法類似，難以消納，而鈣基SDA 法副產(chǎn)物則可實現(xiàn)妥善處理。

鈣基SDA 脫硫發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)見式（1）、式（2）：

該工藝用于焦?fàn)t煙氣的脫硫處理，對煙氣量及污染物的波動具有很好的適應(yīng)性，運行非常穩(wěn)定可靠，處理效率可達到98%以上，其副產(chǎn)物可用于制作蒸壓磚、隔熱板或用于改良土壤等[8]。

采用鈣基SDA 工藝的限制條件是脫硫塔入口溫度一般優(yōu)選為130 ℃～140 ℃，而焦?fàn)t煙氣溫度一般≥180 ℃，因此為了適應(yīng)其窗口溫度，本文引入一種基于熱量雙循環(huán)的SDA 脫硫工藝，對焦?fàn)t煙氣溫度進行精準(zhǔn)調(diào)控。

2 焦?fàn)t煙道氣脫硝工藝路線分析

目前焦?fàn)t煙道氣控制NOx排放的主要途徑是前端控制或末端治理，所謂前端控制一般是在焦?fàn)t設(shè)計時，充分運用各種能在燃燒過程中抑制NOx生成的技術(shù)，如合理確定立火道溫度、控制實際燃燒溫度、往燃燒空氣中摻入廢氣、廢氣循環(huán)、分段供空氣燃燒以及將上述技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合技術(shù)，其實質(zhì)是通過溫度控制或改變?nèi)紵绞?，盡量減少溫度熱力型NOx的生成。一般通過該方法可以降低30%～50%的NOx排放，但還無法滿足超低排放指標(biāo)[9]。

而針對焦?fàn)t煙道氣中的NOx，目前比較普遍采用的處理技術(shù)為選擇性催化還原脫硝法（Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR）[10]，該工藝最早在電力行業(yè)廣泛應(yīng)用。2016年9月底，寶鋼股份公司率先在4#燒結(jié)機建設(shè)了一套中溫催化脫硝裝置，該工程在消化吸收電廠SCR 脫硝技術(shù)基礎(chǔ)上，通過二次開發(fā)創(chuàng)新，將SCR 脫硝技術(shù)成功引入到鋼鐵行業(yè)中，為日后燒結(jié)、焦?fàn)t等生產(chǎn)工序增設(shè)脫硝裝置提供了參考。

SCR 脫硝技術(shù)是在催化劑的作用下，利用氨作為還原劑，使其與煙氣中的NOx反應(yīng)，產(chǎn)生無害的氮氣(N2)和水(H2O)，其主要反應(yīng)式見式（3）～式（5）：

SCR 技術(shù)具有裝置結(jié)構(gòu)簡單，不形成二次污染，并且具有脫除效率高（可達90%以上），運行可靠，便于維護等優(yōu)點。

由于焦?fàn)t煙氣與電力行業(yè)煙氣存在一定的特性差異，SCR 在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用主要受到煙氣溫度的影響，目前主流的釩系SCR 催化劑長期使用溫度推薦180 ℃以上，最佳使用溫度210 ℃以上[11]，因此需采用相關(guān)手段對煙氣溫度進行調(diào)控，例如配置煙氣- 煙氣換熱裝置或熱風(fēng)爐升溫裝置等。

3 基于熱量雙循環(huán)的脫硫脫硝工藝設(shè)計及應(yīng)用

3.1 工藝路線說明

從副產(chǎn)物、氨逃逸、穩(wěn)定達標(biāo)等因素綜合考慮，開發(fā)了基于熱量雙循環(huán)的“旋轉(zhuǎn)噴霧法（SDA）鈣基脫硫+選擇性催化還原（SCR）脫硝”工藝路線，為焦?fàn)t煙道氣穩(wěn)定達標(biāo)排放提供保障。

所謂“熱量雙循環(huán)”是指在脫硫段和脫硝段分別設(shè)置1 臺煙氣換熱器，對煙氣溫度進行精準(zhǔn)調(diào)控，使脫硫塔和脫硝塔分別達到設(shè)計的運行溫度，保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。

在脫硫段設(shè)置1 臺煙氣- 煙氣換熱器，用于將從焦?fàn)t地下煙道來的高溫?zé)煔饨禍刂良s130 ℃，達到SDA 脫硫的理想入口溫度；脫硫后的凈煙氣返回該脫硫段換熱器，升溫后進入脫硝段，該換熱器的傳熱動力來自脫硫段的煙氣溫降，該溫降一般為20 ℃～30 ℃。

在脫硝段同樣設(shè)置1 臺煙氣- 煙氣換熱器，使煙氣進一步升溫至理想的脫硝溫度，該溫升的傳熱動力來自脫硝段的煙氣熱風(fēng)爐，溫升一般為10 ℃～20 ℃，熱風(fēng)爐一般采用廠內(nèi)的焦?fàn)t煤氣或高爐煤氣作為燃料。

3.2 應(yīng)用案例

3.2.1 應(yīng)用企業(yè)的情況

國內(nèi)某鋼廠有2×55 孔頂裝6 m 焦?fàn)t，年產(chǎn)110 萬t 焦炭，煙道氣未經(jīng)凈化直接通過煙囪排放，不符合超低排放要求，需實施脫硫脫硝超低排放改造工程。

綜合考慮到該工程焦?fàn)t煙道氣的脫硫脫硝工藝必須對焦?fàn)t工況波動具有良好適應(yīng)性、凈化效率高且副產(chǎn)物可穩(wěn)定處置、排煙溫度＞130 ℃以滿足煙囪熱備要求等因素，確定脫硫工藝采用鈣基SDA 脫硫，脫硝工藝采用SCR 脫硝，且先脫硫后脫硝，再結(jié)合具體的煙氣特性，最終確定了基于熱量雙循環(huán)的“旋轉(zhuǎn)噴霧法（SDA）鈣基脫硫+ 選擇性催化還原（SCR）脫硝”工藝路線。

該企業(yè)焦?fàn)t煙道氣的主要參數(shù)見表1。

表1 某企業(yè)焦?fàn)t煙道氣主要參數(shù)

3.2.2 熱量雙循環(huán)脫硫脫硝工藝的流程及主要設(shè)備

基于熱量雙循環(huán)的“旋轉(zhuǎn)噴霧法（SDA）脫硫+ 選擇性催化還原（SCR）脫硝”工藝的流程示意圖見圖1。

圖1 熱量雙循環(huán)脫硫脫硝工藝流程示意圖

來自2 座焦?fàn)t總煙道的焦?fàn)t煙道氣匯合后進入脫硫段換熱器，煙氣溫度從約190 ℃降至約130 ℃，達到脫硫的運行窗口溫度，之后進入旋轉(zhuǎn)噴霧（SDA）脫硫塔進行脫硫，脫硫后采用布袋除塵器進行過濾收塵，至此完成脫硫及除塵過程。出布袋除塵器的煙氣依次經(jīng)過脫硫段換熱器、脫硝段換熱器，溫度達到約210 ℃，再經(jīng)熱風(fēng)爐略微補熱至220 ℃～225 ℃進行脫硝反應(yīng)，反應(yīng)完成后的煙氣經(jīng)脫硝換熱器將熱量傳給脫硝段原煙氣，自身降溫至160 ℃以上排至煙囪。

熱量雙循環(huán)脫硫脫硝工藝的主要設(shè)備及規(guī)格見表2。

表2 熱量雙循環(huán)脫硫脫硝工藝的主要設(shè)備及規(guī)格

3.2.3 治理效果

該項目自2020年5月份開始建設(shè)，2021年4月份投運，出口各項污染物均穩(wěn)定達標(biāo)，煙囪在線連續(xù)監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)見表3。

由表3 可見，該改造工程實施后煙囪出口實測數(shù)據(jù)均優(yōu)于超低排放指標(biāo)，并且均具有較大的提標(biāo)潛力，可較好地應(yīng)對日后國家標(biāo)準(zhǔn)的升級。

表3 焦?fàn)t煙道氣處理前后數(shù)據(jù)

3.3 工藝特點和優(yōu)勢分析

3.3.1 采用熱量雙循環(huán)裝置，對焦?fàn)t煙氣溫度進行分段精準(zhǔn)調(diào)控，在滿足脫硫脫硝運行溫度要求的同時，較大地降低了系統(tǒng)運行費用。其中脫硫劑采用成本較低的石灰粉，脫硝段煤氣耗量約為常規(guī)鈣基脫硫脫硝工藝的50%～60%。

3.3.2 得益于熱量雙循環(huán)裝置，系統(tǒng)對焦?fàn)t煙道氣的波動具有很好的適應(yīng)性，尤其適用于焦?fàn)t煙道氣溫度在180 ℃～200 ℃的工況，整個工藝系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)脫硫噴漿量和控制脫硝升溫幅度，可有效應(yīng)對焦?fàn)t煙氣量和溫度波動，并且始終保證煙囪出口排煙溫度在160 ℃以上，滿足焦?fàn)t煙囪熱備的要求。

3.3.3 SCR 脫硝反應(yīng)器后置，先將煙氣中SO2脫除再進行脫硝，可避免SO2與氨反應(yīng)生成硫酸氫銨、硫酸銨，并且最大程度保護脫硝催化劑，延長其使用壽命。設(shè)計脫硝運行溫度220 ℃，屬于當(dāng)前比較成熟的中低溫脫硝溫度窗口，進一步保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.3.4 脫硫采用SDA 法，副產(chǎn)物的主要成分是CaSO4、CaSO3、Ca（OH）2，可用于水泥添加劑，制作蒸壓磚、隔熱板等建材用原料，具有比較穩(wěn)定的消納途徑。

3.3.5 出口污染物可穩(wěn)定達標(biāo)，并且全面優(yōu)于超低排放指標(biāo)；氨逃逸率可控制在遠遠小于《火電廠煙氣脫硝技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 296—2011）中規(guī)定的氨逃逸指標(biāo)（≤3×10-6），為滿足今后更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)奠定了良好基礎(chǔ)。

3.4 工藝適用性分析

相較于目前焦?fàn)t煙道氣脫硫應(yīng)用較多的SDS 脫硫工藝，該工藝流程相對較長，初次投資和占用場地相對較大，是其沒有被廣泛采用的原因。但該工藝在焦?fàn)t煙道氣溫度和污染物指標(biāo)波動較大、煙囪熱備溫度要求較高、且企業(yè)無法消納鈉基脫硫副產(chǎn)物的場合將具有較大優(yōu)勢。

鈉基脫硫副產(chǎn)物是以硫酸鈉、亞硫酸鈉、碳酸鈉為主的混合物，屬于可溶于水的物質(zhì)，難以直接再利用。目前鈉基副產(chǎn)物按照一般固廢處置，但日后如果管控升級則可能成為企業(yè)頭疼的問題，因此鈣基脫硫路線可能逐漸成為更多企業(yè)的選擇。

4 結(jié)語

采用一種基于熱量雙循環(huán)的 “旋轉(zhuǎn)噴霧法（SDA）鈣基脫硫+ 選擇性催化還原（SCR）脫硝”組合式工藝，對某企業(yè)2 座6 m 焦?fàn)t的煙道氣進行超低排放改造，改造后各項數(shù)據(jù)穩(wěn)定達標(biāo)，出口排放煙氣中SO2質(zhì)量濃度≤15 mg/m3，NOx質(zhì)量濃度≤100 mg/m3，粉塵質(zhì)量濃度≤8 mg/m3?！盁崃侩p循環(huán)”組合工藝可實現(xiàn)焦?fàn)t煙道氣高效、穩(wěn)定、安全的凈化處理，不僅可實現(xiàn)超低排放指標(biāo)，也可確保焦?fàn)t煙囪始終保持在“熱備”狀態(tài)，并且該工藝脫硫副產(chǎn)物有比較穩(wěn)定的市場消納途徑，可供類似企業(yè)進行焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝改造參考。