祝 文

（西安西礦環(huán)?？萍加邢薰?，陜西西安 710075）

0 引言

鋼鐵生產(chǎn)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，同時鋼鐵行業(yè)又是僅次于火電行業(yè)的第二大氣體污染物排放行業(yè)。生態(tài)環(huán)境部于2019年4月印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（環(huán)大氣〔2019〕35號），指出要對污染物排放環(huán)節(jié)以及大宗物料產(chǎn)品運輸環(huán)節(jié)進(jìn)行管控。其中，超低排放的有組織排放相關(guān)要求中明確了燒結(jié)機(jī)機(jī)頭以及球團(tuán)焙燒煙氣的顆粒物、SO和NO排放濃度（小時均值）的限值，分別為10 mg/m、35 mg/m和50 mg/m，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中其他主要污染源的顆粒物、SO和NO的限值分別為10 mg/m、50 mg/m、200 mg/m。

2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出，中國力爭在2030年前使二氧化碳排放達(dá)到峰值，在2060年前實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。2020年12月，國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布了《新時代的中國能源發(fā)展》，文件中明確指出我國碳排放、碳中和的長遠(yuǎn)規(guī)劃目標(biāo)，即：2021—2030年，實現(xiàn)碳排放達(dá)到峰值；2031—2045年，快速降低碳排放；2046—2060年，深度脫碳，實現(xiàn)全面碳中和。隨后，我國多家大型鋼鐵企業(yè)對該政策作出響應(yīng)：中國寶武于2021年1月率先提出要力爭在2023年實現(xiàn)碳達(dá)峰，2035年碳排放減少30%，2050年實現(xiàn)碳中和；河鋼集團(tuán)、包鋼集團(tuán)等其他鋼鐵集團(tuán)也陸續(xù)發(fā)布各自的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。顯然，綠色低碳發(fā)展已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點。然而，在實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過程中，鋼鐵行業(yè)還面臨著諸多的挑戰(zhàn)，需要更多的技術(shù)創(chuàng)新脫穎而出。

現(xiàn)有的鋼鐵燒結(jié)煙氣SCR脫硝工藝衍生于火電行業(yè)燃煤鍋爐煙氣脫硝工藝，其總體工藝路線復(fù)雜，子系統(tǒng)設(shè)備配置煩瑣，導(dǎo)致系統(tǒng)的一次投資費用高、運行能耗高。因此，有必要對現(xiàn)有的燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，針對其內(nèi)部配套的各子系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化其配置選型，以降低系統(tǒng)一次投資費用及運行能耗，從而在滿足系統(tǒng)NO達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，最大限度地實現(xiàn)節(jié)能降碳。

1 燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)氨水蒸發(fā)、氨水噴射技術(shù)介紹

1.1 常規(guī)氨水蒸發(fā)、氨水噴射技術(shù)

目前，在燒結(jié)煙氣NO治理領(lǐng)域主要采用的技術(shù)路線為：活性焦一體化脫硫脫硝工藝和SCR脫硝工藝。其中，活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)一次性投資較高，且由于運行過程中需要不斷地補充活性焦，導(dǎo)致運行成本較高，另外該工藝的NO脫除效率較低（80%左右），難以滿足NO穩(wěn)定超低排放的要求。相較而言，SCR脫硝工藝則具有一次投資費用低、系統(tǒng)簡單、運行能耗低等顯著特點，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各鋼廠燒結(jié)煙氣NO超低排放領(lǐng)域。

鋼廠燒結(jié)煙氣SCR脫硝工藝原理如下：燒結(jié)煙氣依次經(jīng)過靜電除塵及脫硫后，首先進(jìn)入回轉(zhuǎn)式換熱器（GGH），GGH換熱元件將所攜帶熱量傳遞給原低溫?zé)煔猓?0～55 ℃），使其溫度升高至250 ℃，換熱后的高溫?zé)煔馀c熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓?00～1 000 ℃）進(jìn)一步混合，使其溫度進(jìn)一步升高至280 ℃，然后進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器區(qū)域，在催化劑表面，NO與噴入的NH發(fā)生催化還原反應(yīng)，NO被脫除，凈化后的煙氣繼續(xù)通過GGH，將熱量重新傳遞給換熱元件，換熱元件再將熱量周而復(fù)始地傳遞給低溫?zé)煔?，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保、熱量循環(huán)利用的目的，最后凈化后的煙氣經(jīng)過增壓風(fēng)機(jī)后達(dá)標(biāo)排放。

具體工藝路線為：燒結(jié)機(jī)→機(jī)頭電除塵器→主抽風(fēng)機(jī)→脫硫吸收塔（布袋或濕電）→GGH換熱器（原煙氣段）→熱風(fēng)爐加熱→SCR脫硝反應(yīng)器→GGH換熱器（凈煙氣段）→增壓風(fēng)機(jī)→煙囪排放。其具體工藝流程如圖1所示。

出于安全政策的要求以及鋼鐵行業(yè)實際生產(chǎn)工藝的限制，大部分鋼鐵燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)均采用氨水（20%濃度）作為還原劑。氨水蒸發(fā)需要采用獨立設(shè)置的氨水蒸發(fā)器，氨水蒸發(fā)所需熱源取自于SCR反應(yīng)器后280 ℃的高溫凈煙氣，氨水蒸發(fā)后產(chǎn)生的氨氣通過獨立設(shè)置的噴氨格柵噴射至反應(yīng)器入口煙道內(nèi)，經(jīng)圓盤混合器與原煙氣混合后，再進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi)部，在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置的催化劑表面發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)，從而達(dá)到脫除煙氣中的NO，實現(xiàn)NO超低排放的目的。系統(tǒng)需獨立設(shè)置氨水蒸發(fā)器、噴氨格柵、稀釋風(fēng)機(jī)及配套管路、閥門、電控系統(tǒng)。

1.2 技術(shù)分析

現(xiàn)有氨水蒸發(fā)、氨水噴射技術(shù)存在以下缺點：

（1）系統(tǒng)配置復(fù)雜，稀釋風(fēng)機(jī)、氨水蒸發(fā)器等設(shè)備運行故障率高，導(dǎo)致系統(tǒng)檢修頻率高，影響整個SCR系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（2）系統(tǒng)一次投資費用高，且運行能耗高。

（3）SCR系統(tǒng)停機(jī)后容易導(dǎo)致煙氣冷凝酸液倒灌至稀釋風(fēng)機(jī)，造成稀釋風(fēng)機(jī)本體及管路系統(tǒng)腐蝕，影響系統(tǒng)的安全運行。

2 氨水蒸發(fā)及噴射一體化技術(shù)介紹

2.1 技術(shù)原理及工藝路線

本文提出了一種適用于燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)的氨水蒸發(fā)及噴射一體化技術(shù)，其系統(tǒng)配置簡單，一次投資費用低，運行能耗低，在充分實現(xiàn)氨水高效蒸發(fā)及氨氣均勻噴射、氨氮均勻混合的基礎(chǔ)上，可以有效降低脫硝系統(tǒng)總體一次投資費用及運行能耗，并且能夠提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，實現(xiàn)高效節(jié)能降碳的目的。

現(xiàn)有的燒結(jié)SCR脫硝技術(shù)采用280 ℃中低溫脫硝反應(yīng)，而燒結(jié)煙氣出口溫度僅為130～180 ℃，經(jīng)過脫硫裝置后溫度進(jìn)一步降低，因此，熱風(fēng)爐為燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)所必備的補燃加熱裝置。熱風(fēng)爐通常以高爐煤氣為燃料，高爐煤氣在爐膛內(nèi)充分燃燒后，形成800～1 000 ℃的高溫?zé)釤煔?，通過熱風(fēng)爐出口設(shè)置的熱風(fēng)支管鼓入反應(yīng)器入口煙道，與煙道內(nèi)低溫原煙氣混合，從而提高催化劑表面煙氣溫度（≥280 ℃），以滿足SCR脫硝反應(yīng)所需要的溫度。

本技術(shù)將氨水噴槍直接均勻布置于熱風(fēng)爐出口熱風(fēng)支管上，熱風(fēng)支管水平布置于SCR反應(yīng)器入口煙道上，且各支管上均勻布置了熱風(fēng)噴嘴。熱風(fēng)爐通過燃燒高爐煤氣產(chǎn)生800～1 000 ℃的高溫?zé)犸L(fēng)，高溫?zé)犸L(fēng)通過熱風(fēng)爐出口設(shè)置的4～8支熱風(fēng)支管進(jìn)行均勻分配，熱風(fēng)支管及噴嘴均采用310S耐高溫材質(zhì)，確保了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

同時，為確保熱風(fēng)爐系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，避免爐膛熄火而影響SCR脫硝反應(yīng)及氨水蒸發(fā)，爐膛設(shè)置長明火裝置，采用高熱值的焦?fàn)t煤氣作為長明火熱源。此外，氨水輸送泵與熱風(fēng)爐系統(tǒng)間設(shè)置聯(lián)鎖，當(dāng)熱風(fēng)爐系統(tǒng)故障停運時，氨水輸送泵停止運行，SCR脫硝系統(tǒng)停止噴氨；當(dāng)熱風(fēng)爐系統(tǒng)重新啟動時，氨水輸送泵再次運行，SCR脫硝系統(tǒng)開始噴氨。

熱風(fēng)支管內(nèi)襯陶瓷纖維耐火材料（耐溫1 400 ℃），外覆隔熱硅酸鋁材料。其管徑按照高溫?zé)犸L(fēng)流速設(shè)計規(guī)范要求進(jìn)行選擇，通常流速取20～30 m/s，此流速在滿足合理降低熱風(fēng)支管材料費用的前提下，又避免了熱風(fēng)流速過高嚴(yán)重沖刷內(nèi)襯陶瓷纖維模塊而造成其脫落。一方面，采用專業(yè)的流場模擬，結(jié)合各熱風(fēng)支管內(nèi)熱風(fēng)CFD流場模擬效果，選擇出最佳的煙氣流速，進(jìn)而確定熱風(fēng)支管直徑，確保每個支管內(nèi)的熱風(fēng)均能高效均勻鼓入反應(yīng)器入口煙道；另一方面，采用應(yīng)力有限元分析軟件，對各熱風(fēng)支管進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果，合理設(shè)置固定支座、導(dǎo)向支座、波紋管，降低管殼應(yīng)力，避免高溫運行產(chǎn)生不可逆的形變。

熱風(fēng)噴嘴口徑按照噴氨格柵噴嘴設(shè)計規(guī)范要求的噴出流速選擇合適的大小，通常噴出流速取20～25 m/s。同時，結(jié)合熱風(fēng)噴設(shè)點后煙道靜態(tài)混合器區(qū)域以及整個反應(yīng)器入口煙道內(nèi)煙氣系統(tǒng)CFD流場模擬效果，在滿足煙氣最佳速度流場及溫度流場分布的前提下，最終確定熱風(fēng)噴嘴口徑大小以及各噴嘴之間的間距。具體工藝流程如圖2所示。

2.2 技術(shù)特點及優(yōu)勢

本技術(shù)采用氨水蒸發(fā)及噴射一體化裝置，相對于傳統(tǒng)的燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)氨水蒸發(fā)、氨水噴射裝置，其具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）系統(tǒng)簡單，一次投資費用低。該裝置無須單獨設(shè)置氨水蒸發(fā)器、噴氨格柵、稀釋風(fēng)機(jī)及配套的管路、閥門、電控系統(tǒng)，以180 m燒結(jié)機(jī)脫硝系統(tǒng)為例，可減少一次投資費用約30萬元，同時可有效降低系統(tǒng)故障率，減小系統(tǒng)檢修頻率。

（2）系統(tǒng)運行穩(wěn)定，運行能耗低。該裝置與熱風(fēng)加熱系統(tǒng)完美結(jié)合，無須額外增加任何動力設(shè)備，以180 m燒結(jié)機(jī)脫硝系統(tǒng)為例，若采用常規(guī)氨水蒸發(fā)裝置，系統(tǒng)配套兩臺稀釋風(fēng)機(jī)（一用一備），單臺電機(jī)電功率為132kW；若采用該裝置，無須設(shè)置稀釋風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)運行每小時電耗可降低110 kW·h。

2.3 技術(shù)應(yīng)用情況

目前，燒結(jié)煙氣SCR脫硝氨水蒸發(fā)及噴射一體化技術(shù)已在山西宏達(dá)鋼鐵100 m燒結(jié)機(jī)SCR脫硝系統(tǒng)、山西銘福鋼鐵220 m燒結(jié)機(jī)SCR脫硝系統(tǒng)和山西東方資源100 m燒結(jié)機(jī)SCR脫硝系統(tǒng)上實現(xiàn)了良好的應(yīng)用，該系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定，設(shè)備故障率低，氨水蒸發(fā)及噴射效果良好，可在確保整個SCR脫硝系統(tǒng)出口NO超低排放的同時減少氨逃逸。

其中，山西東方資源100 m燒結(jié)機(jī)SCR脫硝項目于2020年12月投運至今，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，出口NO濃度始終穩(wěn)定在達(dá)標(biāo)排放（＜50 mg/Nm）范圍。系統(tǒng)設(shè)計煙氣量660 000 m/h，NO原始濃度300 mg/Nm，排放指標(biāo)50 mg/Nm，氨水耗量170 kg/h。

與常規(guī)氨水蒸發(fā)及氨水噴射技術(shù)相比，該項目因未獨立設(shè)置氨水蒸發(fā)器、噴氨格柵、稀釋風(fēng)機(jī)及配套管路、閥門、電控系統(tǒng)，一次投資費用降低約24萬元，且每小時可節(jié)省稀釋風(fēng)機(jī)電耗67 kW·h，進(jìn)一步減少了投資成本與碳排放。

3 結(jié)語

面對鋼鐵燒結(jié)領(lǐng)域日益嚴(yán)苛的污染物超低排放要求及國家碳達(dá)峰、碳中和政策要求，現(xiàn)有的燒結(jié)煙氣SCR脫硝技術(shù)需不斷優(yōu)化創(chuàng)新，對系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高SCR脫硝系統(tǒng)的運行效率，降低系統(tǒng)能耗。

而本文介紹的燒結(jié)煙氣SCR脫硝氨水蒸發(fā)及噴射一體化技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、運行穩(wěn)定、一次投資費用低、運行能耗低等顯著技術(shù)優(yōu)勢，且已在部分燒結(jié)煙氣SCR脫硝項目中成功應(yīng)用。未來，該項技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于燒結(jié)煙氣SCR脫硝領(lǐng)域。