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摘要：隨著鋼鐵企業超低排放政策的實施，行業亟需經濟可行的技術方案。由于燒結煙氣的特殊性，NOx超低排放改造仍存在一定的技術瓶頸。在燒結煙氣活性炭法脫硫脫硝裝置后進行了25000 m3/ h低溫SCR脫硝半工業化試驗，結果表明：活性炭法耦合低溫SCR脫硝工藝組合方案優勢明顯，活性炭法為低溫SCR脫硝提供了優異的低硫、低塵環境，150℃的煙氣溫度下脫硝效率為85%左右，135℃的煙氣溫度下脫硝效率為65%～70%；活性炭法后煙氣中粉塵具有質輕、粘附性強的特點，聲波吹灰+壓縮空氣吹灰的組合吹灰方式吹灰效果良好；低溫下氨的吸脫附特征明顯，工程控制中為防止氨逃逸超標需嚴格控制煙氣溫度及噴氨量。

      關鍵詞:燒結煙氣；脫硝；低溫 SCR；半工業化試驗

引言

      2018年5月7日生態環境部發布了《鋼鐵企業超低排放改造工作方案》征求意見稿，明確提出鋼鐵行業燒結煙氣超低排放指標:在基準含氧量16%條件下，顆粒物、SO2、NOx小時均值排放濃度分別≤10，35，50 mg / m3，鋼鐵行業迎來“史上最嚴”的排放標準，加速了鋼鐵企業超低排放改造進程。

      就目前燒結煙氣凈化市場而言，脫硫、除塵工藝已較為成熟，實現顆粒物及 SO2超低排放指標壓力較小，在技術路線上也有諸多選擇，而脫硝技術仍處于起步階段，實現脫硝超低排放，企業將承受較大壓力。

企業將面臨以下新挑戰:

      1) 由于過去幾年，脫硝排放標準寬松，鋼鐵行業長期執行 300 mg/m3的排放限值，無脫硝設施也能基本滿足排放標準，導致脫硝設施覆蓋率低，據統計，國內約 90%的燒結機未安裝脫硝設備，導致行業技術儲備不足。

      2) 由于燒結煙氣排放溫度處于 90～150 ℃，而目前電力行業使用的中 高 溫 脫 硝 催 化 劑 的 工 作 溫 度 通 常 為 300 ～400 ℃ ，鋼鐵行業難以直接進行技術移植，而煙氣再加熱將大大增加投資成本，增加系統能耗和操作費用。

      3) 目前行業內以煙氣再加熱的中高溫SCR脫硝技術和活性炭催化脫硝的技術路線為主，這兩種技術路線都存在一定的技術缺陷: 煙氣再加熱導致系統能耗偏高以及活性炭脫硝效率有限，導致兩種方法大面積推廣應用受限。

     從燒結煙氣實際排煙溫度來看，低溫SCR被認為是實現脫硝超低排放目標最有前景的技術手段之一。

燒結煙氣低溫SCR脫硝具有以下優點:

     1) 低溫下可實現脫硝，燒結煙氣僅需少量或無需設置再加熱裝置，設備體積大幅縮減，能耗大大降低。

     2) 脫硝設施布置不受溫度限制，可布置于除塵、脫硫后，無需對原煙氣凈化系統進行改動，安裝簡便，適應性強。

     3) 脫硝設施布置于低塵、低硫的原煙氣凈化系統尾部，無催化劑堵塞、磨損、微量金屬元素污染、SO2中毒等問題，維護成本低，使用壽命長。

     低溫SCR脫硝優勢明顯，但低溫下SCR催化劑抗水、抗硫的問題仍未得到有效的解決，低溫SCR脫硝缺少成熟可靠的工程案例。低溫SCR脫硝技術應用前景廣闊，鋼鐵企業超低排放改造成功與否直接關系到企業的生存與發展，而超低排放改造的重點是脫硝，因此，解決低溫SCR脫硝的工程難題意義重大。為了實現燒結煙氣中 NOx的超低排放，中冶長天國際工程有限責任公司聯合山西太鋼不銹鋼股份有限公司共同開展了鋼鐵燒結煙氣低溫SCR脫硝半工業化試驗研究。

1 項目概況

     項目建設地點為太鋼不銹煉鐵廠三燒結活性炭法脫硫脫硝設施旁，煙氣取自活性炭法脫硫后凈煙氣煙道，取氣量為25000 m3/ h，在引風機作用下，煙氣通過蒸汽換熱器，經噴氨、煙氣整流器混合均勻后進入反應器本體，煙氣中的NOx在三層催化劑的催化作用下與NH3發生還原反應生成N2達到脫硝的目的，凈化后的煙氣再返回至凈煙氣煙道排放，每層催化劑均設有壓縮空氣進行吹灰，由于入口粉塵量較小，系統不設置灰斗，吹灰后的煙塵可隨煙氣流動帶出系統，試驗工藝流程如圖1所示。

圖 1 低溫SCR脫硝半工業化試驗研究工藝流程

     燒結原煙氣經過活性炭法脫硫脫硝系統后，進入SCR 脫硝系統的煙氣條件( 實際氧) 如表 1 所示，低硫、低塵的環境為低溫SCR創造了優異的反應條件，尤其在顆粒物＜10 mg/m3、SO2＜ 35 mg / m3超低排放要求的背景下，除塵+脫硫+脫硝的組合工藝將是實現 NOx超低排放很有前景的技術方案之一。

表 1SCR系統入口煙氣條件

2 試驗結果

2. 1 脫硝情況

     2019 年 1 月中旬開始，SCR 脫硝中試系統投入運行，煙氣通過蒸汽換熱器升溫至 150 ℃左右后穩定12 h，然后按氨氮摩爾比 = 1：1 噴入氨氣，如圖 2 所示，初始脫硝效率約 70%，隨著試驗進行，系統脫硝效率緩慢提高，約 12 h 后系統達到約 85%的穩定脫硝率。在 150 ℃ 的煙氣溫度條件下，系統穩定運行200 h，在此期間在線煙氣分析儀由于環境溫度較低多次報故障，數據記錄出現中斷，在分析儀故障期間采用 testo 350 手持便攜式煙氣分析儀間隔 2 h 測試一次數據，測得脫硝效率在 80% ～ 90%，出口 NOx滿足超低排放指標。

圖 2SCR系統在 150 ℃煙氣溫度下的脫硝效率

     為驗證燒結煙氣在不加熱狀態下能否實現穩定脫硝，另外，考慮到燒結煙氣中水分較高，為防止水汽冷凝影響催化劑工作，低溫SCR系統保持在 135 ℃的煙氣溫度下運轉，噴氨后約 12 h 的脫硝效率穩定在 65%～70%左右。在 135 ℃的煙氣溫度條件下，系統穩定運行 70 h 的煙氣溫度及脫硝效率如圖 3 所示，出口 NOx濃度在 50 mg/m3左右。

圖 3SCR系統在 135 ℃煙氣溫度下的脫硝效率

2. 2 系統壓降情況

     圖 4 為SCR系統開機后煙氣量變化及系統阻力( 煙氣經催化劑前后) 的歷史曲線，煙氣量隨阻力增加而減小，經過約 2 周時間，煙氣量由初始的 25000m3降至 22000 m3左右，催化劑前后壓差由 600 Pa 增加至 900 Pa，遠超設計值，在調整風門開度及電機頻率后煙氣量恢復至 25000 m3，同時，壓差值增加至1000 Pa 左右。通煙氣后，系統壓降( 第一層催化劑入口壓力與第三層催化劑出口壓力之差: P1-P4) 基本以固定斜率緩慢增加，第 9 天起系統開始噴氨，阻力基本上仍以固定斜率增加，兩個小的突變點對應調整煙氣量至 25000 m3; 第一層催化劑前后壓差( P1-P2)變化( 280 Pa→820 Pa) 是導致壓差變大的主要原因，而第二層催化劑前后壓差( P2-P3) 和第三層催化劑前后壓差( P3-P4) 幾乎呈穩定狀態，分別在 140 ～ 280 Pa和 190～300 Pa，與設計值相符。可見，噴氨并未對煙氣阻力上漲產生影響，煙氣中粉塵累積是造成阻力增加的主因，煙氣中顆粒物被第一層催化劑截留后，僅靠壓縮空氣吹灰難以脫除，吹灰效果不理想導致系統阻力持續上升。

圖 4 系統通煙氣后催化劑前后壓差變化情況

     由于壓差的變化遠超設計值，將SCR系統進行停機檢修，并對系統積灰情況進行排查，經排查發現每層催化劑上方鐵絲網均有不同程度的灰沉積，尤其以第一層催化劑積灰最為明顯，而系統出口煙道內壁光滑無積灰，如圖 5 所示。由于吹灰管路覆蓋面積有限，吹灰僅對管路下方積灰清除有效，而未覆蓋的鐵絲網處積灰較明顯，說明單管路吹灰設計不能滿足系統的吹灰要求，推測雖然入口粉塵絕對量較小，但粉塵以質輕、粘附性強的活性炭粉為主，吹灰方式的選取需要特別注意; 系統出口煙道無積灰，說明瞬時清灰后，粉塵可以隨煙氣排出系統。

圖 5SCR系統催化劑( 圖左) 及出口煙道( 圖右) 積灰情況

     鑒于吹灰不徹底的現狀，對SCR系統進行了聲波吹灰器的加裝以及原有壓縮空氣清灰管路的改造，改造后每層催化劑上層均設置一套聲波吹灰裝置，且在原有 9 路壓縮空氣吹灰管路下各增加一列 T 型支管，各支管開一定數量的小孔，保證壓縮空氣吹掃面積覆蓋整層催化劑，解決吹灰面積有限的問題，改造實物如圖 6 所示。

圖 6SCR系統增設聲波吹灰器及壓縮空氣吹灰改造實物

     吹灰改造完成后，效果顯著，圖 7 為系統運行650 h 催化劑前后壓差變化情況，可見吹灰改造后壓差控制較為理想，僅在 150～200 h 時間段調整煙氣量后壓差增加至 920 Pa 左右，壓縮空氣吹灰后，壓差降至 800 Pa 左右，并達到較長期的穩定，說明聲波吹灰+壓縮空氣組合吹灰的效果明顯，同時也可推測在低硫、低塵、低溫的環境下系統生成的硫銨有限，為進一步開展低溫下SCR試驗創造了條件。

圖 7 系統吹灰改造后催化劑前后壓差變化情況

2. 3 系統氨逃逸

     試驗期間，出口氨逃逸設計值為 3 ppm 以內，但試驗過程中發現系統升溫降溫過程中氨逃逸值出現較大波動導致出口氨難以控制。圖 8 所示為煙氣溫度調整與氨逃逸值歷史數據，可見，煙氣溫度升高后，氨逃逸值瞬間變大，煙氣溫度降低，氨逃逸值立即降低，煙氣溫度與出口 NH3濃度相關性較好。這可能是因為低溫下反應器及管道對 NH3的吸附作用明顯，導致溫度升高后氨大量脫附。因此，當系統開機與或停機檢修時需要注意脫硝效果的滯后期以及系統內殘留氨的充分釋放，另外，需要嚴格控制煙氣溫度的變化及噴氨量。

圖 8SCR系統煙氣溫度調整及氨逃逸歷史曲線

3 結 論

     1)低硫、低塵環境下，低溫SCR脫硝表現出較好的NOx脫除能力，活性炭法+低溫SCR有望成為燒結煙氣超低排放改造經濟可行的方案之一。

     2) 低溫下SCR反應對環境的要求嚴苛，可繼續探索低溫高硫環境下催化劑抗 SO2、抗 H2O 中毒能力及機理等，不斷完善低溫SCR應用基礎科研工作。

     3) 活性炭法耦合低溫SCR工藝，對于具有質輕、粘附性強等特點的活性炭粉，聲波吹灰+壓縮空氣吹灰可作為一種較優的吹灰組合工藝。

     4) 低溫下SCR系統對 NH3的吸脫附作用明顯，煙氣溫度波動導致 NH3逃逸的變化顯著，工程控制中需嚴格控制噴氨量和煙氣溫度。