關鍵詞：冶金；球團；煙氣；脫硫；脫硝
0 引言
首鋼球團的120+200萬t/a的兩條氧化球團生產線，是我國最早采用鏈篦機－回轉窯生產工藝的單位，無煙氣脫硫、脫硝裝置。為貫徹落實國家生態優先、綠色發展理念及唐山市關于鋼鐵行業大氣污染防治工作要求，自2013年起開始對生產煙氣進行凈化治理。其中120萬t生產線煙氣脫硫提標、新建脫硝工程于2018年9月25日建成投入，是我國鏈篦機－回轉窯球團工藝首套采用電除塵器+密相塔半干法脫硫+中低溫SCR脫硝技術對煙氣進行脫硫脫硝的單位。改造投入后達到了河北省《鋼鐵工業大氣污染物超低排放標準》(DB13/2169－2018)，要求球團煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物小時均值排放濃度分別不高于10、35、50mg/Nm3，基準含氧量按照16%折算的排放標準要求。近期經過熱工操作制度的優化、低氮燃燒技術應用、SCR催化劑備用層投入后，達到了2021年6月1日執行的唐山市5、20、30mg/m3的超低排放標準。
1 工藝路線
一系列脫硫脫硝工藝采用技術路線為：煙氣由電除塵器(現有)密相塔脫硫系統(改造)脫硫布袋除塵器(改造)GGH換熱器高溫段(新增)SCR脫硝系統(新增)GGH換熱器低溫段(新增)主引風機(改造)煙囪(現有)。
脫硝系統采用低溫SCR工藝，催化劑反應溫度區間為260～280℃。設置在密相塔脫硫除塵裝置之后，主要由氨站系統、氨水蒸發噴射系統、催化劑脫硝反應系統、煙道系統、煙氣換熱系統(GGH)、煙氣加熱系統等部分組成。首鋼球團脫硫脫硝工藝流程圖見圖1。
2 脫硫系統提標改造
2.1 脫硫劑升級替換工業試驗
按照《球團使用氫氧化鈣脫硫試驗方案》，在控制操作標準不改變的情況下，脫硫系統從2021年2月7日18：00開始往脫硫塔加新的脫硫劑氫氧化鈣，每2小時加一次，每次按照7～8t添加，至2月8日16∶00停止，一共試驗22h，共計向脫硫系統添加氫氧化鈣89t，同步排出廢灰168t。此消耗量較正常使用氧化鈣進行脫硫，并按出口外排SO2濃度小時均值100～120mg/m3進行操作控制時平均兩天消耗氧化鈣90～95t基本持平。試驗初期由于脫硫系統中氫氧化鈣量小，外排煙氣SO2濃度按小于100mg/m3進行操作控制，2月8日8∶00之后按小于50mg/m3進行操作控制。脫硫系統的小時加水量按照日?？刂茦藴?.5t/h進行微調，試驗過程中也基本未做調整。
試驗過程中生產原料配比為：水高粉80%，秘細粉20%，皂土配比1.95%，試驗期間配礦始終保持穩定，未做調整。燃料使用為：煤氣3900m3/h，噴煤0.4～0.7t/h，系統溫度控制平穩。
試驗結論：
在主線生產原料、產量、質量、操作方針不變的情況下進行了試驗，共計22h，消耗氫氧化鈣89t，同步排出廢灰168t。此試驗消耗量較正常使用氧化鈣進行脫硫，并按出口外排SO2小時均值100～120mg/m3進行操作控制時平均兩天消耗氧化鈣90～95t基本持平。
在脫硫系統操作方法相同的條件下進行試驗，脫硫系統整體循環灰量為150t左右/h，總替換量2.7%左右，通過試驗數據得出氫氧化鈣的脫硫能力明顯要強于氧化鈣，如果完全替換為氫氧化鈣后，系統脫硫能力和效果會更加明顯。
本次試驗達到了預期效果。在試驗氫氧化鈣作為脫硫劑的過程中，外排煙氣SO2小時平均值基本能夠控制在50mg/m3以下，但是從瞬時值來看，在往脫硫塔添加新灰20～30min后和下一個加新脫硫劑之前的排廢灰的過程中，外排煙氣SO2瞬時值又會升高，也有較大幅度的波動。
根據試驗數據分析，將氧化鈣完全替換為氫氧化鈣后，同步對脫硫劑循環輸送系統的設備進行增容改造，提高脫硫劑的循環速率，并升級現用的脫硫劑入口的攪拌設備，改善脫硫劑與煙氣的接觸面積，脫硫能力也會相應提高，能夠達到35mg/m3以下，并形成了循環脫硫劑輸送系統設備增容改造方案。試驗過程脫硫系統進出口煙氣SO2小時平均值曲線見圖2、3。
2.2 循環脫硫劑輸送系統設備增容改造
根據試驗數據，通過對脫硫除塵器灰斗灰輸送方式、加濕機增容、增加攪拌器、脫硫塔底羅茨風機增容改造后，提高了脫硫劑的循環倍率和循環量，實現脫硫能力、脫硫效率的提高，出口外排SO2達到了20mg/m3以下標準要求。
2.3 脫硫除塵布袋提標替換改造
在現有煙氣成分工況條件不變的情況下，用覆膜針刺氈濾袋代替普通針刺氈濾袋，降低外排顆粒物濃度，共3888條，濾袋型號為Φ160mm×7500mm。出口外排顆粒物達到了5mg/m3以下標準要求。
3 脫硝系統關鍵技術及改造
根據煙氣條件，選擇中低溫SCR脫硝技術，采用20%氨水加熱蒸發作為氨源，氨水蒸發后與稀釋風混合后進入脫硝反應器，在催化劑的作用下氨氣與NOx發生催化氧化還原反應，將NOx還原成N2和H2O。同時可裂解二噁英，反應的化學方程式如下：
脫硝反應器設計流速不超過6m/s，脫硝催化劑選擇低溫蜂窩狀催化劑，脫硝溫度為260～280℃，設置在密相干塔脫硫除塵裝置之后，主要由氨區系統、氨噴射系統、脫硝反應系統、煙道系統、煙氣換熱系統(GGH)、煙氣加熱系統等分系統組成。為保證較長的接觸時間，內部設計成“3+1”形式，其中最上一層為預留層，初裝3層，考慮不積灰設計成煙氣豎直向下流動。球團出口煙氣經脫硫裝置脫硫后，自脫硫裝置出口煙道引出，經GGH換熱器與脫硝后的凈煙氣換熱升溫至230～250℃，進入脫硝反應器入口煙道，與加熱爐送來的高溫煙氣充分混合升溫至260～280℃，升溫后的煙氣繼而與稀釋風機送入的氨空氣混合氣混合，在靜態混合器的擾動下得以充分混合，再經過整流器整流后進入脫硝反應器；氨與煙氣中的NOx在催化劑表面發生氮氧化物的還原反應，反應后的凈煙氣由脫硝出口煙道送至GGH換熱器，與原煙氣換熱降溫到約144℃，最后由脫硝系統引風機送至原煙囪排放。
通過燃燒一定高爐煤氣產生具有足夠熱量的高溫煙氣，與球團或球團煙氣混合將煙氣溫度由250℃升至280℃以上，使原煙氣達到常規催化劑活性溫度窗口。煙氣加熱模塊設備主要為燃燒器、火焰監測裝置、溫度探測裝置及相應管道控制系統。燃料為高爐煤氣，其低位發熱量為3141kJ/Nm3。將原煙氣溫度由250℃升高至280℃需額外消耗高爐煤氣10000m3/h，將原煙氣升溫后，煙氣可通過常規SCR法脫除氮氧化物。
SCR投入后出口外排NOx達到了50mg/m3以下標準要求。中低溫SCR脫硝流程如圖4所示。
3.1 鏈篦機增加SNCR前置脫硝
為了適應SCR脫硝突發故障停機和日益衰減的催化劑活性問題。2020年球團增加了鏈篦機SNCR脫硝裝置，如圖5所示。
生產過程中以SCR脫硝為主，鏈篦機SNCR為輔，在SCR脫硝不能滿足外排控制要求時，開啟鏈篦機SNCR輔助脫硝。經過操作總結出SNCR輔助噴氨量控制在100kg/h左右，窯尾溫度控制在930℃左右，SNCR脫硝率能夠達到35%以上。
3.2 優化熱工參數控制，從源頭降低氮氧化物生成
球團煙氣的氮氧化物中約有95%是NO，剩余5%是NO2、N20和N23等化合物。在球團的生產過程中對影響氮氧化物生成的焙燒溫度、焙燒氣氛、焙燒過程的含氧量、燃料類型等進行有針對性的生產試驗，根據試驗數據將影響最為主要的焙燒溫度和焦爐煤氣使用量進行優化控制，取得了非常明顯的成效，如圖6所示，球團原煙氣的NOx平均濃度降至136.8mg/m3，降幅達到20%，為實現超低排放創造了有利的條件。
3.3 回轉窯低氮燃燒技術的應用
在鏈箅機－回轉窯球團生產工藝中，燃料通過回轉窯主燃燒器噴入回轉窯內進行燃燒，為系統提供熱量。原使用的HP型四通道燃燒器于2021年3月利用檢修更換為低氮燃燒器，如圖7所示。
四通道燃燒器的原煙氣NOx在150～300mg/m3，使用低氮燃燒器后，原煙氣NOx在110～190mg/m3，對比原煙氣中NOx平均降低50mg/m3。氨水消耗顯著的降低，如圖8所示。4月份氨水單耗對比2月份降低了1.14kg/t球。
3.4 SCR新增噴氨格柵，解決空氨混合器結晶難題
隨著SCR投入時間的延長，空氨混合器出現不同程度的結晶、堵塞管道，氨水蒸發器氣相壓力高，最高120.78kPa，通過人工清理后，氨水氣相壓力恢復正常，如圖9所示。
為了便于在生產過程中對結晶物進行清理疏通，在原噴氨格柵上部新增一套空氨混合器及噴氨格柵，改造后可在正常生產時，不停機、不影響外排數據控制情況下處理管路結晶堵塞問題，提高了脫硝效率，形成了備用倒修規范。
3.5 SCR脫硝“3+1”增加備用層催化劑
SCR催化劑設計使用壽命為3年。隨著SCR投入運行時間的延長，脫硝效率明顯降低。2020年12月份開始氨水消耗量增高。經與催化劑廠家溝通、檢測現用催化劑的衰減程度，2021年5月份在備用層安裝一層催化劑，實現了“3+1”層催化劑設計布置方式，進一步實現了脫銷效率提高、氨水消耗量降低。
4 應用效果及氨水消耗分析
4.1 應用效果
2021年5月份檢修后球團一系列生產線外排數據達到了唐山市超低排放標準要求的5、20、30mg/m3以下，在任何工況條件下可將氨的逃逸濃度控制在2.27mg/Nm3以內，未出現過超標。
2021年5月份檢修前7天噴氨量數據平均值為57.4kg/h，檢修后7天噴氨量數據平均值為42.69kg/h，平均值降低14.71kg/h，較4月份檢修前降低更多。6月份氨水單耗為0.35kg/t球，對比2020年平均氨水單耗降低了1.45kg/t球，如圖10所示。
4.2 運行成本分析
4.2.1 脫硫運行成本分析
首鋼球團120萬t/a氧化球團生產線自2018年9月25日投入試調試運行，2018年10月15日通過了環保部門的連續168h穩定在上述標準以下的驗收，并出具了驗收報告，是國內鏈箅機－回轉窯工藝球團生產線采用密相塔半干法+低溫SCR進行脫硫脫硝達到超低排放標準的首套生產線。
按照首鋼球團120萬t生產線脫硫脫硝系統運行消耗情況進行成本統計分析如下，其中球團礦產量為119300t，脫硫脫硝系統入口顆粒物小時均值56mg/m3，SO2小時均值636mg/m3，NOx小時均值268mg/m3。
密相塔半干法脫硫工藝主要運行成本為脫硫劑Ca(OH)2、加濕水、布袋除塵器反吹壓縮風、脫硫劑循環輸送設備的電能、除塵布袋、廢灰外排、設備維護及布袋更換修理費、崗位人工成本等，詳細數據如表2所示.
4.2.2 脫硝運行成本分析
SCR中低溫脫硝工藝主要運行成本為催化劑模塊、氨水、煙氣加熱爐的焦爐煤氣、高爐煤氣、氨水蒸發用的蒸汽、與脫硫共用的催化劑模塊反吹壓縮風、換熱器等設備維護及布袋更換修理費、崗位人工成本等，詳細數據如表3所示。
5 結語
1)球團密相塔半干法脫硫+低溫SCR脫硝+鏈篦機SNCR輔助脫銷+低氮燃燒技術在球團一系列生產線上的成功應用，使脫硫脫硝系統的外排指標快速達到了唐山市下達的超低排放標準。
2)通過對原有脫硫劑(氧化鈣)升級替換為氫氧化鈣，提高了對主生產工藝的適應性，將原有循環脫硫劑輸送設備進行增容后，可滿足入口二氧化硫800mg/m3以下時超低排放標準，脫硫效率穩定在95%以上。
3)將脫硫脫硝系統串聯組合布置，實現脫硫、脫硝與主工藝除塵器的“無縫銜接”，裝備布置緊湊，煙氣流程短，系統壓降控制在3500Pa以下，達到了脫硫脫硝系統與主線生產工藝系統100%同步運行。
4)脫硫脫硝系統設備布置靈活緊湊，建設耗鋼量降低30%，投資少，占地面積小，不僅降低了初次投資費用，而且減少了投入后的日常運行成本及維護費用。
5)脫硫脫硝系統設備設施結構簡潔，運行穩定可靠、日常維護簡便。脫硫脫硝系統與主工藝生產風機共同使用一臺引風機，在生產能力不變的情況下，比直接增加一臺脫硫脫硝增壓風機的電單耗低2.66kW·h/t球。
來源：《礦業工程》
