烧结烟气半干法脱硫后SCR脱硝中温设计低温运行研究与应用

时间：2024-07-28

陈磊

（中冶华天工程技术有限公司）

自2019 年钢铁企业全面开展超低排放改造以来，SCR（选择性催化还原法）工艺因具有高效、可靠、控制简单等优点，已被广泛应用于烧结、球团、加热炉等多种烟气氮氧化物治理领域。《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》《钢铁企业超低排放改造技术指南》等重要指导性文件也明确提出，烧结、球团烟气可采用SCR 工艺实现氮氧化物超低排放。目前，SCR已成为国内钢铁企业烧结烟气脱硝的首选工艺，已建成投运的SCR 设施数量远超活性炭（焦）脱硝等其他设施。

随着钢铁企业SCR 烧结烟气SCR 脱硝系统的不断普及与发展，该工艺设施在长期运行维护过程中存在的一些问题也逐渐显露出来，其中最突出的问题是燃气消耗量大、平均能耗高。本研究以江苏某特钢企业180 m2烧结机烟气脱硝系统为例，对半干法脱硫后SCR 脱硝中温设计、低温运行的可行性及应用效果进行分析。

1 烧结烟气SCR脱硝系统应用现状

钢铁企业的烧结机头烟气在经过机头静电除尘器净化后，烟气温度基本在120～160 ℃，再经过脱硫装置后，烟温会大幅度下降。以《钢铁企业超低排放改造技术指南》推荐的几种脱硫技术为例，采用石灰石-石膏等湿法脱硫工艺系统，烧结烟气脱硫后的温度通常在45～55 ℃；而采用循环流化床、旋转喷雾、密相干塔等半干法脱硫工艺系统，烧结烟气脱硫后的温度通常在80～90 ℃。

由于企业2019—2022 年的烧结机烟气SCR 脱硝系统采用中温（230～300 ℃）窗口脱硝催化剂，因此，不论是采用何种脱硫工艺，脱硫装置排出的低温烟气都需要采用换热、加热设施，将烟气温度提高至280 ℃左右，最终再引入SCR 脱硝反应器进行催化还原反应。其中，换热、加热设施的热源均来自燃气燃烧，燃料一般采用高炉煤气、焦炉煤气等可燃气体。脱硝系统需补热的温度差越大，燃气消耗量就越大。根据多套烧结机烟气CFB 脱硫+SCR 系统的运行费用统计资料，仅燃气消耗运行成本就占整个脱硝系统运行费用的60%左右。即便期间普及了GGH换热器结构优化技术、内置式直燃炉等节能技术，系统整体的燃气消耗量并未能实现大幅下降。

降低SCR 脱硝系统燃气消耗量的关键是降低系统补热温度差，而降低补热温度差的关键是降低脱硝的温度窗口。在推进钢铁企业超低排放改造工作的最初几年，虽然低温窗口的脱硝催化技术已在国内焦化、水泥等行业［1-2］逐步应用，但由于烧结烟气的成分相对复杂，碱（土）金属、硫等有害成分含量相对较高，低温催化剂的抗毒性并不能保证烧结烟气SCR脱硝系统稳定运行，国内也仅有个别厂家能够生产可用于烧结烟气的低温催化剂，且应用案例较少。因此，大部分的钢铁企业为了系统稳定，且满足超低排放要求，在设计与建设中仍然采用中温SCR 脱硝工艺，运行费用偏高的问题并未解决。

2 中温SCR 系统低温运行的可行性分析与解决方案

2021 年以来，随着国家加快部署“双碳”战略，大力推进“节能减排”“低碳环保新技术”等相关工作，烧结烟气低温SCR 脱硝催化剂（使用温度窗口≤220 ℃）新产品性能的不断提高，部分国内催化剂生产厂家针对烧结机特殊的烟气条件，研发出抗硫性能、抗碱（土）金属毒性及低温活性良好的新型低温催化剂［3-5］，且在200～220 ℃的温度窗口已有成功应用的案例。因此，越来越多的钢铁企业开始重新关注低温SCR 脱硝工艺，其中相当一部分关注企业都是已完成超低排放改造工作的钢铁企业，希望将现有已投运的中温SCR 脱硝系统进行调整，改用低温工艺运行，进而大幅度降低脱硝运行费用。还有相当一部分钢企即将新建烧结烟气SCR 脱硝系统，但对于新型低温窗口脱硝催化剂是否能够长期稳定运行存在疑虑［6-7］，希望新系统仍按中温工艺进行设计，但需具备低温运行能力，待低温催化技术彻底成熟后再进行更换。

针对以上市场需求与待解决的问题，本研究将从以下几方面对中温设计、低温运行的可行性进行分析。

2.1 半干法脱硫后的烟气特点

采用半干法工艺对烧结烟气中的SO2进行脱除，主要利用钙基脱硫剂（如Ca（OH）2）与烟气中的SO2反应进行脱硫，喷入的水分可使SO2与Ca（OH）2的反应转化为可以瞬间完成的离子型反应，同时水分在脱硫塔内得到充分的蒸发。

半干法脱硫后的烟气典型特征：①烟气温度相对较高、但含湿率较低。半干法脱硫后的烟气温度一般在80～90 ℃，含水率在12%～14%，与湿法脱硫技术相比，温度较高，且含湿率较低，烟气始终保持在高于烟气露点20 ℃左右。②烟气中固体颗粒物浓度低。因半干法脱硫工艺中包含有收尘工序，烟气经过高效布袋除尘器时，大部分固体颗粒物都被滤袋捕集，去往脱硝系统的烟气颗粒物浓度一般低于5 mg/m3。③烟气中存在少量未反应完全的SO2、可溶性碱金属盐。例如CBF 循环流化床工艺中，烧结烟气中大部分SO2已在脱硫装置内脱除，少量未反应的SO2在烟气中的浓度水平基本低于20 mg/m3，对于高浓度进口的脱硫系统，这个数值可能会更高。同时，由于原烧结烟气成分中存在K+、Na+、Mg2+，在高温段挥发出可溶性碱金属盐，经过脱硫装置后仍有少量进入后段脱硝系统。

2.2 SCR反应器

常用于烧结烟气中温窗口脱硝的SCR 反应器，根据其进口氮氧化物浓度水平以及脱硝效率的不同，常采用“2+1 层”或“3+1 层”的布置形式，即初装2层或3 层，最顶层（或底层）预留1 层作为备用层。设置备用层的目的主要是在国家排放指标提高时加装催化剂，以进一步提高脱硝效率。由于中温催化剂（蜂窝型）的设计空速一般在4 500 h-1，而以200 ℃低温窗口脱硝催化剂（25 孔）为例，低温催化剂的设计空速≤3 100 h-1，改用低温催化剂的装填量将比中温催化剂多45%左右。对于设置有预留层的中温SCR脱硝反应器，增加的部分可以利用预留层进行装填，反应器布置形式则变为“3+0层”或“4+0层”。对于设计空速更低的低温催化剂，不仅可利用预留层进行装填，同时还可通过增加模块高度的方式来提高装填量（因模块高度受限与床层阻力、生产加工水平、反应器框架结构等因素能够抬高的空间有限，一般不宜超过1 450 mm）。当已全部建成，且未预留备用层的脱硝项目，如果采用设计空速相对较高的低温催化剂，且反应器空塔流速相对较低时，也可只通过增加模块高度的方式实现低温催化剂的替换。

2.3 GGH换热器

对于采用中温（280 ℃）窗口催化剂的半干法脱硫+SCR 脱硝系统，GGH 的换热温差一般按照30 ℃设计，即150 ℃的烧结烟气经过脱硫系统降温至80～90 ℃，首先经过GGH原烟气侧升温至250 ℃，再利用煤气燃烧器进行补燃升温，温度提高至280 ℃后进入SCR反应器内进行催化反应，反应后约280 ℃的烟气再经过GGH 净烟气侧进行换热，换热后GGH 净烟气侧出口烟气温度约在110 ℃，最终通过排气筒外排。

采用中温280 ℃选型的GGH 设备按200 ℃低温脱硝的方式运行，由于系统温度降低，进入GGH 的工况烟气量相应减少，其设备换热能力与效率均有所提高。参考厂家提供的校核资料，GGH 的换热温差由30 ℃降至20 ℃左右，即脱硫后80～90 ℃的烟气经过GGH 原烟气侧升温至180 ℃，再利用煤气燃烧器补燃升温至200 ℃进行脱硝，反应后的烟气再通过GGH 净烟气侧排出，排烟温度在100 ℃左右。因为烟气流量的减少，GGH 设备两侧阻力也明显降低，有利于系统的节能运行。

设计时，对于冷端采用Corten 钢（耐候钢）的GGH 设备，使用200 ℃低温脱硝的方式运行时，由于Corten 钢有出众的耐腐蚀性能，几乎没有影响；但设计时，对于中高温冷端采用普碳钢的GGH 设备，降温运行后的低温烟气可能会逐渐腐蚀冷端，若长期低温运行，建议将GGH 的冷端换热元件材质更换为耐腐蚀性能较强的Corten 钢，Corten 钢的换热能力与碳钢几乎无区别，选用波纹接近的元件，改造后换热效果基本没有变化。

2.4 燃气补燃系统

烧结机烟气SCR 脱硝系统多采用高炉煤气作为燃料对烟气进行补燃升温，常使用的加热设备有外置式热风炉或内置式直燃炉等。中温窗口设计的SCR 脱硝系统，改为低温运行后，由于换热温差的降低，所消耗的煤气量会有大幅度的减少，这也是低温运行节能降耗的关键所在。对于采用低于200 ℃的低温催化剂项目，需同时考虑定期热解析的情况，一般热解析温度不低于340 ℃，热解析时长不低于24 h，具体以不同项目现场运行情况决定。

常规配备的外置式热风炉或内置式直燃炉均可以通过燃气阀组、助燃风阀组等自由调节供热能力，减少出力或提供热解析时（低风量）的高强度供热。加热炉可稳定调节的出力范围一般在30%～110%，当降温运行后的负荷仍在以上范围时，燃烧器本体基本无须改造即可降负荷正常运行，但对于原设计选型较大的加热炉系统，当选用180 ℃或更低运行温度的低温催化剂方案时，由于补燃升温负荷大幅度降低，超出稳定调节范围，则需对加热炉进行局部改造，必要时更换加热炉规格。

2.5 催化剂清灰系统

对于前端已采用CFB、旋转喷雾等半干法脱硫工艺的烟气，因为其烟气中固体颗粒物、杂质的浓度很低，SCR催化剂床层的清灰系统常采用声波吹灰器进行定时清灰。改为低温工艺运行后，由于低温催化剂占用的备用层通常不设置吹灰器，需将新增层的吹灰设备补装。对于通过抬高催化剂模块而换填的催化剂层，如果抬高高度大于300 mm，则需对原声波吹灰器的安装位置进行适当调整，以获得最佳清灰效果。

2.6 蒸氨系统低温运行

烧结烟气SCR 脱硝系统中温设计、低温运行的解决方案对于采用蒸汽蒸氨的氨水蒸发系统并无影响，因为低温运行时氨水的消耗量与蒸发量并未变化，但对于采用烟气蒸氨的系统，则会由于热烟气的温度降低而无法实现充分蒸氨，具体体现在蒸氨塔出口无法稳定在130 ℃以上。针对这部分热量损失，可通过在蒸氨塔设备上增设电加热器的方式补充热量，也可通过增大稀释风量，增大蒸氨塔设备尺寸的方式提高蒸氨塔出口温度。考虑到电加热器功率较大，且设备故障率高，这些问题可采用改造稀释风系统与氨水蒸发器的方法加以解决。

2.7 整体系统阻力

在中温280 ℃催化剂窗口运行时，满工况烟气量条件下，GGH 两侧的总阻力约为1 800 Pa，SCR 单层催化剂阻力约为200 Pa，当采用200 ℃低温脱硝催化剂后，虽然增加1 层催化剂的阻力，但由于工况烟气量减少约15%，GGH 两侧以及催化剂单层阻力均会有所下降。若采用30 孔催化剂，则催化剂的装填量基本不会增加，催化剂床层阻力在低温运行时整体阻力并不会明显升高。从实际应用项目的数据来看，在一定条件下，低温运行的整体压差略低于中温运行的整体压差。

2.8 烟囱防腐

烧结烟气脱硫脱硝系统常用钢烟囱进行排烟，由于采用半干法脱硫工艺，一般情况下，不考虑烟囱的防腐保护。烟气对烟囱本体的腐蚀作用可分为气态介质腐蚀和液态介质腐蚀2 种情况，其中，烟气对烟囱的液态腐蚀是烟囱遭腐蚀的主要原因。使烟囱发生液态介质腐蚀现象的必要条件：①含有腐蚀性介质的烟气；②具备烟气结露条件。正常采用CFB半干法脱硫与SCR 中温脱硝系统，末端排烟温度一般在120 ℃以上，烟温基本能稳定控制在露点温度以上。当改为采用低温窗口催化剂运行时，以200 ℃催化剂为例，末端排烟温度将降低约20 ℃，烟温基本在100 ℃左右，但依然高于酸露点，烟囱仍然可以不考虑防腐措施。当采用更低温度的催化剂运行时，如果烟气温度低于90 ℃，则烟气中的水蒸气才开始逐渐凝结，当前端脱硫设施净化效率下降时，烟气中SO3含量上升，酸腐蚀露点温度也随之上升，可能会产生一定的腐蚀现象。因此，对于采用180 ℃或更低温度的SCR 催化剂时，建议每年检修期间观察烟囱内部腐蚀情况，当腐蚀情况逐渐明显时，需进行防腐改造，可采用玻璃鳞片进行防腐。

3 中温设计、低温运行的应用

江苏省某特钢企业单台180 m2烧结机烟气脱硫脱硝系统烟气量为70 万Nm3/h，烟气中NOx含量为300 mg/m3，经脱硝后要求NOx排放浓度≤50 mg/m3。该项目建设初期采用CFB 半干法脱硫+SCR 中温脱硝方案进行建设，在项目即将投产前，改装填200 ℃低温催化剂，同时对原中温SCR 脱硝系统、氨水蒸发系统、声波吹灰器系统进行了局部改造。中温设计、低温运行改造前后的参数对比见表1。

采用以上优化方案对原系统进行局部调整后即正式投运，从项目稳定运行超过1 a的情况看，各项指标良好，定期检查时并未发现ABS 黏附或其他堵塞、中毒现象，且系统暂未进行过热解析操作。投运后烟囱总排口的NOx排放浓度平均在40 mg/m3左右，煤气单耗较原中温设计节省25%、电耗节省4%，稳定达到国家超低排放要求。中温设计、低温运行改造前后的能耗指标对比见表2。