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北極星大氣網訊:摘要：焦爐煙氣中存在的大量SO2和NOx是形成酸雨和霧霾的主要汙染物。為了落實當前環保生產的基本國策,對焦爐煙氣進行脫硫脫硝除塵處理已成為各大企業的當務之急。主要研究了SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝除塵工藝在實際工程中的應用,該工藝效率高,副產品少,抗衝擊能力強,是目前國際上一種較為先進的焦爐煙氣淨化處理技術。採用SDS+SCR工藝對鞍鋼股份有限公司煉焦總廠8號焦爐煙氣進行脫硫脫硝處理,實際結果表明,當設備入口處焦爐煙氣中SO2、NOx和粉塵的平均質量濃度分別為83.84、439.67和18.43mg/m3時,出口處煙氣中3種汙染物的質量濃度分別低於30、150和5mg/m3,滿足GB 16171—2012中的排放要求。研究可以為焦化行業的汙染物治理提供可鑑方案和經驗。
隨著中國社會經濟的不斷發展和進步，能源消費結構誘發的環境汙染現狀日益嚴重，其中溫室效應、酸雨、大氣煙塵汙染等對人民的生產和生活造成了重的危害。鋼鐵工業是中國工業領域主要排汙大戶之一，2015年其SO2、NOx和粉塵的排放量分別為173.6萬、104.3萬和357.2萬t，佔全國重點調查工業企業排放量的比例分別為12.4%、9.6%和32.2%。
焦化是鋼鐵生產過程中汙染較為嚴重的工藝環節之一，在焦爐的生產過程中會產生大量含有粉塵、SO2、NOx等有害物質的廢氣，所以必須對焦爐煙氣進行綜合處理。如今中國對焦化行業SO2和NOx等汙染物排放要求日趨嚴格，焦爐煙氣的治理已經成為鋼鐵企業環保達標的重中之重。如何對焦爐廢氣進行脫硫脫硝處理已經成為中國環保領域以及世界能源領域需要解決的主要問題。
目前國內外常用煙氣脫硫技術有很多，按照脫硫方式和產物形態的不同，煙氣脫硫技術可分為溼法、半乾法、幹法三大類。溼法脫硫代表性的有以NaOH 為脫硫劑的美國貝爾格(Belco)公司的EDV工藝;半乾法和幹法脫硫工藝則多用鈣基脫硫劑，半乾法的代表工藝有德國魯奇公司(Lurgi)的循環流化床工藝，幹法的代表工藝有爐內噴鈣加尾部增溼活化器脫硫工藝(LIFAC)。煙氣脫硝技術總體也分為幹法和溼法兩大類。幹法脫硝技術有選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化還原法(SNCR)、等離子體法以及吸附法。主要的溼法脫硝技術包括鹼液吸收法、氧化吸收法、還原吸收法等。為減少焦爐煙氣中SO2和NOx等汙染物的排放，滿足國家環保要求，更好地改善大氣環境質量，鞍鋼集團工程技術有限公司率先在實際工程中應用了國際上較為先進的「SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝除塵」工藝技術。
本文即該工藝在實際工程中的應用，利用「SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝除塵」工藝技術對鞍鋼股份有限公司煉焦總廠8號焦爐煙氣脫硫脫硝處理。
1 工藝原理及流程
1.1 SDS幹法脫硫工藝原理
20世紀80年代，比利時開發出了SDS幹法脫酸噴射技術。通過高效的SDS幹法脫酸噴射及均布裝置，脫酸劑(粒度為20～25μm)在煙道內被熱激活，比表面積迅速增大，與煙氣充分接觸，發生物理、化學反應，煙氣中的SO2等酸性物質被吸收淨化。
完成的主要化學反應見式(1)和式(2)：
2NaHCO3+SO2+1/2O2→Na2SO4+
2CO2+H2O (1)
2NaHCO3+SO3→Na2SO4+2CO2+H2O (2)
與其他酸性物質(如HCl、HF等)的反應見式(3)和式(4)：
NaHCO3+HCl→NaCl+CO2+H2O (3)
NaHCO3+HF→NaF+CO2+H2O (4)
SDS脫硫工藝具有操作簡單易維護、一次性投資少、佔地面積小、運行成本低、全乾系統無需用水、脫硫效率高等特點，並且該工藝具有良好的調節特性，脫硫裝置的運行及停運不影響焦爐的連續運行，脫硫系統的負荷範圍與焦爐負荷範圍相協調，可以保證脫硫系統可靠和穩定地連續運行。
目前SDS幹法脫酸技術應用在許多行業，包括焦化、燃煤電廠、危險廢物焚燒爐、柴油發電等，都取得了很好的淨化效果。
1.2 SCR脫硝工藝原理
選擇性催化還原(SCR)法如圖1所示，即在裝有催化劑的反應器內用氨作為還原劑來脫除氮氧化物。煙氣中的NOx一般由體積分數約為95%的NO和5%的NO2組成。NOx經脫硝反應轉化成分子態的氮氣和水蒸氣。
SCR工藝主要反應方程式見式(5)和式(6)：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (5)
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O (6)
由於焦爐煙道煙氣脫硫後屬於中低溫脫硝範疇，所以SCR工藝採用中低溫脫硝催化劑，該催化劑具有催化反應溫度窗口寬、SO2轉化率和NH3逃逸率低、抗硫性好、脫除效率高、比表面積大、結構強度高、壽命長等特點。
1.3 工藝流程
焦爐煙氣分別由地下機側和焦側煙道引出，經原煙氣管道閥門和新增入口管道閥門切換並匯合後，進入總煙氣管道，在總煙道內，通過高效的SDS幹法脫酸噴射及均布裝置，使脫酸劑與焦爐煙氣充分接觸，發生物理、化學反應，煙氣中的SO2等酸性物被吸收淨化。經吸收SO2等酸性物質並乾燥的含粉料煙氣進入布袋除塵器進行進一步的脫硫反應及煙塵淨化;脫硫除塵後的煙氣由SCR脫硝反應器進行脫硝淨化，煙氣中的NOx與SCR反應器內噴氨格柵噴出的NH3在靜態混合器裡進行充分混合，並在中低溫催化劑的作用下與NH3發生反應，生成N2和H2O，從而達到去除煙氣中的NOx的目的，淨煙氣由增壓風機抽引，經出口煙道至原焦爐煙囪排入大氣，整套工藝的流程圖如圖2所示。
另外，在實際工程應用中會加設加熱爐，當煙氣溫度較低時，通過煤氣燃燒加熱焦爐煙氣，提高後續的脫硝反應效率。在焦爐煙氣管道原有2臺地下擋板閥旁，新建配重式地下閘板閥，該閥門具有氣動、手動及電動控制功能。增壓風機與焦爐煤氣加熱系統設置連鎖，遇停電等原因造成風機故障不能正常排放廢氣時，焦爐交換機停止加熱;同時，配重式插板閥的電磁閥打開，氣缸驅動吊鉤脫鉤，配重裝置落地，閥門2s內快速打開，煙氣迅速切換到熱備煙囪排放，焦爐交換機恢復煤氣加熱。
2 項目概況及運行效果
2.1 技術參數
項目中的焦爐煙氣條件見表1，單套SDS+SCR脫硫脫硝裝置的焦爐煙氣處理能力要達到煙氣量14.8萬m3/h(考慮5%洩漏率)。焦爐煙氣經過淨化處理後要求煙囪出口排放質量濃度達到SO2不高於30mg/m3，NOx不高於150mg/m3，粉塵質量濃度不高於15mg/m3，滿足GB 16171—2012《煉焦化學工業汙染物排放標準》中的特別排放限值要求。
2.2 主要系統和設備組成
SDS+SCR焦爐煙氣脫硫脫硝系統主要由SDS脫硫系統、SCR脫硝系統、除塵系統、脫硝劑供應及儲存系統等部分組成，還包括儀表、通信、供配電、在線監測、消防與控制系統等。主要系統的設備組成見表2。
其中SDS脫硫系統中所用的脫硫劑為高效複合脫酸劑，粗粉粒度為300～500μm，使用時將其研磨成粒度為20～25μm 細粉再噴入焦爐煙氣管道，可以有效提高反應效率，優化處理效果。系統運行過程中脫硫劑的用量為30～80kg/h，脫硫劑的過量係數為1.1。
SCR脫硝反應器由殼體、內部支撐、導流整流裝置及密封裝置等組成。優化脫硝裝置使得煙氣在反應器內分布均勻，同時該設計可以最大化地降低煙氣阻力，避免積灰。SCR脫硝反應器的入口及出口處採用了優化設計的導流板均布技術，以保證煙氣在進入第一層催化劑時滿足下列條件：速度最大偏差範圍為平均值的±15%;溫度最大偏差範圍為平均值±10℃;煙氣入射催化劑最大角度(與垂直方向的夾角)範圍為優於±10°;NH3/NOx的物質的量比絕對偏差範圍為平均值的±5%。脫硝反應器內的催化劑支撐鋼梁設置為3層(層間距離不小於2.5m)。由下至上依次為2個工作層以及1個預留層，脫硝催化劑體積為30m3。
2.3 溫度對脫硫脫硝的影響
在脫硫脫硝的過程中溫度是一個重要的影響因素，尤其對脫硝效率有較大影響，所以在系統調試階段對不同溫度的處理效率進行了分析。圖3所示為溫度對SDS+SCR工藝脫硫脫硝性能的影響。由圖3(a)可知，當溫度低於180 ℃時，脫硝率低於30%;但是隨著溫度的不斷升高，脫硝率有明顯提升，當溫度升高到210 ℃左右，脫硝率約為85%。由圖3(b)可知，當溫度升高到140℃以上，脫硫率約為93%，脫硫效果良好。這是由於溫度的升高可以有效地提高脫硝催化劑的活化性能，加速脫硝反應的進行，對NOx的處理更加完全。同時，高溫可以使脫酸劑被熱激活，其比表面積迅速增大，可以更高效地吸收煙氣中的SO2等酸性物質，提高脫硫效率。
2.4 實際運行情況
鞍鋼股份有限公司煉焦總廠8號焦爐自採用「SDS+SCR」工藝以來，設備運行正常穩定，煙氣脫硫脫硝除塵效果較好。設備的實際運行效果如圖4所示。
焦爐煙氣中SO2的處理效果如圖4(a)所示，在近3個月的運行過程中，入口SO2質量濃度平均為83.84mg/m3，出口SO2質量濃度低於30mg/m3，去除率最高可達到85.91%。圖4(b)所示為焦爐煙氣中NOx的處理效果，平均入口質量濃度為439.67mg/m3，可以保證出口質量濃度低於150mg/m3。圖4(c)所示為焦爐煙氣中粉塵的處理效果，平均入口質量濃度為18.43mg/m3，去除率基本保持在85%左右。由此可知，「SDS+SCR」工藝煙氣脫硫脫硝系統投用後，焦爐煙氣中各種汙染物的濃度下降較為明顯，該套系統能夠實現預期的目標需求，在結合經濟性的同時可以滿足所在地區的規定排放限值。
同時，從圖4中可以發現，在運行過程中，焦爐煙氣的汙染物濃度波動較大，但排出氣體的汙染物濃度穩定且符合相關排放標準，這說明「SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝除塵」工藝的處理效果好、穩定性高，同時也具有較強的抗衝擊能力。
2.5 工藝效果探究
隨著近些年國家對環境汙染的不斷重視，環保排放標準也更為嚴格。所以在設計SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝系統的同時也考慮了設計餘量。在正常運行條件下，通過提高脫硫劑和脫硝催化劑的用量可以有效地提高該系統的脫硫脫硝效率。為了進一步測試SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝工藝的脫硫脫硝效果，對該系統進行了探究試驗。煙氣中各汙染物的去除率如圖5所示。試驗過程中系統入口煙氣SO2、NOx和粉塵的質量濃度均值分別為69.76、450.25和10.13mg/m3，處理後可以保證排出氣體中SO2質量濃度低於15mg/m3，NOx質量濃度低於90mg/m3，粉塵質量濃度低於3mg/m3。由此可知，該系統的設計餘量比較充足，通過嚴格控制該系統可以滿足較高的排放指標要求。
3 工藝對比
對焦爐煙氣進行脫硫脫硝的工藝有許多種，目前國內外實際工程中主流的焦爐煙氣脫硫脫硝方案除了本文中所採用的SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝工藝外，還有SDA(Na)半乾法脫硫+中低溫SCR脫硝、SDA(Ca)半乾法脫硫+GGH-中低溫SCR脫硝、SCR脫硝+SDA半乾法脫硫、SCR脫硝+氨法脫硫、活性炭幹法脫硫脫硝等。對比分析以上6種焦爐煙氣脫硫脫硝工藝的優缺點見表3。
根據對以上多種脫硫脫硝工藝進行綜合比較，發現SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝工藝具有其特有的優勢，更適合焦爐煙氣淨化。從工藝技術的先進性來看，該工藝具有較高的脫硫脫硝效率，工藝技術簡單實用、佔地小、投資少、副產物少且硫酸鈉含量高，便於利用。
SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝工藝是目前國際上較為先進的一種脫硫脫硝工藝。通過合理的操作，可以確保脫硫脫硝系統長期、安全、穩定、連續地達標運行。
4 結語
SDS幹法脫硫+中低溫SCR脫硝除塵工藝技術在鞍鋼股份有限公司煉焦總廠8號焦爐投用以來，設備運行穩定，焦爐煙氣淨化效果好。焦爐煙氣中的汙染物組分顯著降低，均達到國家相關排放標準。該工藝技術得到了企業和當地環保部門的肯定，同時也為焦化行業的汙染物治理提供了可借鑑方案和經驗。
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