烧结烟气SCR 脱硝技术探讨

陈 勇 郑鹏辉 樊彦玲

(西安西矿环保科技有限公司,陕西 西安710075)

1 概述

烧结工艺过程中氮氧化物排放量，大约占到钢铁行业氮氧化物排放总量的48%左右，大约占到氮氧化物总排放量的10%左右。近年来，雾霾导致空气质量日益恶化，国内环境形势越来越严峻，《钢铁企业超低排放改造工作方案》（征求意见稿）（2018年生态环境部发），明确规定了烧结机头烟气、以及球团焙烧烟气，在基准氧含量为16%的条件下，氮氧化物的排放限值为50 mg/Nm3，同时该文件对京津冀及周边地区亦提出了限期治理要求。因此，脱硝效率高、系统运行稳定、且无二次污染的烧结烟气SCR 脱硝技术成为近年来工业污染治理的研究重点。本文从烧结烟气成分入手，重点分析了SCR 脱硝系统技术难点和脱硝系统的影响因素，对烧结工艺末端控制具有一定的参考和借鉴价值。

2 烧结烟气理化特性

烧结是将铁矿粉、煤粉和高炉炉灰、钢渣等原料按照一定的比例混合均匀，经烧结而形成的具有一定粒度和强度烧结矿工艺过程。烧结原料来源广泛，导致烧结原料成分具有很大的不稳定和不确定性，同时因为各厂家要求不同，原料的配比也不同。因此，烧结行业排放的工业烟气，具有排放烟气量大、烟气排放温度较低且温度波动范围大、排放烟气成分复杂等特点，给烟气治理带来较大难度。在高温烧结工艺过程产生的烧结烟气理化特性如下所述：

2.1 烟气量大：烧结工艺过程中，系统的漏风量可高达40%～50%。同时，由于固体料的循环率较高，大量空气并没有经过烧结料层而直接排出，导致烧结烟气量大大增加，一般吨矿产生烟气量为4000～6000m3/t。

2.2 温度波动大：受烧结工况的变化影响，烧结烟气的温度变化范围为120～180℃。如果采用低温烧结技术，最低烟气温度可低至80℃，而烟气高温温度可瞬间高达200℃。

2.3 二氧化硫的浓度变化范围大：二氧化硫的浓度范围一般在300～800mg/Nm3之间，亦有二氧化硫浓度高达2000～4000 mg/Nm3的。

2.4 氮氧化物的浓度变化范围大：氮氧化物的浓度范围一般在150～300mg/Nm3之间， 亦有氮氧化物浓度高达500～700mg/Nm3以上的。烧结烟气氮氧化物中的一氧化氮的占量比例较大，约为94.1%～97.5%；而二氧化氮的占量比例较小，约为2.5%～5.8%。

2.5 烟气的含尘量较大：烧结烟气的粉尘主要由金属、金属氧化物或一些没有完全燃烧的颗粒物所组成，其浓度范围在80～200mg/Nm3之间。粉尘的平均粒径范围大约在13～35μm之间，大于50μm 的粗颗粒约占30%，粉尘的粘性较强，琢磨性较强。

2.6 烟气的含氧量较高：烧结烟气的含氧量较高，一般在15%左右。

2.7 烟气的含湿量较高：烧结烟气的含湿量较高，一般在10%-13%左右；其露点温度也较高，一般为65～80℃。

2.8 烧结烟气污染物成分复杂：烧结烟气中含有大量酸性气体和有毒污染物质，如硫氧化物，氮氧化物，氯化氢、氟化氢等酸性气体，以及重金属污染物以及二 噁英 /呋喃类等有毒有害物质，其中二 噁 英类污染物的含量仅次于垃圾焚烧行业。

3 烧结烟气SCR 脱硝技术原理及现状

3.1 技术原理

SCR 脱硝技术，即选择性催化还原技术，是当前国内外运行最稳定、应用最广泛的高效脱硝技术。SCR 脱硝效率高达90%以上，系统操作简单，运行稳定，对我国日益严重的环境问题，以及越来越严格的环保排放标准具有极广阔的市场空间。SCR 脱硝技术是在一定的反应条件下，以氨作为还原剂，并利用合适的催化剂（例如钒钛系的催化剂），将氮氧化物（主要为一氧化氮和二氧化氮）转化为氮气和水的反应，其化学反应式为：

由于烧结烟气氮氧化物中一氧化氮含量较大，占比约为94.1%～97.5%；而二氧化氮的含量较小，占比约为2.5%～5.8%。SCR 脱硝反应以公式（2）为主要反应。

3.2 技术难点

由于烧结烟气的温度波动范围较大，一般在120～180℃范围内，而SCR 脱硝技术的最佳反应窗口温度却在320～420℃之间，远高于烧结烟气温度。针对此问题，国内外有两种研究趋势：中低温SCR 脱硝技术和SCR 脱硝技术工艺改进。

3.2.1 中低温SCR 脱硝技术：目前市场上用于脱硝的催化剂主要有四大类，分子筛催化剂、碳基催化剂、贵金属催化剂和金属氧化物催化剂。分子筛催化剂：只有在反应温度较高时，催化剂的催化效果才比较好，而且分子筛的抗水性能和抗硫性能均较差；碳基催化剂的化学稳定性较强，但水对碳基催化剂有较强的抑制作用；贵金属催化剂的化学反应活性好，应用范围广，但反应温度的范围较窄，限值了其应用范围；金属氧化物催化剂的成本较低，化学性能良好，应用范围较广。有研究结果表明，通过引入过渡金属元素的催化剂在低温下也能有较好的催化活性，如钒、镁、锰、铁、铜、铬及镍。此外，SCR 脱硝系统的脱硝效率较高，但催化剂的价格昂贵，催化剂成本占到整个脱硝系统投资比例的30～40%，因此设计过程中要充分考虑系统的投资和运行费用。一般情况下，当设计脱硝效率在75%左右时，推荐布置两层催化剂；设计脱硝效率在50%以下时，推荐布置一层催化剂即可。

3.2.2 SCR 脱硝技术工艺改进

SCR 脱硝技术工艺改进：主要是指烟气的升温再加热，利用SCR 脱硝反应器出口的高温烟气，或者钢厂高炉煤气，对反应入口的低温烟气进行升温加热，使烟气温度处于最佳的反应温度窗口320～420℃范围内。但如果加热后烟气温度较高时，会造成催化剂烧结或者催化剂结晶，将导致整个脱硝系统设备的加大，以及整个投资增大；加热后的烟气温度较低时，系统中的副产物硫酸铵盐的粘性较大，会造成催化剂失去化学活性；而飞灰的粘结，将造成系统下游设备和管道的腐蚀和堵塞。同时因为烧结烟气粉尘颗粒的琢磨性较强，因此建议在脱硝前除尘和脱硫，即电除尘+（半）干法脱硫+布袋除尘+SCR 脱硝工艺。

烧结烟气脱硝前的一级除尘为高效电除尘技术，因烧结烟气中粉尘颗粒中含有大量的金属氧化物、金属、一些没有完全燃烧的颗粒物质、二 噁英 类污染物质组成，粉尘颗粒的浓度较大、粘性和琢磨性较强，机头电除尘可以起到预除尘的作用，大大减少了有毒有害物质进入后面脱硫脱硝副产物中，保证了后续脱硫脱硝系统的安全稳定运行。

烧结烟气脱硝前的二级除尘为高效布袋除尘技术，布袋除尘技术起到精除尘作用。布袋外过滤积累的微细粉尘层中，含有半干法的脱硫剂消石灰干粉、未捕集的重金属及二噁 英类有毒有害物质，将在二级布袋除尘器中得到进一步高效捕集，大大减少有毒有害物质的终端排放量，保证了后续脱硫脱硝系统的安全稳定运行。

烧结烟气中的硫氧化物主要来自铁矿粉、煤粉、高炉炉灰、钢渣等原料，据统计，钢铁行业排放的硫氧化物中有大约50～70%是来自于钢铁烧结工段。对脱硝前的硫氧化物的控制主要是前段低硫原料的控制，以及后器烧结脱硫技术控制。因湿法脱硫存在脱硫后烟气温度低、石膏雨、腐蚀、运行成本高等问题，目前烧结烟气脱硝前主要为（半）干法脱硫技术。

4 烟气特性对SCR 脱硝系统的影响

烧结烟气中的污染物成分复杂，不仅含有硫氧化物，氮氧化物，氯化氢、氟化氢等酸性气体，还含有由金属氧化物、金属、一些没有完全燃烧的有毒有害物质所组成的粉尘颗粒，给烟气治理系统带来了很多的影响。

4.1 烟气的腐蚀性

烧结烟气中含有硫氧化物，氮氧化物，氯化氢、氟化氢等强酸性气体，同时，烧结烟气的含湿量较大、温度变化幅度范围较大等，酸性物质遇水生成强酸物质，极易腐蚀烟道、主抽风机等设备；此外，在烧结烟气中三氧化硫与脱硝系统氨逃逸增大的情况下，将产生大量副产物硫酸氢铵，当受热面壁温低于或者接近硫酸氢铵的蒸汽露点时，硫酸氢铵将凝结在壁面而产生壁面腐蚀，硫酸氢铵和飞灰粘附性极强，极难清理。针对烧结烟气的腐蚀问题，可以通过控制烧结烟气入口温度和脱硝系统氨逃逸量等措施减轻腐蚀。

4.2 催化剂的堵塞

氨、氮氧化物、氧通过气相扩散到催化剂表面，氮氧化物和氧在催化剂发生表面反应生成氮气和水，氮气和水从催化剂表面脱附并且通过细微孔隙向外部扩散。

大量脱硝反应的副产物硫酸氢铵、以及飞灰的小颗粒在催化剂表面沉积将会引起催化剂堵塞，导致氮氧化物、氨和氧无法达到催化剂表面，致使脱硝催化剂钝化。此外，催化剂堵塞，还将引起整个脱硝系统的阻力上升，导致烧结工艺负压降低，进而影响烧结工艺产量。因此，在SCR 脱硝系统运行后，需要对系统运行的工艺参数进行实时监控，例如化学反应温度、吹扫的周期、吹扫的压力等。催化剂堵塞后可采取增加喷吹管的喷吹频次，加大喷吹管的喷吹压力，在催化剂的顶部增加网链清扫装置等措施，减少系统的积灰堵塞。

4.3 催化剂的磨损

烧结烟气入口流速过高，或者烟气所含飞灰颗粒琢磨性较强，在一定的撞击角度下，将导致催化剂的磨损。因此，在烧结工艺生产控制中，要尽量杜绝出现混料干料的现象；同时，要提高脱硝前的除尘效率，减少进入脱硝系统的粉尘量。

4.4 催化剂中毒

由于铁矿粉、溶剂和燃料的影响，烧结机机头的烟气中粉尘颗粒含钠、钾等碱金属氧化物含量偏高，氧化钾含量约为20%左右、氧化钠含量约为4%左右、氧化亚铁含量约为30%左右、二氧化硅含量约为4%左右、氧化铝含量约为2%左右、氧化钙含量约为6%左右。

烧结烟气中的钠、钾等碱金属与催化剂接触，会降低催化剂的活性；而烧结烟气中的三氧化二砷，通过气相进入催化剂表面或微细孔隙内，同样将引起催化剂活性的降低。这种由金属、金属氧化物引起的催化剂活性降低的现象即称为催化剂中毒。催化剂中毒可通过控制烧结矿原料成分，提高烧结机头除尘设备的除尘效率等措施，减少进入SCR 脱硝系统的金属及金属氧化物量，降低催化剂中毒的概率。

5 结论

烧结烟气中污染物成分复杂，运行工况不稳定，给SCR 脱硝带来了很多的负面影响。本文通过对烧结烟气成分的分析，研究对脱硝系统的影响，可以有针对性地采取一些预防控制措施，如烟气调质、提高吹扫频次和强度、提高除尘效率或增加网链装置、控制反应温度等，进而实现SCR 脱硝系统稳定运行。