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【技术文献】 SCR 烟气脱硝技术在宝钢股份4 烧结
发布时间:2019-04-13 15:26

  宝钢股份宝山基地4#烧结机SCR 烟气脱硝装置投运后,经过生产技术摸索与攻关,各污染物排放均达到了设计要求。其中NOx排放浓度最低达到34 mg /Nm3 ,远低于设计指标110 mg /Nm3 ,且满足国家对烧结烟气NOx超低排放( NOx≤50 mg /Nm3 ) 的要求。充分证明该技术具有适应性强、运行稳定、脱硝效率高等特点,为SCR 脱硝技术在烧结烟气协同处理中的应用提供了成功范例。

  宝山钢铁股份有限公司宝山基地炼铁厂4#烧结机为600 m2 烧结机,于2013 年11 月13 日建成投产,工程配套建设了烧结烟气脱硫装置,采用半干法循环流化床脱硫及多组分污染物协同净化工艺技术,脱硫后烧结烟气中SO2降至50 mg /Nm3 以下, 出口粉尘浓度达到20 mg /Nm3以下,但是缺少烟气脱硝装置,无法有效脱除烟气中的NOx( 以NO2计) 。烟气经脱硫后NOx排放浓度约200 ~ 550 mg /Nm3,无法满足国家NOx排放( NOx < 300 mg /Nm3 )的标准要求。

  目前,在烧结烟气脱硝方面存在着多种技术路线,如: 选择性催化还原烟气脱硝技术( SCR) 、选择性非催化还原烟气脱硝技术( SNCR) 、催化氧化脱硝技术、活性炭脱硝技术、等离子法脱硝技术、生化法脱硝技术等。其中催化还原烟气脱硝( SCR) 系统一般与脱硫系统配套成烟气综合治理设施进行应用。澳门皇冠,且系统简单,占地少,建设投资省,较适合于现有烧结机控制烧结烟气NOx达标排放的应用[1]。

  由于烧结烟气具有的主要特点有: ①烟气量大且不稳定,生产每吨烧结矿可以产生大约1 500 ~ 3 000 m3 的烟气量,烟气量的波动幅度可以达到40%; ②受烧结原料的影响,烧结烟气的成分复杂,除了SO2和NOx外,还含有HF、HCI、含铁粉尘和重金属等; ③烧结烟气中SO2和NOx的浓度相对较低,但波动较大,SO2和NOx浓度一般在300 ~ 800 ppm 和150 ~300 ppm 范围内,最高分别可达1 500 ppm 和300 ppm; ④烟气含氧量较高,含氧量一般可达15% ; ⑤含湿量大( 10% 左右) ,露点温度高( 65 ~ 80 ℃) ; ⑥烟气温度较低,一般温度范围为120 ~ 80 ℃,远远低于常规脱硝催化剂适用的温度范围( 350 ~ 450 ℃) ,脱硝难度大[2]。

  因此,针对烧结烟气的特点,为了满足2015 年1 月1 日开始实施的大气污染物特别排放限值( SO2 < 180 mg /Nm3、NOx < 300 mg /Nm3、颗粒物< 40 mg /Nm3 ) [3],宝钢股份宝山基地4#烧结机选用选择性催化还原脱硝( SCR) 技术对烟气进行脱硝处理,在原有烟气脱硫装置边上增建一套中温SCR 装置。2016 年10 月建成投运,投运以来设备运行稳定可靠、各项指标均达到了设计要求,烟气处理后NOx浓度满足国家对烧结烟气超低排放( NOx≤50 mg /Nm3 ) 的要求。

  SCR 烟气脱硝系统主要由烟气系统、GGH 换热器、加热炉系统、氨空气混合器、喷氨格栅系统、反应器催化层、蒸汽吹灰系统等组成。

  烟气系统将循环流化床脱硫系统和SCR 脱硝系统有序稳定地联系在一起。该系统通过烟气联箱、引风机、阀门和烟道等设备将经过循环流化床脱硫的烧结烟气引至催化剂反应层,净烟气通过GGH 换热器由烟囱排入大气( 见图1) 。

  ( 1) 将SCR 脱硝装置布置在静电除尘和脱硫装置之后。4# 烧结机烟气先经静电除尘后进入循环流化床脱硫装置,烧结烟气经过脱硫后进入SCR 脱硝系统。在SCR 系统内通过GGH换热器烟气温度提升至250 ℃,再与加热炉产生的热烟气混合升温至280 ℃左右进入SCR 反应器催化层进行脱硝,出来的净烟气与入口烟道内的低温烟气换热降温,经烟囱排出。

  ( 2) 设置平衡挡板调节脱硝烟气量。经过脱硫的烟气可以通过平衡挡板,一部分进入SCR 脱硝,一部分可以直接通过烟囱排出。这样,可以通过控制进入SCR 脱硝系统烟气量,调整加热炉的煤气流量和喷氨量,从而减少加热能耗、提高能源综合利用效率。

  通过GGH 换热器( 简称GGH) 对进出脱硝系统的原、净烟气进行换热,使脱硝系统需要的热量绝大部分留在脱硝系统内部循环使用( GGH 结构示意图如图2 所示) ,从而降低烟气再热需要的能量,减少加热炉的负荷要求,大大降低脱硝系统的运行费用。

  原烟气侧,烟气进入GGH 预热至约250 ℃后,进入脱硝反应器入口烟道与加热炉送来的高温烟气混合后达到280 ℃; 净烟气侧,经SCR 反应器处理后的净烟气通过GGH 换热降温至不低于100 ℃,高于烟气水蒸汽露点,因此,净烟气经过GGH 后基本没有冷凝水凝聚现象,可通过原烟囱排放。

  为防止GGH 在运行过程中,原烟气泄漏到净烟气中而影响脱硝效率,系统配置了低泄漏风机,将一部分净烟气增压送回至GGH 中部,来避免原烟气泄漏到净烟气中。

  4#烧结机设置两套SCR 烟气脱硝系统,每套脱硝系统配置一台燃气加热炉对烧结烟气进行补热。通过加热炉补热后,整个进入脱硝反应器的烟气温度不低于280 ℃,并且能保证启动和正常运行等各个工况稳定运行: 脱硝系统正常运行时,进入加热炉烟气混合段的原烟气温度为250 ℃,通过加热炉烟气的一次加热和混合,进入脱硝反应器的烟气温度达到280 ℃;脱硝系统启动阶段,进入加热炉混合段的原烟气温度不高于100 ℃,经过加热炉烟气补热及后续GGH 对进入加热炉混合段烟气的换热逐步升高进入反应器的烟气温度,最终使进入反应器的烟气温度稳定在280 ℃。该系统主要有以下两个方面的特点:

  ( 1) 热负荷配置。两台加热炉分别为两套脱硝系统进行烟气加热,每台加热炉设置一个燃烧控制段,加热炉加热能力考虑了一定的富裕能力,便于各段炉温制度的调节和加热能力提升。正常运行时加热炉的热负荷配置如表1 所示。

  ( 2) 烧嘴。采用高炉煤气直燃烧嘴,每个烧嘴配置一个点火烧嘴,点火燃料为高热值的焦炉煤气,以保证点火的可靠性。每个烧嘴配置三个火焰检测,其中一个检测点火烧嘴火焰,两个检测主烧嘴火焰,在检测到火焰熄灭时能及时切断燃气,以保证烧嘴燃烧的安全性。主烧嘴和点火烧嘴的控制通过PLC 实现,现场设置若干烧嘴控制箱,主烧嘴功率见表1。

  在启炉阶段炉温较低,系统仍处于调试阶段,点火烧嘴需要常开。而正常生产时由于加热炉炉内温度较高,可部分或全部关闭点火烧嘴以降低焦炉煤气用量。

  喷氨系统包括静态混合器和喷射格栅,并经数模计算和流场分析,以保证氨气和烟气混合均匀,达到设定目标( NH3 /NOx混合不均匀性≤5%) 。

  氨和空气在混合器和管路内借流体动力原理将二者充分混合,再将混合物导入气氨分配总管内。氨喷射系统包括供应箱、喷氨格栅和喷孔等。喷射系统配有手动调节阀来调节氨的合理分布,在对NOx浓度进行连续分析的同时,调节必要的氨量从喷氨格栅中喷出,通过格栅使氨与烟气混合均匀。

  喷射系统具有良好的热膨胀性、抗热变形性和和抗振性,喷入反应器烟道的氨气应为空气稀释后的含5% 左右NH3的混合气体。NH3和NO 的反应摩尔比不大于1,根据烟气条件及脱硝系统性能要求,4# 烧结机烟气脱硝系统氨气耗量不大于250 kg /h。

  SCR 反应器内烟气竖直向下流动,反应器进出口段设置导流板,入口处设气流均布整流装置,以保证催化剂对烟气分布、流向、温度分布等的要求。催化剂安装在反应器内并配备蒸汽吹灰器,反应器剖视图见图3。

  根据烧结烟气中粉尘浓度低、温度低等特性,且要同步脱硝脱二噁英等技术要求,采用国际先进的波纹板式催化剂。按照3 + 1 布置的方式,即初次装填3 层,预留一层加装催化剂的空间。催化剂内烟气流速范围为4 ~8 m/s,脱硝效率为80%。催化剂相关技术数据详见表2。

  SCR 反应器装置采用CFD 数值模拟试验辅助设计,合理组织反应器入口前的烟气流场,不仅有利于提高NH3 /NOx分布均匀性,削弱飞灰对催化剂的冲蚀磨损,还有利于减少飞灰在导流板、横梁及密封等装置上的堆积,改善整个装置的防堵性能。CFD 流场分析指导后,烟气动力场分布见图4,氨浓度分布见图5,反应器入口氨分布见图6。

  通过现场生产实践,对SCR 烟气脱硝系统控制优化,主要体现在以下三个方面:

  ( 1) 脱硝烟气流量控制。通过调整平衡挡板门的开度,减少进入SCR 反应器的烧结烟气量,在保证烟囱出口NOx排放浓度达标的前提下,减少高炉煤气的消耗,实现节能降耗。

  ( 2) 加热炉烧嘴运行模式优化。高炉煤气消耗降低后,提高了烧嘴使用灵活度,原设计3 用1 备的使用方式调整为2 用2 备和1 用3备,也延长了烧嘴的使用寿命。

  ( 3) SCR 原烟气压力控制。SCR 原烟气管道上增设压力检测表,通过调整SCR 引风机驱动电机频率,将原烟气压力控制在- 50 ~ 200Pa,避免引风机过抽,将脱硫灰带入SCR 系统造成烟囱粉尘排放超标。

  4#烧结机SCR 脱硝系统于2016 年10 月投运。经过生产技术摸索与攻关,烟气净化系统运行逐步稳定,2017 年4#烧结机烟气主要污染物排放实绩如表4 所示。

  由表4 可知,污染物排放浓度全面达到设计值,并明显低于特别排放限值标准。2018 年初生态环境部对钢铁行业提出了超低排放要求,即要求烧结烟气NOx排放低于50 mg /m3。为满足这一新的超低排放要求,公司在4# 烧结机SCR 装置上开展了提高脱硝效率试验,结果表明: 在4#烧结机烟气实际入口NOx浓度为280 ~320 mg /Nm3的正常生产条件下,提高喷氨量至100 ~ 130 kg /h时,烧结排放烟气NOx浓度达到了34 mg /Nm3,完全满足国家超低排放要求。

  4#烧结机SCR 烟气脱硝系统投入运行后,由于各污染物排放值远低于地区特别排放限值标准,为降低系统运行成本,生产技术人员积极摸索烟气净化系统的经济运行参数。经过攻关,除焦炉煤气消耗外,各项能源介质消耗均达到设计指标( 见表5) ,为降低烧结吨矿成本创造了条件。

  4#烧结机SCR 烟气脱硝系统催化剂按照3+ 1 布置的方式,即初次装填3 层,预留一层加装催化剂的空间。2016 年10 月投运至今,运行情况良好,尚未加装新鲜的催化剂,也没有产生废弃的催化剂。

  烧结作为钢铁企业生产的第一道重要工序,是钢铁企业成本、环保的重中之重,直接关系企业的生存发展。宝钢股份宝山基地4# 烧结机SCR 烟气脱硝技术投运后,经过生产技术摸索与攻关,各污染物排放和能源介质消耗实绩均达到了设计要求。其中,NOx排放浓度最低达到34 mg /Nm3,远低于设计指标110 mg /Nm3,且满足生态环境部新近提出的有关烧结烟气NOx超低排放标准( NOx≤50 mg /Nm3 ) 的要求。充分证明该技术拥有适应性强、运行稳定、脱硝效率高等特点,为SCR 脱硝技术在烧结烟气协同处理中的应用提供了成功范例。

  [1] 陈健. 烧结烟气氮氧化物减排技术路径探讨[J]. 环境工程,2014,32( 4) : 459 - 464.

  [2] 安忠义,詹茂华. CFB 技术用于烧结烟气脱硫脱硝的可行性探讨[J]. 烧结球团,2015,40( 6) : 53 - 58.

  [3] 龚佑发,刘江楠,谢丹丹. 适宜烧结烟气SDA 脱硫工艺的脱硝技术研究[J]. 鞍钢技术, 2016( 2) : 15 - 19.

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