引言

鋼鐵生產(chǎn)在我國國民經(jīng)濟中占有重要地位,同時鋼鐵行業(yè)又是僅次于火電行業(yè)的第二大氣體污染物排放行業(yè)。生態(tài)環(huán)境部于2019年4月印發(fā)了《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》(環(huán)大氣(2019)35號),指出要對污染物排放環(huán)節(jié)以及大宗物料產(chǎn)品運輸環(huán)節(jié)進行管控。其中,超低排放的有組織排放相關(guān)要求中明確了燒結(jié)機機頭以及球團焙燒煙氣的顆粒物、SO2和NoX排放濃度(小時均值)的限值,分別為10mg/m3、35mg/m3和50mg/m3,生產(chǎn)環(huán)節(jié)中其他主要污染源的顆粒物、SO2和NoX的限值分別為10mg/m3、50mg/m3、200mg/m3。

2020年9月,習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出,中國力爭在2030年前使二氧化碳排放達到峰值,在2060年前實現(xiàn)碳中和目標。2020年12月,國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布了《新時代的中國能源發(fā)展》,文件中明確指出我國碳排放、碳中和的長遠規(guī)劃目標,即:2021—2030年,實現(xiàn)碳排放達到峰值:2031—2045年,快速降低碳排放:2046—2060年,深度脫碳,實現(xiàn)全面碳中和。隨后,我國多家大型鋼鐵企業(yè)對該政策作出響應(yīng):中國寶武于2021年1月率先提出要力爭在2023年實現(xiàn)碳達峰,2035年碳排放減少30%,2050年實現(xiàn)碳中和:河鋼集團、包鋼集團等其他鋼鐵集團也陸續(xù)發(fā)布各自的碳達峰、碳中和目標。顯然,綠色低碳發(fā)展已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點。然而,在實現(xiàn)"雙碳"目標的過程中,鋼鐵行業(yè)還面臨著諸多的挑戰(zhàn),需要更多的技術(shù)創(chuàng)新脫穎而出。

現(xiàn)有的鋼鐵燒結(jié)煙氣SCR脫硝工藝衍生于火電行業(yè)燃煤鍋爐煙氣脫硝工藝,其總體工藝路線復(fù)雜,子系統(tǒng)設(shè)備配置煩瑣,導(dǎo)致系統(tǒng)的一次投資費用高、運行能耗高。因此,有必要對現(xiàn)有的燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)進行深入研究,針對其內(nèi)部配套的各子系統(tǒng),進一步優(yōu)化其配置選型,以降低系統(tǒng)一次投資費用及運行能耗,從而在滿足系統(tǒng)NoX達標排放的基礎(chǔ)上,最大限度地實現(xiàn)節(jié)能降碳。

1燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)氨水蒸發(fā)、氨水噴射技術(shù)介紹

1.1常規(guī)氨水蒸發(fā)、氨水噴射技術(shù)

目前,在燒結(jié)煙氣NoX治理領(lǐng)域主要采用的技術(shù)路線為:活性焦一體化脫硫脫硝工藝和SCR脫硝工藝。其中,活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)一次性投資較高,且由于運行過程中需要不斷地補充活性焦,導(dǎo)致運行成本較高,另外該工藝的NoX脫除效率較低(80%左右),難以滿足NoX穩(wěn)定超低排放的要求。相較而言,SCR脫硝工藝則具有一次投資費用低、系統(tǒng)簡單、運行能耗低等顯著特點,被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各鋼廠燒結(jié)煙氣NoX超低排放領(lǐng)域。

鋼廠燒結(jié)煙氣SCR脫硝工藝原理如下:燒結(jié)煙氣依次經(jīng)過靜電除塵及脫硫后,首先進入回轉(zhuǎn)式換熱器(GGH),GGH換熱元件將所攜帶熱量傳遞給原低溫煙氣(50~55℃),使其溫度升高至250℃,換熱后的高溫煙氣與熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣(800~1000℃)進一步混合,使其溫度進一步升高至280℃,然后進入SCR脫硝反應(yīng)器區(qū)域,在催化劑表面,NoX與噴入的NH3發(fā)生催化還原反應(yīng),NoX被脫除,凈化后的煙氣繼續(xù)通過GGH,將熱量重新傳遞給換熱元件,換熱元件再將熱量周而復(fù)始地傳遞給低溫煙氣,以達到節(jié)能環(huán)保、

熱量循環(huán)利用的目的,最后凈化后的煙氣經(jīng)過增壓風(fēng)機后達標排放。

具體工藝路線為:燒結(jié)機二機頭電除塵器二主抽風(fēng)機二脫硫吸收塔(布袋或濕電)二GGH換熱器(原煙氣段)二熱風(fēng)爐加熱二SCR脫硝反應(yīng)器二GGH換熱器(凈煙氣段)二增壓風(fēng)機二煙囪排放。其具體工藝流程如圖1所示。

出于安全政策的要求以及鋼鐵行業(yè)實際生產(chǎn)工藝的限制,大部分鋼鐵燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)均采用氨水(20%濃度)作為還原劑。氨水蒸發(fā)需要采用獨立設(shè)置的氨水蒸發(fā)器,氨水蒸發(fā)所需熱源取自于SCR反應(yīng)器后280℃的高溫凈煙氣,氨水蒸發(fā)后產(chǎn)生的氨氣通過獨立設(shè)置的噴氨格柵噴射至反應(yīng)器入口煙道內(nèi),經(jīng)圓盤混合器與原煙氣混合后,再進入SCR反應(yīng)器內(nèi)部,在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置的催化劑表面發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng),從而達到脫除煙氣中的NoX,實現(xiàn)NoX超低排放的目的。

系統(tǒng)需獨立設(shè)置氨水蒸發(fā)器、噴氨格柵、稀釋風(fēng)機及配套管路、閥門、電控系統(tǒng)。

1.2技術(shù)分析

現(xiàn)有氨水蒸發(fā)、氨水噴射技術(shù)存在以下缺點:

(1)系統(tǒng)配置復(fù)雜,稀釋風(fēng)機、氨水蒸發(fā)器等設(shè)備運行故障率高,導(dǎo)致系統(tǒng)檢修頻率高,影響整個SCR系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

(2)系統(tǒng)一次投資費用高,且運行能耗高。

(3)SCR系統(tǒng)停機后容易導(dǎo)致煙氣冷凝酸液倒灌至稀釋風(fēng)機,造成稀釋風(fēng)機本體及管路系統(tǒng)腐蝕,影響系統(tǒng)的安全運行。

2氨水蒸發(fā)及噴射一體化技術(shù)介紹

2.1技術(shù)原理及工藝路線

本文提出了一種適用于燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)的氨水蒸發(fā)及噴射一體化技術(shù),其系統(tǒng)配置簡單,一次投資費用低,運行能耗低,在充分實現(xiàn)氨水高效蒸發(fā)及氨氣均勻噴射、氨氮均勻混合的基礎(chǔ)上,可以有效降低脫硝系統(tǒng)總體一次投資費用及運行能耗,并且能夠提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,實現(xiàn)高效節(jié)能降碳的目的。

現(xiàn)有的燒結(jié)SCR脫硝技術(shù)采用280℃中低溫脫硝反應(yīng),而燒結(jié)煙氣出口溫度僅為130~180℃,經(jīng)過脫硫裝置后溫度進一步降低,因此,熱風(fēng)爐為燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)所必備的補燃加熱裝置。熱風(fēng)爐通常以高爐煤氣為燃料,高爐煤氣在爐膛內(nèi)充分燃燒后,形成800~1000℃的高溫熱煙氣,通過熱風(fēng)爐出口設(shè)置的熱風(fēng)支管鼓入反應(yīng)器入口煙道,與煙道內(nèi)低溫原煙氣混合,從而提高催化劑表面煙氣溫度(≥280℃),以滿足SCR脫硝反應(yīng)所需要的溫度。

本技術(shù)將氨水噴槍直接均勻布置于熱風(fēng)爐出口熱風(fēng)支管上,熱風(fēng)支管水平布置于SCR反應(yīng)器入口煙道上,且各支管上均勻布置了熱風(fēng)噴嘴。熱風(fēng)爐通過燃燒高爐煤氣產(chǎn)生800~1000℃的高溫熱風(fēng),高溫熱風(fēng)通過熱風(fēng)爐出口設(shè)置的4~8支熱風(fēng)支管進行均勻分配,熱風(fēng)支管及噴嘴均采用310s耐高溫材質(zhì),確保了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

同時,為確保熱風(fēng)爐系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,避免爐膛熄火而影響SCR脫硝反應(yīng)及氨水蒸發(fā),爐膛設(shè)置長明火裝置,采用高熱值的焦爐煤氣作為長明火熱源。此外,氨水輸送泵與熱風(fēng)爐系統(tǒng)間設(shè)置聯(lián)鎖,當熱風(fēng)爐系統(tǒng)故障停運時,氨水輸送泵停止運行,SCR脫硝系統(tǒng)停止噴氨:當熱風(fēng)爐系統(tǒng)重新啟動時,氨水輸送泵再次運行,SCR脫硝系統(tǒng)開始噴氨。

熱風(fēng)支管內(nèi)襯陶瓷纖維耐火材料(耐溫1400℃),外覆隔熱硅酸鋁材料。其管徑按照高溫熱風(fēng)流速設(shè)計規(guī)范要求進行選擇,通常流速取20~30m/s,此流速在滿足合理降低熱風(fēng)支管材料費用的前提下,又避免了熱風(fēng)流速過高嚴重沖刷內(nèi)襯陶瓷纖維模塊而造成其脫落。一方面,采用專業(yè)的流場模擬,結(jié)合各熱風(fēng)支管內(nèi)熱風(fēng)CFD流場模擬效果,選擇出最佳的煙氣流速,進而確定熱風(fēng)支管直徑,確保每個支管內(nèi)的熱風(fēng)均能高效均勻鼓入反應(yīng)器入口煙道:另一方面,采用應(yīng)力有限元分析軟件,對各熱風(fēng)支管進行應(yīng)力分析,根據(jù)分析結(jié)果,合理設(shè)置固定支座、導(dǎo)向支座、波紋管,降低管殼應(yīng)力,避免高溫運行產(chǎn)生不可逆的形變。

熱風(fēng)噴嘴口徑按照噴氨格柵噴嘴設(shè)計規(guī)范要求的噴出流速選擇合適的大小,通常噴出流速取20~25m/s。同時,結(jié)合熱風(fēng)噴設(shè)點后煙道靜態(tài)混合器區(qū)域以及整個反應(yīng)器入口煙道內(nèi)煙氣系統(tǒng)CFD流場模擬效果,在滿足煙氣最佳速度流場及溫度流場分布的前提下,最終確定熱風(fēng)噴嘴口徑大小以及各噴嘴之間的間距。具體工藝流程如圖2所示。

2.2技術(shù)特點及優(yōu)勢

本技術(shù)采用氨水蒸發(fā)及噴射一體化裝置,相對于傳統(tǒng)的燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)氨水蒸發(fā)、氨水噴射裝置,其具有以下技術(shù)優(yōu)勢:

(1)系統(tǒng)簡單,一次投資費用低。該裝置無須單獨設(shè)置氨水蒸發(fā)器、噴氨格柵、稀釋風(fēng)機及配套的管路、閥門、電控系統(tǒng),以180m2燒結(jié)機脫硝系統(tǒng)為例,可減少一次投資費用約30萬元,同時可有效降低系統(tǒng)故障率,減小系統(tǒng)檢修頻率。

(2)系統(tǒng)運行穩(wěn)定,運行能耗低。該裝置與熱風(fēng)加熱系統(tǒng)完美結(jié)合,無須額外增加任何動力設(shè)備,以180m2燒結(jié)機脫硝系統(tǒng)為例,若采用常規(guī)氨水蒸發(fā)裝置,系統(tǒng)配套兩臺稀釋風(fēng)機(一用一備),單臺電機電功率為132kW:若采用該裝置,無須設(shè)置稀釋風(fēng)機,系統(tǒng)運行每小時電耗可降低110kW·h。

2.3技術(shù)應(yīng)用情況

目前,燒結(jié)煙氣SCR脫硝氨水蒸發(fā)及噴射一體化技術(shù)已在山西宏達鋼鐵100m2燒結(jié)機SCR脫硝系統(tǒng)、山西銘福鋼鐵220m2燒結(jié)機SCR脫硝系統(tǒng)和山西東方資源100mm燒結(jié)機SCR脫硝系統(tǒng)上實現(xiàn)了良好的應(yīng)用,該系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定,設(shè)備故障率低,氨水蒸發(fā)及噴射效果良好,可在確保整個SCR脫硝系統(tǒng)出口R0X超低排放的同時減少氨逃逸。

其中,山西東方資源100mm燒結(jié)機SCR脫硝項目于m0m0年lm月投運至今,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,出口R0X濃度始終穩(wěn)定在達標排放)<50mg/Rm3)范圍。系統(tǒng)設(shè)計煙氣量660000m3/h,R0X原始濃度300mg/Rm3,排放指標50mg/Rm3,氨水耗量170kg/h。

與常規(guī)氨水蒸發(fā)及氨水噴射技術(shù)相比,該項目因未獨立設(shè)置氨水蒸發(fā)器、噴氨格柵、稀釋風(fēng)機及配套管路、閥門、電控系統(tǒng),一次投資費用降低約m4萬元,且每小時可節(jié)省稀釋風(fēng)機電耗67kw·h,進一步減少了投資成本與碳排放。

3結(jié)語

面對鋼鐵燒結(jié)領(lǐng)域日益嚴苛的污染物超低排放要求及國家碳達峰、碳中和政策要求,現(xiàn)有的燒結(jié)煙氣SCR脫硝技術(shù)需不斷優(yōu)化創(chuàng)新,對系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,以提高SCR脫硝系統(tǒng)的運行效率,降低系統(tǒng)能耗。

而本文介紹的燒結(jié)煙氣SCR脫硝氨水蒸發(fā)及噴射一體化技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、運行穩(wěn)定、一次投資費用低、運行能耗低等顯著技術(shù)優(yōu)勢,且已在部分燒結(jié)煙氣SCR脫硝項目中成功應(yīng)用。未來,該項技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于燒結(jié)煙氣SCR脫硝領(lǐng)域。