烧结烟气脱硫脱硝技术新趋势的探讨

呼广辉

北京中航泰达环保科技股份有限公司

1 引言

2016年以来，无论地方层面还是国家层面的环保主管部门，均陆续发布了若干钢铁工序烟气污染物的超低排放标准。以钢铁大省河北省为例，在2018年下半年，发布了《钢铁工业大气污染物超低排放标准》，该标准规定烧结烟气、球团烟气中的粉尘颗粒物、SO2和NOx 排放限值不得超过10、35 和50 毫克/立方米（标况、干烟气，16%的基准氧含量），并要求河北省现有企业从2020年10月1日开始执行该排放标准[1]。

国家烟气污染物排放标准越来越严格，使单一污染物的环保治污难度越来越大，逐渐使钢铁行从单纯依靠除尘、脱硫和脱硝等终端处理方式转变为在污染物产生源头和污染物产生过程进行处理转移，并且不再只注重污染物单一处理

2 烧结烟气多污染物排放特征分析

烧结过程所释放的SO2气体主要是由含铁原料和燃料中的硫化物氧化生成，随燃烧过程进行SO2的持续释放，随烧结温度、时间、助燃空气氧含量和燃料颗粒尺寸等因素而变化。烧结烟气中的SO2的排放具有自持性规律，该规律认为当烧结过程中燃料用量，烧结原料水分、含硫量以及烧结矿酸碱度在正常范围内无论如何变动时，在接近烧结烟气温度峰值即烧结终点前，烟气中SO2浓度都会出现明显峰值。

烧结烟气中释放的NOx，其中有95%左右的NOx 为NO[2]。在烧结过程中，烧结机各风箱烟气中NO 的浓度比较均衡，且数值均较高。为降低NO排放浓度，可采取提高烧结矿碱度或者加厚烧结料层厚度的方法，创造有利条件生成更多CaO·Fe2O3，从而实现催化CO还原NOx的效果，减少烟气中NOx的排放。

在烧结过程中，气体燃料、煤及焦炭燃烧过程产生COx，烟气中呈现出一种COx浓度先快速上升，然后下降后稳定，小幅波动的趋势。当达到烧结终点时，烧结烟气中氧含量恢复至21%左右，COx浓度接近于零[3]。

3 烟气多污染物控制技术

钢铁企业烧结机烟气污染物主要有三种治理思路：减少源头污染物产生量、减少过程释放量和减少末端排放量。其中，减少末端排放量是最为常见的思路[4]。

3.1 减少源头污染物产生量

源头减排技术主要包括：烧结机漏风治理技术和厚料层烧结技术，二者各有特点。

3.1.1 烧结机漏风治理技术

由于烧结机台车栏板、烧结机风箱及支管等位置密封不严，在烧结主抽风机负压作用下，导致有部分空气自不经过烧结料层进入烧结机主烟道中，导致烧结烟气量增大、烧结主抽风机功耗增加、有效进风量减少及烧结矿烧结不完全，影响烧结矿的品质和产量。为了减少烧结机漏风，可采取改进台车装备、加强设备维护、精心操作的方式。

3.1.2 厚料层烧结技术

保持较高的铺料厚度进行烧结，延长点火时间和高温烧结时间，有利于充分为烧结料层表层供热，降低冷却强度、提高烧结矿强度，减少返矿率，从而减少污染物排放；降低FeO含量，改善其还原性；节约固体燃料消耗，从而直接减少了燃料燃烧所造成的污染物排放[5]。

3.2 减少过程释放量

3.2.1 烧结料面喷吹蒸汽技术

该技术利用蒸汽引射空气，实现以下益处：增加烧结料面进风量，强化烧结过程，使燃烧充分，减少一氧化碳的产生；改变烧结料层中含氯产物形态，减少二噁英的产生；改善烧结过程，提高产量和质量[6]。

3.2.2 选择性烧结烟气循环技术

由于烧结机各风箱烟气温度、压力、流量及污染物排放不同，因此，可优选并汇总若干风箱烟气返回到烧结机料面，用于热风烧结等[7]。循环烟气由烧结机风箱引出，经除尘系统、循环主抽风机、烟气混合器后通过密封罩，返回到烧结机料面，在负压作用下，进入烧结料层。经过一系列的物理、化学过程，包括高温循环烟气与烧结料层的热交换、CO 的二次燃烧放热、二噁英的高温分解以及NOx的催化还原，实现减少污染物排放、释放烟气热量，减少燃料使用量，改善烧结过程，提高烧结矿料层温度均匀性和破碎强度等理化指标，实现节能、减排、提产多功能耦合。

3.3 减少末端排放量

目前，主要通过脱硫、除尘和脱硝技术来减少末端排放量。钢铁行业实施超低排放后，传统除尘技术难以满足排放要求。目前主要采用湿法脱硫配置湿式电除尘工艺，或者半干/干法脱硫配布袋式除尘器以满足粉尘超低排放。

脱硫技术有湿法、干法和半干法等。湿法脱硫技术成熟，投资和运维成本低，但废水和白烟问题严重；干法/半干法技术可脱除多种非常规污染物，但副产物处理困难；活性炭法可同时脱除多种污染物，但对企业资金压力较大。因此，烧结机烟气处理建议选择干法/半干法技术。

钢铁烧结烟气脱硝工艺路线主要有低温氧化-吸收法、低温SCR还原法和活性焦脱硫脱硝一体化法。

臭氧低温氧化吸收法[8]装置占地面积小、建设成本低、但是运行成本相对较高。并且由于臭氧氧化反应最适宜在90℃～130℃发生[9]，低于烧结烟气普遍温度120℃～180℃，因此会导致部分臭氧自动分解为氧气，从而降低臭氧浓度，减弱臭氧氧化效果。

由于烧结烟气温度低、粉尘浓度大、黏性大，含有重金属等其他特点，在SCR 脱硝技术应用过程中，如处理不当，极易引起催化剂中毒[10]，因此工程应用中一般把SCR脱硝放在脱硫后，且在SCR 反应器之前，增设补热装置，将烟气加热至220℃以上。该技术煤气消耗量大，成本高。

活性焦脱硫脱硝一体化法，利用活性焦的变温吸附能力，在低温时通过物理和化学吸附作用，吸附烟气中的NOx，然后催化NH3与NOx发生氧化还原反应，生成无害物质，并且实现脱除污染物的目的，但是该方法投资高，运行费用较大。

4 烟气多污染物协同控制技术应用实践及理论探索

近几年，随着国家对烟气污染物排放标准的持续加严，使人们对烟气多污染物协同控制技术越来越重视，从工程实践和理论探索方面均做了大量工作，目前主要有两种技术路径：第一种路径为烧结烟气循环联合末端活性焦多污染物协同控制技术、第二种路径为烧结烟气循环联合循环流化床脱硫及臭氧预氧化脱硝协同控制技术。

第一种路径，脱硫脱硝技术可实现多种污染物协同脱除，但是实施该技术的成本，与烟气量成正相关关系，且影响很大，烟气循环技术恰好能解决这个问题。如图1所示为河钢集团邯郸钢铁厂360m2烧结机利用该一体化技术工艺流程图。经过测算，该协同控制技术可减排烟气量约26%，CO 和NOx 减少20%以上。且运行期间粉尘、SO2和NOx 的排放浓度，分别为3mg/m3～7mg/m3、2.5mg/m3～7.5mg/m3、30mg/m3～45mg/m3，达到超低排放，无设备检修，技术成熟可靠。应用该技术后，减少排污费760万元/年，减少固体燃料消耗约3kg/t矿，每年创造1.3亿元效益。副产物浓H2SO4可达18000t/年，年创造效益约2600 万元。烧结矿产量提高百分比＞1%，产生效益约2500 万元/年。秋冬季可避免限产，产量约140万吨/年，每年创造效益约2亿元，合计创造经济效益约4亿元/年[11]。

图1 技术路径1

烧结烟气循环联合循环流化床脱硫及臭氧预氧化脱硝协同控制技术为技术路线2，如图2 所示，是综合利用了烧结烟气循环技术减排烟气量，循环流化床脱硫技术无废水产生且投资运行成本低，臭氧预氧化SCR脱硝技术脱硝效率高的特点，组合而成的协同脱除技术路线。

该路线中，烧结烟气循环采用纯氧补充循环烟气中氧含量，相比于常规技术，可减少30%以上的外排烟气总量，可更大程度降低后续烟气净化系统工作负荷，降低脱硫脱硝装置的投资和运行成本。

臭氧预氧化脱硝技术，臭氧发生装置产生臭氧并喷入烧结烟气中，利用臭氧的强氧化性将NO 部分氧化为NO2，通过调节O3/NO 摩尔比，调节烟气中NO/NO2的摩尔比例到0.95～1.05 左右[12]。当该比例≈1 时，NO 和NO2会在脱硝催化剂中发生快速SCR 反应，为标准SCR 反应活性的1.4 倍，催化剂用量为原用量的70%左右，经过计算，快速SCR反应可以延长现有催化剂寿命约23000h，延长催化剂的更换周期941d[13-15]。显著减小SCR 反应器规模和催化剂体积，大大降低脱硝系统的投资和运行成本。

图2 技术路径2

5 结论与展望

本文章所列举的烟气污染物排放技术，均能达到超低排放效果，但又各有各的特点，针对以上技术，提出以下意见和建议：（1）本着污染物协同脱除原则，建议对于新建烧结机，建设环保设施时，考虑第一种或第二种技术路径。（2）对于已建烧结机，如果现有湿法脱硫装置，为更好地实现脱硫脱硝效果，应选择臭氧低温氧化脱硝与之配合。（3）对于已建烧结机，如果现有半干法脱硫装置，应选择臭氧低温氧化脱硝技术或者后置SCR 技术。（4）考虑到后续环保标准会愈发严格，因此应尽可能地把源头、过程与末端治理结合起来。