烧结烟气污染物协同控制技术

吕平，郑鹏辉，雷国鹏，高燕军

烧结烟气污染物协同控制技术

吕平，郑鹏辉，雷国鹏，高燕军

（西安西矿环保科技有限公司，陕西 西安 710075）

中国是世界上最大的钢铁生产国，粗钢产量占世界粗钢总产量的51.3%。钢铁行业工艺流程长、产污环节多、污染物排放量大，目前中国钢铁产能90%以上是“高炉炼铁→转炉炼钢”长流程。在钢铁生产全流程中，铁前系统污染物排放量占总排放量的90%。烟气治理，特别是铁前系统的烧结烟气治理是当务之急。重点介绍了目前烧结烟气污染物的主流控制技术，并阐述了烧结烟气协同治理是实现烧结烟气超低排放的主要措施。

烧结烟气；污染物；超低排放；协同治理

1 引言

钢铁工业是流程工业，生产工艺环节众多。钢铁行业对环境的影响主要包括三个部分：有组织排放、无组织排放和运输环节排放。其中，烧结机头工序排放的污染物占到有组织排放的60%，钢铁企业无组织排放的颗粒物占排放总量的50%以上，汽车运输过程的排放也达到钢铁企业自身排放的20%以上。

因此，钢铁行业超低排放与燃煤电厂超低排放最本质的区别在于钢铁生产全流程所有生产环节必须全方位满足超低排放要求，烧结烟气超低排放改造的本质要求是“四全”，即全方位、全周期、全过程、全覆盖。

2018-05生态环境部发布了《钢铁企业超低排放改造工作方案》（征求意见稿），明确规定烧结机头烟气、球团焙烧烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值为10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。与现行标准相比，本次超低排放标准中钢铁行业各典型工序大气污染物排放限值均有大幅提高，其中烧结、球团工序颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度限值在现行基础上严格66.7%～83.3%，如表1所示。

表1 钢铁企业烧结工序大气污染物排放标准对比

生产单元产污工序主要污染物现行排放值/（mg·m﹣3）特别排放值/（mg·m﹣3）超低排放值/（mg·m﹣3） 烧结、球团烧结机、球团焙烧设备颗粒物504010 二氧化硫20018035 氮氧化物30030050 烧结机机尾、带式焙烧机机尾及其他生产设备颗粒物302010

2019-04，生态环境部等五部委联合印发《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，再次明确了上述排放限值和超低排放改造具体时间表，该《意见》的发布，标志着中国钢铁行业超低排放治理已经进入实质性攻坚阶段。

2 烧结烟气成分及特点

烧结是将各种粉状含铁原料配入适量的燃料和溶剂，经混合后通过烧结设备高温烧结成块的过程。烧结粉尘主要来源于原料准备过程，原料、混合料、成品的运输过程，烧结生产过程的主抽风及冷却风、鼓风过程，烧结矿的卸矿、冷热筛分过程等。

烧结烟气与其他环境含尘气体有很大区别，其主要特点是：①产生的烟气量大。每生产1 t烧结矿大约产生4 000～6 000 m3烟气。②不稳定性。烟气量、烟气温度、二氧化硫浓度受烧结工况波动影响变化范围较大。③烟气温度较高。随烧结工况变化烟气温度一般在120～180 ℃。④含湿量大。为了提高烧结料层的透气性，混合料在烧结前加水制粒，因此致使烟气中含湿量较大，水分含量一般在10%左右。⑤烟气成分复杂。由于使用铁矿石为原料，烧结烟气的成分相对比较复杂，除二氧化硫外，还含有多种腐蚀性气体和重金属污染物，包括氯化氢、氟化氢、氮氧化物等腐蚀性气体以及铅、汞、铬、锌等有毒重金属物。⑥二氧化硫排放量较大。受矿石和燃料中硫含量和烧结工况变化影响，二氧化硫排放浓度的波动范围较大，初始排放浓度一般在400～1 500 mg/m3。

3 烧结污染物控制技术

随着近年环保污染问题的日益严重，环境问题已经上升到前所未有的战略高度，与此同时，国家环保排放标准不断收严修订，各钢铁企业超低排放改造需求呈爆发式增长。对烧结烟气污染物的治理主要分为三个阶段：源头减排、过程控制和末端治理。源头减排是在保证烧结矿性能不受影响的前提下，通过对烧结原料中的硫、氮、矿物元素以及不完全燃烧的碳颗粒物等成分的控制，从源头上降低烟气中多种污染物的排放浓度，降低末端治理设备的净化压力。过程控制是在烧结生产过程中进行污染物减排，主要方法是采用烟气循环技术，去除烟气中的多种污染物，减少烟气和污染物的排放总量，并利用循环烟气中的余热，降低能耗。末端治理则是采用高效除尘器、湿法/半干法脱硫、选择性催化还原脱硝等净化设备来脱除烧结烟气中的各种污染物。《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》方案中明确了烧结烟气除尘、脱硫、脱硝等有组织排放技术路线，其中最关键是对烧结机头烟气的粉尘、二氧化硫和氮氧化物治理。烧结烟气末端治理技术，即除尘、脱硫、脱硝技术，也是对烧结烟气污染物超低排放治理最有效的方式。

3.1 粉尘颗粒物的控制

3.1.1 电除尘技术

采用高效除尘技术依然是对烧结烟气粉尘颗粒物控制的有效措施，在目前环保高压态势下，有些钢企将脱硫脱硝作为污染治理重点，认为在湿法脱硫设施后有湿式电除尘器，半干法脱硫设施后有袋除尘器，就忽视了前端电除尘。对烧结机头烟气而言，烧结机头电除尘器不仅是除尘设备，同时也是烧结工艺重要的核心工艺设备。烧结机头烟气颗粒物中含有大量重金属、二噁英等有毒有害成分，如果前端电除尘运行效果差，将导致这些有毒有害成分进入后端的脱硫副产物中；其次前端除尘效果不好，会影响后续脱硫脱硝设施的稳定运行。因此，要保证整个系统稳定运行，必须采用高效电除尘器，同时还应从除尘器选型设计、电源配置、制造和安装等方面采取措施，确保电除尘器高效、可靠运行。随着超低排放改造的深入，电除尘技术特别是提效改造技术发展仍有较大空间，电除尘器技术仍将作为烟气治理的主流设备，在包括钢铁烧结在内的非电行业超净治理中实现技术全面提升和市场全面拓展。

3.1.2 布袋除尘技术

众所周知，布袋除尘器以其除尘效率高、不受工况波动影响等诸多优点在各行业烟尘治理领域得到广泛应用。在烧结烟气超低排放处理路线中，布袋除尘器布置在活性炭脱硫脱硝装置和半干法脱硫装置后，布袋除尘器的功能有：进一步将烟气中的粉尘和固体颗粒物分离出来，在出口处产生清洁无尘烟气，起到精除尘作用；在布袋外侧不断累积粉尘层，包括消石灰干粉和活性炭，这样烟气中的污染物在半干法脱酸塔后，可以与烟气中的有害酸性气体继续进行反应，提高去除效率，同时吸附重金属及有机物等。布袋除尘器在有效去除PM10、PM2.5微细粒子的同时，还可以去除二氧化硫、汞和二噁英等其他污染物，是多污染物协同控制工艺的重要组成部分，也是当前钢铁行业超低排放和提标改造的主力装备。

3.1.3 湿式电除尘器技术

湿式电除尘器作为烟气治理工艺的终端设备布置在湿法脱硫装置后，可有效收集微细颗粒物（PM2.5、三氧化硫酸雾、气溶胶）、重金属（汞、硒、铅、铬）、有机污染物（多环芳烃、二噁英等），除尘效率可达70%～85%，有效控制脱硫塔后细颗粒物、硫酸雾滴及石膏浆液等污染物的排放，同时解决WFGD带来的“石膏雨”、蓝烟问题，缓解下游烟道烟囱腐蚀、节约防腐成本。在湿法脱硫后建设湿式电除尘器，可以作为烟囱前的最后一道技术把关措施，在实现超低排放，全面解决烟尘、PM2.5、石膏雨、三氧化硫、汞、多种重金属、二噁英及多环芳烃（PAHs）等多种污染物问题，也是钢铁企业实现超低排放的必要措施，具有广阔应用前景。

3.1.4 超净电袋复合除尘技术

超净电袋复合型除尘器是通过电除尘与布袋除尘有机结合的一种新型的高效除尘器。在收尘机理上，利用荷电粉尘在滤袋上沉积成有序排列、过滤阻力小、粉尘层疏松、易清灰。荷电粉尘同性排斥，强化了气溶胶效应，使粉尘浓度分布均匀。静电凝聚使小颗粒变成大颗粒，减少PM2.5颗粒数量，提高滤袋过滤效率。超净电袋复合除尘器在普通电袋复合除尘器的基础上，在预荷电技术及超细面层滤料技术上进一步创新，具有除尘效率高、运行稳定可靠、运行阻力低、滤袋寿命长等优点，除尘效率受烟气工况影响程度小，对粉尘比电阻有很宽的适应范围，排放浓度可以长期稳定在 10 mg/Nm3以下。超净电袋复合除尘器解决了袋除尘器阻力大、滤袋寿命短以及电除尘器排放达标困难等难题，环保和节能效益显著，成为钢铁企业实现超低排放和节能运行的有效手段，是电除尘技术和袋除尘技术的进步。

3.2 二氧化硫的控制

烧结烟气中的二氧化硫主要来源于铁矿石和煤粉等固体燃料。钢铁企业排放的二氧化硫中约50%～70%来自烧结工序，因此烧结烟气二氧化硫排放控制至关重要。通常烧结烟气二氧化硫减排和控制措施主要有低硫原料配入法、高烟囱扩散稀释法、烧结烟气脱硫法。低硫原料配入法是从源头实现控制的方法，满足复合清洁生产要求，但受资源和成本等多种条件限制往往不能完全实现。高烟囱稀释法虽能暂时解决区域二氧化硫污染，但会带来酸雨等二次污染问题，目前烧结烟气二氧化硫控制最有效的方法是烧结烟气脱硫法。烧结烟气脱硫技术可分为三种：湿法、干法、半干法。目前烧结烟气主流的脱硫技术是湿法脱硫技术和SDA旋转喷雾脱硫技术。

3.2.1 湿法脱硫技术

目前，中国已有的烧结烟气脱硫装置中，约有80%是湿法工艺。湿法脱硫工艺系统稳定可靠、效率高、工业化应用广泛、烟气处理量大、系统适应负荷变化能力强、吸收剂价格低、易得且利用率高，副产品为二水石膏，可进行回收再利用。湿法脱硫工艺的高效性、可靠性在火电燃煤锅炉烟气治理中已经得到充分证明。高效脱硫除尘除雾（尘硫一体化）技术采用双气旋脱硫增效器+多级气旋除尘除雾器相结合的方式，可有效降低液气比，提高脱硫效率，同时配合多级气旋除尘除雾器的使用，达到去除微小颗粒物、高效除尘除雾的目的。采用该技术运行的脱硫装置，可实现稳定脱硫效率99%以上，除尘效率超过70%，完全实现了烟尘和二氧化硫超净排放，彻底消除“石膏雨”“酸雨”现象，系统运行稳定、可靠性高。

3.2.2 SDA旋转喷雾脱硫技术

SDA旋转喷雾烟气脱硫技术是一项发展最成熟的烟气脱硫技术之一。该技术采用了旋转喷雾器，投资低于湿法工艺，在全世界范围内得到广泛应用，在西欧的德国、意大利等国家利用较多。SDA半干法烧结烟气脱硫技术具有快速适应烟气成分、流量、温度、二氧化硫浓度变化的特性，产物处理方便，占地面积小，投资低，运行维护成本低，非常适合烧结机烟气脱硫。

3.3 氮氧化物的控制

目前中国烧结烟气除尘、脱硫工艺都已经十分成熟，并已形成了一整套的技术路线，但脱硝应用的实例数量还较少。目前烧结烟气主流脱硝技术主要有3种形式：SCR（选择性催化还原）法、活性炭法和氧化法。由于氧化法脱硝和中低温SCR脱硝技术都不同程度存在弊端，使其应用受到一定影响。根据烧结烟气的特点，采用旋转式GGH换热器和SCR工艺相结合的方式可成功实现氮氧化物脱除率大于等于90%，是烧结烟气脱硝的可行技术，以中高温SCR脱硝技术为核心的协同治理路线也是目前烧结烟气实现超低排放的主要措施。

中高温SCR脱硝，即在催化剂的作用下，向温度为320～450 ℃的烟气中喷入NH3，利用 NH3将NO和NO2还原成N2和H2O的工艺过程，是迄今为止比较成熟、应用最广的脱硝技术，具有较高的脱硝效率，其脱硝效率可达80%～90%。目前主流技术路线有以下几种。

脱硫装置前（前置SCR）路线：SCR脱硝+湿法脱硫+湿电+消白（选装）。

脱硫装置后（后置SCR）路线：半干法脱硫+布袋除尘+SCR脱硝。

脱硫装置后（后置SCR）路线：湿法脱硫+SCR脱硝+布袋除尘。

中高温SCR脱硝技术是在燃煤锅炉烟气脱硝中应用十分成熟的脱硝技术，完全可以将其移植至烧结烟气上，关键是SCR脱硝装置前的烟气加热系统和SCR脱硝装置后的烟气换热系统的设计，但无论哪种技术工艺，在实施过程中都应考虑几方面因素：工艺技术特点、经济指标、工程条件、国家政策等。只要设计规范、工程质量过关，就可显著削减钢铁企业大气污染物排放量，实现烧结烟气的超低排放。

4 结语

烧结所使用的原料中硫、氮含量不同，烧结过程温度的波动、烧结矿产量的变化和不同的生产工艺等因素等都会影响到烧结烟气污染物的产生量，因此，对烧结烟气污染物的控制应因厂施策、因地制宜地确定烧结烟气超低排放技术路线，选择最适合的烟气净化工艺，在粉尘治理的基础上，兼顾对二氧化硫、氮氧化物、二噁英等多污染物的治理。烧结烟气作为钢铁企业大气污染的主要来源，现在乃至今后都将是钢铁企业环保治理的重点，烧结污染物协同治理技术的开发与产业化应用也是未来烧结烟气综合治理的发展方向。

［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（Suppl 1）：459-464.

［2］鲁健.烧结烟气特点及处理技术的发展趋势［J］.内蒙古科技大学学报，2012（3）： 227-230.

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.024

2095－6835（2020）09－0065－03

〔编辑：王霞〕