烧结烟气脱硝SCR 工艺补燃系统节能降碳的探索

王 超，岳 勇，甄 众，邹宗来，董云江，王贺建

（1.北京永博洁净科技有限公司，北京100012；2.北京龙源惟德能源科技有限公司，北京100071；3.天津市新天钢联合特钢有限公司，天津301500）

0 引言

2021 年国务院政府工作报告中指出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作，制定了2030 年前碳排放达峰行动方案，优化产业结构和能源结构。我国是世界第一钢铁大国，2020 年粗钢产量达到10.65 亿吨，占全球粗钢总产量的56%。2020 年，钢铁产业CO2排放量占我国碳排放总量的16%左右，钢铁行业是我国碳减排的重点领域。而钢铁行业超低排放是我国当前大气污染治理的主战场，其中烧结工序排放的SO2、NOx又占到钢铁工业60～80%，是各钢铁企业超低排放的重点治理环节。

目前我国钢铁行业成功实现了SCR 脱销工艺在烧结烟气净化中的工程化应用，NOx脱除率≥90%。但由于烧结烟气有别于燃煤电厂烟气，其本身温度较低，难以达到SCR 的有效反应温度，因此SCR 工艺需对烧结烟气进行补燃、升温，补燃所需的高炉煤气单耗（吨烧结矿消耗煤气）普遍在30～40 Nm3/t 左右，有的甚至高达50～60 Nm3/t，能源消耗较大。本文对SCR 脱销补燃系统进行了介绍，对补燃系统节能降碳的路径进行了探索，并提出了低碳改造的措施。

1 SCR 工艺补燃系统低碳改造基本情况

1.1 补燃系统低碳改造前基本情况

天钢联合特钢公司2 号230 m2平烧结机脱硝系统于2019 年1 月份投产，脱硝工艺采用中高温SCR催化剂+回转式GGH，SCR 烟气加热补燃系统采用外置式热风炉（以下简称：热风炉），补燃燃料采用高炉煤气。经2 年的运行发现存在以下主要问题：

（1）安全隐患大：由于热风炉设计缺陷导致热风烟道多次出现顶部硅酸铝保温砖坍塌，热风管道烧红，存在极大的安全隐患（见图1）；

图1 热风管道受损情况

（2）检修困难：在运行的2 年多的时间里，多次对热风烟道、热风联箱进行修复，效果不甚理想；

（3） 煤气耗量大：2 号烧结机SCR 烟气加热补燃系统投运时煤气用量较大，约15 000～17 000 Nm3/h，煤气单耗达到36.36 Nm3/t；

（4）制约产能：受煤气管网压力影响，经常出现煤气供应不足、升温困难等问题，严重时被迫退出一套脱硝系统进行保温，影响了烧结机的正常运行；

（5）燃烧不稳定：受煤气品质波动等因素影响，经常出现灭火、点火困难等情况；

（6）启动时间长：受热风炉结构影响，需先用高热值气体将热风炉本体加热到800 ℃以上才能投入高炉煤气，升温速度慢。

1.2 补燃系统低碳改造方案及布置

2 号烧结机烟气SCR 烟气加热补燃系统在保留原热风炉基础上，增加一套等离子点火-内置式直燃炉系统，与现有热风炉功能相同，热风炉与等离子点火-内置式直燃炉互为备用。

等离子点火-内置式直燃炉直接布置于热风炉层平台上烟道两侧壁，呈对冲布置，并根据需要对烟道进行少量调整及加固，具体布置如图2 所示。

图2 等离子点火-内置式直燃炉布置图

2 补燃系统低碳改造后的经济和社会效益

SCR 烟气补燃加热系统等离子点火-内置式直燃炉改造后，经2021 年4～6 月数据统计，煤气单耗从36.36 Nm3/t 下降到27.21 Nm3/t，减少9.89 Nm3/t左右，节能比例达到20%以上。

2.1 低碳改造后的节能情况

表1 为2021 年4、5、6 三个月，等离子点火-内置式直燃炉改造后的节能统计数据。由表1 可以看出三个月的平均节能率为27.21%。

表1 等离子点火- 内置式直燃炉改造后节能统计数据（热风炉煤气单耗为36.36 Nm3/t）

2.2 低碳改造后煤气费用节省情况

以2021 年4、5、6 三个月统计的平均数据为依据，对煤气年节省费用进行测算。高炉煤气单价按0.15 元/Nm3计，年可节省高炉煤气费用为：烧结矿平均月产能×12 个月×煤气单耗节气量×煤气单价=279 455×12×9.89×0.15=4 976 000 元。

2.3 低碳改造后CO2 减排情况

低碳改造后：年节省的高炉煤气量为279 455×12×9.89=33 165 719 Nm3；按每3.5 Nm3高炉煤气发一度测算，年可多发电33 165 719/3.5=9 475 920 kWh；按目前全国燃煤电厂平均供电煤耗330 gce/kWh 计，年节约标煤量为9 475 920×330/106=3 127 tce；按一吨标煤排放2.66～2.72tCO2计（取平均值2.69 t），年减排CO2约为3 127×2.69=8 412 t。

2.4 低碳改造后其它效果

2.4.1 烧结烟气中CO 消减情况

低碳改造后，针对CO 消减情况，连续进行了5天测试，分析直燃炉前后CO 的变化情况，数据如表2 所示。由表2 可知，改造后烟气中的CO 平均含量减少595 ppm，消减率达到10.5%。

表2 直燃炉前后CO 的变化情况

2.4.2 烧结烟气中O2含量变化情况

低碳改造后，直燃炉前后烟气中O2含量的变化情况如表3 所示。由表3 可知，因O2含量的消减率为1.40%，故NOx折算含量值消减约4%。

表3 直燃炉前后O2 含量的变化情况

3 低碳改造节能原理分析

通过改造前后的数据对比可以看出，SCR 补燃系统由热风炉改为直燃炉后，在燃气耗量方面有很大降低，主要原因如下。

3.1 引燃烧结烟气中的CO

烧结烟气CO 的含量约为5 000 ppm（0.5%）到10 000 ppm（1%）左右，烟气在烟道内流经直燃炉火焰的时候，有一部分CO 会被引燃，这部分CO 燃烧产生的热量同样会作用于烟气的温升，这就减少了高炉煤气的用量。引燃烟气中CO 的含量与节省高炉煤气之间的关系如表4 所示，燃烧室在烟道中布置图如图3 所示。

图3 燃烧室在烟道中布置图

表4 引燃烟气中CO 的含量与节省高炉煤气之间的关系

在本项目中，烟气温升为40 ℃，烧结烟气中CO的消减为595 ppm，因为引燃烟气中CO 产生的节能比例为14%左右。

3.2 等离子点火-内置式直燃炉具有更高的能源利用效率

等离子点火-内置式直燃炉具有极高的能源利用效率，主要在以下几方面：

（1）散热损失。因直燃炉布置在烟道内，基本无散热，散热热损失减少约2%左右。

（2）排烟热损失。因助燃风绝大部分都是热烟气，排烟热损失减少约4.6%左右。

（3）热风炉为保护联箱、管道等，需要掺入冷风，使热风炉烟气温度降至600 ℃左右，直燃炉不需掺混冷风，这部分热损失减少约4.2%左右。

由上述可见，因能源利用效率提高，产生的节能比例约为11%左右。

4 SCR 工艺直燃炉改造的难点

由上述分析数据可以看出，对SCR 工艺补燃系统进行直燃炉改造后，具有明显的经济性和减碳效果，但每种技术都有其固有的困难。直燃炉改造的困难是：技术难度高，如果不能有效的处理好以下几个方面的问题，很容易造成耗能和污染性气体增加的后果。

4.1 温度场均匀性问题

4.1.1 温度场均匀性的重要性

SCR 补燃系统的主要目的是对烧结烟气进行加热，使烧结烟气温度达到SCR 催化剂的反应温度区间，所以SCR 系统催化剂入口截面的温度场均匀性就显得尤为重要。如果温度场不能均匀，温度过高或过低的区域内，因为催化剂活性不够，NOx和氨水就无法充分反应。最直接的后果是：氨逃逸大；SCR 催化剂只有一部分得到有效利用；逃逸的氨与SO3发生反应，产物沾附在GGH 上。

4.1.2 保证温度场均匀的措施

保证烟气温度场均匀最有效的措施是保持热源的均匀。因热风炉和直燃炉热源的形式和分布不同，造成各自达到烟气温度场均匀路径的不同。

热风炉是通过多点热源来保证热源的均匀。热风炉一般通过烟道内的分散管，将热风炉过来的热烟气（600 ℃左右）平均分配到SCR 烟道断面上（一般分36 个点送入），因热源点多且均布，技术上烟气温度可以非常容易加热均匀（一般可以满足温度偏差±10 ℃的要求）。

直燃炉是通过增加热源的覆盖面积来保证热源的均匀。直燃炉提供的热量是由火焰直接带入，燃烧器一般只能布置几台，不可能多到十几台甚至几十台，通过增加热源点数量的方案不可行。要在有限的几个热源点上，将热源调整均匀，只能扩大单个热源的覆盖面积。这就需要直燃炉火焰保持一定的宽度和长度，让直燃炉火焰尽可能充满其所在的烟道断面，这样才能使直燃炉的热源保持均匀，从而保证整个烟道温度场的均匀性，

实践表明，增加直燃炉的火焰的长度和宽度，能够有效解决直燃炉温度场均匀性的问题，经过烟道网格法实际测量，改造后温度场的偏差可以控制在±10 ℃以内。

4.2 导流阻力问题

从理论上来说，如果可以容忍阻力足够大，烟道内的温度场能够调整的无限接近于均匀，但是阻力过大会增加风机的电耗，其关系如下：

式中：P 为风机轴功率，kW；Q 为风机风量，m3/h；p为风机全压，Pa；η0 为风机的内效率，一般取0.75～0.85，小风机取低值，大风机取高值；η1 为风机的机械效率，风机与电机直联取1，采用联轴器联接取0.95～0.98，采用三角皮带联接取0.9～0.95，采用平皮带传动取0.85。

以300 m2左右烧结机为例，烟气量取常规标方流量120×104Nm3/h，工方流量173×104m3/h（温度120 ℃），如果增加500 Pa 阻力，克服这些阻力增加引风机的电耗为：173×104×500/（3 600×1 000×0.85×0.95）=298 kW。电费按0.5 元/kWh 计算，年运行小时数按8 000 h 计算，年增加电费约119 万元。

热风炉分散管的系统阻力一般在200～300 Pa左右，一般可以认为，直燃炉导流的阻力控制在200 Pa 以下是合理的。

4.3 CO 的烧失问题

热风炉的热烟气进入SCR 烟道的温度在600℃左右，但经实测，并不能有效的引燃烧结烟气中的CO，这主要是因为引燃CO 的反应时间与温度的高低有直接关系，理论分析计算的结果如图4所示。

图4 引燃CO 的反应时间与温度的关系

从图4 中可以看出，对于CO 为4 000 ppm，温度为900 K（627 ℃）的情况，消除CO 需要10 s 的时间，目前烟道中烟气的流速普遍在10～15 m/s，也就是说要消除4 000 ppm 的CO，需要烟气在627 ℃的环境中行进最少100 米才有可能，这显然是做不到的，这就是为什么热风炉不能引燃CO 的原因。

当温度达到800 ℃（1 073 K）以上后，对于CO为4 000 ppm 烟气，消除CO 的反应时间下降到10-2秒以下，按10 m/s 的风速，烟气只需要在800 ℃以上的温度区域内行进0.1 米，甚至更短的距离就可以消除CO。而在烟道内具有800 ℃以上温度的区域必定是火焰，只有火焰的高温才能消减烧结烟气中的CO。

所以，想要尽可能消减烧结烟气中的CO，也需要火焰尽可能充满烟道截面，也就是需要烟道内的火焰尽量宽和长，而无火焰或短火焰都很难消减烧结烟气中的CO。

4.4 高炉煤气不完全燃烧问题

热风炉火焰稳定的机理是保持炉膛内的温度在800 ℃以上，这样进入炉膛的高炉煤气可以稳定的燃烧，但直燃炉的燃烧环境和热风炉完全不一样，为保证温度场、消除CO，直燃炉的火焰需要裸露在烧结烟气中，火焰四周都是在放热，所以简单地将热风炉的燃烧器插到烟道上作为直燃炉燃烧器，会产生频繁灭火、燃烧不完全等问题，必须对燃烧器的结构进行改良，形成适应直燃炉的火焰。

此次改造，对传统热风炉燃烧器的结构和原理进行了升级改进，在保证烟道中长火焰的同时，不灭火而且充分燃烧。

5 结语

SCR 直燃炉可以节能这个命题已经深入人心，但是之前都是理论计算的数据和结果，本次改造第一次以实际数据证明了直燃炉的节能效果，我们可以得出结论，直燃炉相对于热风炉可以节能20%以上是真实的、可信的，是能够大幅度减排CO2的。

但直燃炉是一个新生的事物，在改造中面临一系列的技术难题，温度场均匀性问题、导流板阻力问题、烧结烟气CO 烧失问题、高炉煤气的燃尽问题等，如果这些问题得不到有效解决，极有可能不节能反而耗能，甚至产生其它严重问题，因此在直燃炉的改造中务必要小心处理这些技术难题。经过直燃炉改造的实践，我们认为解决上述技术难题的核心，在于直燃炉的火焰有一定的刚性和长度，在烟道断面上有尽可能大的覆盖面积，不能简单地将热风炉的燃烧器插到烟道上作为直燃炉燃烧器。