转底炉烟气脱硫脱硝技术路线的选择.pdf

工业加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023D0I:10.3969/j.issn.1002-1639.2023.06.006摘要：随着国家对大气环境保护的越发重视，钢铁行业超低排放的不断深入，转底炉项目污染物排放限值的要求也将进一步收紧。结合转底炉生产情况，分析其燃料特性和烟气污染物的生成机理，阐述了转底炉烟气处理的必要性、难点以及推动超低排放的合理化建议。基于对传统的烟气污染物控制技术进行综述，介绍了湿法脱硫、半干法脱硫、干法脱硫、选择性催化还原法和选择性非催化还原法等主流的烟气脱硫脱硝技术，从技术、投资和运行等多方面进行了对比探讨，为转底炉烟气脱硫脱硝新形势下超低排放技术路线的选择提供了一定的借鉴。转底炉烟气处置技术路线首选为“低氮燃烧器+SNCR+余热锅炉+SDS干法脱硫+布袋除尘器”，次选为“低氮燃烧器+余热锅炉+SDS干法脱硫+布袋除尘器+SCR技术路线。关键词：转底炉；脱硫；脱硝；脱硫脱硝路线中图分类号：TF704.3文献标志码：ASelection of Technical Route For Desulfurization and Denitrification of Flue Gas in Rotary Hearth FurnaceHUI Chunxue,LI Hu,LUO Lei,LI Donghai(Chongqing CISDI Thermal&Environmental Engineering Co.Ltd.,Chongqing 401122,China)Abstract:With the increasing attention of the state to atmospheric environmental protection and the deepening of ultra-low emissions in thesteel industry,the requirements of pollutant emission limits for rotary hearth furnace projects will also be further tightened.Based on the pro-duction situation of rotary hearth furnace,the fuel characteristics and the formation mechanism of flue gas pollutants are analyzed,and the ne-cessity and dfficulty of flue gas treatment of rotary hearth furnace are expounded.Based on the review of traditional flue gas pollution controltechnologies,the main flue gas desulfurization and denitrification technologies,such as wet desulfurization,semi-dry desulfurization,dry des-ulfurization,selective catalytic reduction and selective non-catalytic reduction,were introduced.The technology,investment and operationwere compared and discussed.It provides some reference for the selection of ultra-low emission technical route under the new situation of fluegas desulfurization and denitrification of rotary hearth furnace.The flue gas disposal technical route of rotary hearth furnace is the first choiceof“low nitrogen burner+SNCR+waste heat boiler+SDS dry desulfurization+bag dust collector,and the second choice is the technicalroute of“low nitrogen burner+waste heat boiler+SDS dry desulfurization+bag dust collector+SCR.Key Words:rotary hearth furnace;desulfurization;denitrification;route for desulfurization and denitrification随着国家对大气环境保护的越发重视，作为大气污染物排放大户，钢铁行业的大气污染物排放量成为国家管控的重点目标，对钢铁行业各工序的烟气排放限值执行标准制定越发严格 。除国家发布的排放标准钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准GB28662一2 0 12 外，国家还发布了关于推进实施钢铁行业超低排放的意见环大气2 0 19 35号等法规政策，多个省市如河北、河南、山西、山东等省份以及唐山、珠海、杭州等城市也分别发布了更为严格的地方标准2-5。目前国家尚没有转底炉专项环保排放标准，不同省市的生态环境局对转底炉项目的大气排放限值要求不尽相同6 。但有一点可以肯定的是，不论是国标还是地标，未来制定的针对转底炉项目的大气污染物排收稿日期：2 0 2 2-0 7-0 6；修回日期：2 0 2 3-0 6-11作者简介：回春雪（19 8 9 一），女，回族，硕士，工程师，主要从事冶金固废资源化利用工程设计.INDUSTRIALHEATING转底炉烟气脱硫脱硝技术路线的选择回春雪,李虎,罗磊,李东海（重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆40 112 2）文章编号：10 0 2-16 39(2 0 2 3)0 6-0 0 2 3-0 51转底炉燃料特性转底炉主要是用于处置钢铁企业高锌含铁尘泥，将原料中的锌通过高温还原焙烧使其还原挥发，脱除原料中的锌，其工艺流程如下19-0 1：原料和辅料经过配料、混合、成球、烘干后由布料器均匀布料至转底炉炉盘上，炉盘上的球团利用转底炉炉墙上布置的烧嘴燃烧煤气产生的热量进行加热，当球团随着转底炉炉盘转动被加热至12 0 0 130 0 时,球团内的配碳与ZnO进行还原反应,还原出的单质Zn（沸点9 0 6）挥发出来并随着烟气进人余热锅炉回收余热后,进人布袋除尘器除尘，过程中单质Zn被再放限值的要求不会放松，这也预示着，转底炉项目配置脱硫脱硝装置是无法回避的事情7-8 。鉴于此，本文针对转底炉烟气可能采用的脱硫脱硝技术路线进行论证。工業加熟.24.INDUSTRIALHEATING次氧化为ZnO后收集作为次氧化锌副产品出售，烟气经烟达标排放。还原后的金属化球团产品经筛分、储存并外运利用。如上所述，转底炉内的高温气氛是通过煤气燃烧项目高炉煤气供给压力（正常）/kPa10.5 12供给温度（正常)/常温成分(干煤气）W(N2)/%w(H,)/%w(CO,)/%w(CO)/%W(CH,)/%H,S/mg m3(标准)有机硫/mgm(标准)w(0,)/%w(CmH,)/%低位发热值/kJm-3（标准）含尘量/mgm-3(标准)高炉煤气中主要可燃成分以CO为主,H2、C H 4的贡献很小。惰性气体CO2、N,的含量占高，不参与燃烧也不助燃，相反会吸收大量燃烧过程中产生的热量，火焰传播速度很慢，温度不高，燃烧稳定性不好，平均热值仅为3451kJ/m（标准)左右。转底炉内需提供12 0 0 1300的反应环境，仅使用高炉煤气不足以支撑还原反应的进行，因此转底炉一般采用转炉煤气或者焦炉煤气作为燃料（也可使用混合煤气，因混合煤气只是单种煤气的物理混合，并无其他协同作用，故此文不再赘述。转炉煤气中主要可燃成分是CO，平均热值为6745kJ/m（标准）左右。根据转底炉内高温燃烧所需热量进行计算，当燃料燃烧前煤气与助燃空气双预热时，可以采用转炉煤气作为转底炉燃料。考虑到转炉煤气热值会出现波动的情况，为稳定转底炉本体燃烧温度，需预留转底炉助燃空气富氧措施。焦炉煤气中可燃成分H2、C H 4和CO体积比之和达到8 6.2 4%,CO2、N、0,和其他烃类（CmH,）含量较少。焦炉煤气平均热值17 36 8 kJ/m，可满足转底炉内形成12 0 0 130 0 的反应温度。2转底炉烟气污染物特性转底炉大气污染物治理重点关注三种指标：颗粒物浓度、SO,浓度和NO浓度。下面就这三种污染物的特性进行分析。2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023产生的，钢铁企业为了能源循环利用，一般采用的煤气有以下三种：高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气。以某钢铁企业三种煤气成分为例，煤气成分如表1所示。表1某钢铁企业煤气成分表转炉煤气14.5常温53.8230.312.680.9318.6115.9324.8251.80.071.0334516.745102.1果颗粒物转底炉高温还原脱除Zn的过程中,球团中的KCl、Na C l、Pb 等也会被脱除随着烟气进入后续烟气处理系统。经检测2 ,转底炉烟气中颗粒物的主要成分是ZnO、K Cl、Na Cl、Pb O 以及Zns(OH)Cl,H,O 等。转底炉尾部常规配套布袋除尘时，选取合适的过滤风速及滤袋材质，颗粒物排放浓度完全可以达到环评文件批复所需的排放标准。实际已投产项目的排放情况也已证明，颗粒物排放浓度完全可以达到排放要求。2.2SO,因为转底炉中原料球团的还原焙烧是还原反应，原料中的S几乎不会溢出，转底炉烟气中的SO,主要来源于燃料中的S含量。煤气中硫来源比较广泛，包括有机硫和无机硫,其中有机硫包含COS、CS,等,无机硫包含 H,S、SO,等3-4,通过对多个项目的数据对比，各钢铁企业的煤气中硫的占比有较大的区别,会导致烟气排放中SO,的排放数据差别较大。基于此现象，转底炉烟气应根据燃料成分确定初始排放浓度。2.3NO,NO生成机理主要有燃料型、热力型和快速型。快速型NO生成量很少，可以忽略不计；在温度1500时，热力型NO生成量也很少；所以转底炉烟气中NO主要来自燃料型NOx。控制NO，的措施主要有两种：低氮燃烧技术和烟焦炉煤气57常温5.9257.724.645.4623.060.2317 368工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023气NO，处理技术。根据河北某钢铁企业转底炉烟气实测值，在配置专用低氮燃烧器的工况下,NO，浓度可以控制在10 0 mg/m（8%0）标准以内。若需要达到更低的排放浓度，则需要设置脱硝装置。3月脱硫脱硝技术路线选择3.1脱硫技术路线选择鉴于转底炉内是还原气氛的特性，烟气中的SO2绝大多数由转底炉燃料中的硫转化，而如果原料球中加人脱硫剂，一方面对燃料中的S起不到脱除作用,且还会影响转底炉金属化球团产品的品质。因此，考虑采用末端脱硫方式。常见的末端脱硫技术有湿法脱硫、半干法脱硫和干法脱硫技术。3.1.1湿法脱硫技术湿法脱硫是应用最成熟的脱硫技术，广泛应用于钢铁、电力及化工等多个行业。根据脱硫剂的不同，可分为钙法、氨法和镁法等。无论是钙法、氨法还是镁法，脱硫反应主要发生在吸收塔内。以石灰石石膏法为例,工艺流程如图1所示。洁净烟气除雾器脱碗剂喷淋层工业水原烟气制氧化空气浆图1湿法脱硫工艺流程图烟气从喷淋塔的底部附近进入吸收塔，在吸收塔内逆流向上与喷淋层喷出的循环浆液的细小液滴反应。在循环浆液中含有与SO反应的碱性物质。在连续运行的喷淋层区域中，烟气和碱性的石灰石浆液充分接触。每层喷淋层含有大量喷嘴，循环浆液经喷嘴雾化成一定粒径的液滴。循环浆液由循环泵打入吸收塔。吸收塔循环浆池保证循环浆液有足够的停留时间和充分的搅拌以确保最大的吸收剂石灰石利用率、产物石膏的充分氧化和结晶。氧化风机提供氧化反应所需足够的空气，使亚硫酸钙氧化成硫酸钙或石膏。脱硫后的洁净烟气达标排放。3.1.2半干法脱硫技术半干法脱硫技术中，应用最广泛最成熟的是循环INDUSTRIALHEATING脱硫工艺剂水箱原烟气图2 循环流化床工艺流程图循环流化床技术采用氢氧化钙Ca(OH),作为脱硫剂。烟气在文丘里管后分别与脱硫剂和布袋除尘器下的循环灰混合，脱硫剂由空气斜槽送进入床体，循环灰由空气斜槽同时加人床体，它们经过脱硫塔下部的文丘里管混合加速，高速气流可将循环灰、脱硫剂和烟气充分混合均匀，然后进入脱硫塔的直径段（循环流化床体)反应。烟气在脱硫塔内上升过程中,颗粒一部分随烟气被带出脱硫塔，一部分因自重重新回流到循环流化床内,增加了流化床的床层颗粒浓度和延长吸收剂的反应时间。脱硫处理后的含尘烟气从脱硫塔顶部排出后进人布袋除尘器,最后经过除尘处理的洁净烟气通过烟卤排放。3.1.3干法脱硫技术冲洗水干法脱硫技术中,应用最广泛最成熟的是SDS干法脱硫技术,SDS干法脱硫技术反应活性高、脱硫效率高、系统简单、占地面积小，适用于初始浓度低的工程。脱硫SDS干法脱硫技术采用碳酸氢钠（NaHCO，）作为石膏Q脱水机O循环泵+外排水6排出泵流化床法,其工艺流程如图2 所示。脱硫反应器布袋除尘器再循环灰外排灰脱硫剂，可直接利用烟道脱硫，也可选设脱硫塔。SDS干法脱硫技术的工艺流程如图3所示。粗粉磨系系统碳酸氢钠粉仓研磨机可选原烟气图3SDS干法脱硫工艺流程图利用磨机将粗小苏打研磨至目标粒度(do-20 m)，在烟道中喷人小苏打超细粉，小苏打超细粉与高温烟气接触，迅速分解出大量具有高活性和较大比表面积的Na,CO3。Na,C O,与烟气中的SO,充分接触发生化洁净烟气婴区风机碳氢粉仓SDS脱硫剂喷射及均布装置布袋除尘器+外排灰烟风机洁净烟气工业加熟26INDUSTRIALHEATING学反应，被吸收净化。脱硫并干燥的粉状颗粒随气流附着在布袋上，气体流经布袋时净化。3.1.4脱硫技术对比表2 对上述三种脱硫技术进行分析对比，力求选择工艺方案合理、系统运行稳定、经济指标优异的脱硫技术。考虑到转底炉烟气收集的次氧化锌粉尘是有色锌行业高回收价值的原料，为了不影响次氧化锌粉的品质，最好在除尘后进行脱硫，这意味着全套脱硫设施均项目占地面积脱硫剂脱硫剂裕量受转底炉工况影响系统阻力/Pa防腐处理水耗废水副产物及利用系统稳定性运行难度投资运行费用再考虑到湿法脱硫技术占地大、系统复杂、投资及运行费用均较高，转底炉烟气不推荐采用湿法脱硫技术。相比于半干法脱硫技术，干法脱硫技术投资低、运行费用低、运行更加可靠，且转底炉烟气中SO,浓度低，干法技术完全可以满足要求。建设时脱硫装置布置于余热锅炉与布袋除尘器之间，反应温度也合适。因此,建议选择干法脱硫技术。3.2脱硝技术路线选择烟气领域最为广泛应用的烟气脱硝技术有选择性催化还原法（以下简称“SCR”）和选择性非催化还原法(以下简称“SNCR)。3.2.1SCR 技术SCR技术利用 NH,在催化剂作用下有选择性地与烟气中NO发生化学反应,生成N,和H,O。目前低温催化剂可以做到在18 0 3 2 0 温度范围内稳定运行，脱硝效率可以达到90%以上。转底炉烟气中含有Pb、A s、K、Na 等元素，会使催2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023需新建。考虑到转底炉现有烟气处理系统已设置布袋除尘器，除湿法脱硫系统本身不含布袋除尘器外，半干法和干法脱硫技术均可以利用现有布袋除尘设备，降低部分投资及占地。而且虽然半干法和干法脱硫的脱硫产物虽然会降低次氧化锌粉的品位，但是因转底炉烟气中SO,浓度相对较低,增加的脱硫副产物占次氧化锌粉的比例并不高，在可以接受的范围内。表2 脱硫技术对比表湿法脱硫半干法脱硫占地面积大占地面积较大石灰石，来源广泛生石灰/消石灰粉，来源广泛Ca/S=1.03Ca/S=1.3较大较大2.1002600(含布袋)运行温度低于酸露点温度运行温度高于酸露点温度考虑防腐处理无需任何防腐处理较多较少少量脱硫废水无废水副产物品质较高，有成熟产业链，副产物价值低，较难处置具有明显价值脱硫管道易堵塞操作及测点位置多较高高干法脱硫占地面积较小碳酸氢钠，化工原料，具有稳定供应链Na/S=2.2较小 18 0 条件下运行才能保证脱硝效果，这就要求布袋要在2 2 0 条件下长期稳定运行。目前转底炉烟气处理采用的滤袋材质是10 0%PTFE材质，可在220时长期稳定运行。因此可以选择SCR技术。3.2.2SNCR 技术SNCR技术是利用还原剂在不需要催化剂的情况下有选择性地与烟气中 NO发生化学反应,生成 N,和H,0的方法。反应温度一般在8 7 0 1150。脱硝效率一般在40%6 0%。转底炉烟气从转底炉排出后通过烟道进入余热锅炉,此时烟气的温度约10 50，满足SNCR技术所需的反应温度窗口。余热锅炉选择卧式结构，分辐射段和对流段，在炉膛的入口区域最佳烟气温度区布置脱硝喷枪。较简单低低工业加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.620233.2.3脱硝技术对比相比于SCR技术,SNCR技术投资少，占地小,设备简单。确定项目采用的排放限值后,若SNCR技术能够满足计算出的脱硝效率要求，则转底炉烟气脱硝技术建议采用SNCR技术,若不满足脱硝效率要求则采用SCR技术。3.3转底炉脱硫脱硝技术路线选择经过上述分析，转底炉烟气处置技术路线首选为“低氮燃烧器+SNCR+余热锅炉+SDS干法脱硫+布袋除尘器”，次选为“低氮燃烧器+余热锅炉+SDS干法脱硫+布袋除尘器+SCR”技术路线，如图4、图5所示。转底炉三烟风机图4转底炉脱硫脱硝技术路线一余热锅炉转底炉三脱硝烟系统SCR反应器风机图5转底炉脱硫脱硝技术路线二4结 论（1)随着国家对大气环境保护的越发重视，未来制27INDUSTRIALHEATING定的针对转底炉项目的大气污染物排放限值的要求不会放松，转底炉项目配置脱硫脱硝装置是无法回避的事情。(2)转底炉烟气中的SO2主要来源于燃料中的S含量，转底炉烟气可根据燃料成分选择是否设置脱硫设施。（3）转底炉烟气实测，NO.浓度可以控制在100 mg/m（8%0,）（标准）以内,若要达到更低的排放值，需设置脱硝装置。（4)转底炉烟气处置技术路线首选为低氮燃烧器+SNCR+余热锅炉+SDS干法脱硫+布袋除尘器”，次选为“低氮燃烧器+余热锅炉+SDS干法脱硫+布袋除尘器+SCR技术路线。参考文献余热锅炉脱硝系统布袋除尘器M混风简布袋除尘器脱硫系统混风简脱硫系统1于勇，朱廷钰，刘霄龙.中国钢铁行业重点工序烟气超低排放技术进展J.钢铁,2 0 19,54(9）：1-11.2罗磊,雍海泉.转底炉工艺对高炉生产的影响J.工业加热,2 0 17,46(5):17-18,2 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