SDS干法脫硫及SCR中低溫脫硝技術在焦爐煙氣處理的應用

　　前言

　　隨著環保排放要求越來越嚴格，企業治理污染的力度也不斷加大，焦爐煙氣治理也越來越受到重視。焦爐生產過程中會產生含粉塵、SO2、NOx 等有害物質的廢氣，對環境造成污染。為減少焦爐煙氣中SO2 和NOx 等有害物質排放量，使其滿足環保要求，同時更好地改善大氣環境質量，很多先進的方法已被應用于實際項目。盧昊等[1] 研究發現，SCR 脫硝技術在低溫環境中具有很好的抗硫性能，煙氣脫硝率達到85％ 以上。金輝等[2] 將SCR 技術實際應用于江蘇沂州煤焦化有限公司某項目，攻克了焦爐煙氣無法在低溫下處理的難題。王巖等[3] 認為焦爐煙氣處理應有效融合源頭控制、低氮燃燒、末端凈化三方面，并對其引起重視。

　　通過脫硫脫硝除塵工藝凈化后，焦爐煙氣排放濃度達到SO2 ≤ 30 mg／m3，NOx ≤ 150 mg／m3，粉塵濃度≤ 15 mg／m3，滿足GB 16171—2012《煉焦化學工業污染物排放標準》中的特別排放限值要求，并能夠達到超低排放標準要求。

　　1 焦爐煙氣脫硫脫硝工藝

　　1.1 工藝流程

　　焦爐煙氣分別由地下機側和焦側煙道引出，經旁路煙氣管道閥門和新增入口管道閥門切換并匯合后進入煙氣總管。同時高效的脫硫劑（顆粒粒徑為20~25 μm）通過SDS 干法脫酸噴射及均布裝置噴入總煙道并在煙道內被加熱激活，其比表面積迅速增大，與焦爐煙氣充分接觸后發生物理、化學反應，煙氣中的SO2 等酸性物質被吸收凈化，經吸收并干燥的含粉料煙氣進入布袋除塵器進行進一步脫硫反應及煙塵凈化。脫硫除塵后的煙氣在SCR 脫硝反應器內進行脫硝凈化，煙氣中的NOx 與噴氨格柵噴出的NH3在靜態混合器內充分混合，并在SCR 反應器內在中低溫催化劑的作用下與NH3 發生化學反應，生成N2和H2O，從而達到去除煙氣中NOx 的目的，凈煙氣由增壓風機抽引，經出口煙道至原焦爐煙囪排入大氣。

　　回原焦爐煙囪的煙氣溫度滿足焦爐熱備溫度要求，可保證事故狀態下焦爐煙囪熱拔力依然保持正常。

　　1.2 副產物綜合利用

　　SDS 干法脫硫的脫硫劑選用高效復合脫硫劑。由于SDS 工藝過噴量很小，因此與其他脫硫方法相比，該方案脫硫副產物很少。副產物中Na2SO4 所占比例

　　很高，便于綜合利用。副產物為干態粉狀料，其中，Na2SO4 質量約占總質量的80％~90％，Na2CO3 質量約占總質量的10％~20％。

　　焦爐脫硫副產物可作為礦山尾礦固化劑的生產原料以外，也可應用在以下領域：摻入水泥中，使水化產物硫鋁酸鈣更快地生成，加快水泥的水化硬化速度；在玻璃工業用以代替純堿；在造紙工業中用于制造硫酸鹽紙漿時的蒸煮劑；在化學工業中用作制造硫化鈉、硅酸鈉和其他化工產品的原料；在紡織工業中用于調配維尼綸紡絲凝固劑；還可用于有色冶金、皮革等方面。該脫硝系統更新后的廢催化劑，由催化劑廠家回收。

　　2 工藝技術的選擇比較

　　常用的焦爐煙氣脫硫脫硝方法主要有SDS 干法脫硫+ 中低溫SCR 脫硝，SDA（Na） 半干法脫硫+ 中低溫SCR 脫硝，SDA（Ca） 半干法脫硫+GGH -中低溫SCR 脫硝以及活性炭干法脫硫脫硝工藝等。

　　2.1 SDS干法脫硫工藝

　　高效脫硫劑（粒徑為20~25 μm）通過SDS 干法脫酸噴射及均布裝置被噴入煙道并在煙道內被加熱激活，其比表面積迅速增大并與煙氣充分接觸后發生物理、化學反應，煙氣中的SO2 等酸性物質被吸收凈化。該技術的開發背景是垃圾焚燒行業開發的HCl脫除干法系統，其副產物的主要成分為NaCl，可被回收作為原料再用于生產純堿。之后SDS 干法脫酸技術在歐洲得到迅速發展，其配套的噴射系統、研磨系統相繼被開發。目前在歐洲市場該工藝主要用于垃圾焚燒爐尾氣脫酸，但該技術在其他行業包括焦化、玻璃制造、燃煤電廠、危險廢物焚燒爐、柴油發電、生物質發電、水泥等都取得了很好的應用效果。

　　SDS 干法脫硫+ 中低溫SCR 脫硝工藝的優點是脫硫、脫硝效率高，無溫降，無水操作，投資省，占面積小，副產物少，低電耗，無腐蝕，設備簡單，操作維護，脫硫副產物產生量小，硫酸鈉含量高等；缺點是會產生少量的脫硫副產物，需要對其進行綜合利用。

　　2.2 SDA半干法脫硫工藝（包括Na法和Ca法）

　　旋轉噴霧干燥（SDA）脫硫技術于二十世紀七十年代早期由丹麥Niro 公司研制開發。其脫硫過程是將CaO 或Na2CO3 加水配置成固含量為20％~25％ 的Ca（OH）2 漿液或Na2CO3 溶液，通過霧化器高速旋將溶液霧化成30~80μm 的霧滴噴入吸收塔內，塔內的Ca（OH）2 漿液或Na2CO3 溶液霧滴（吸收劑）迅速吸收煙氣中的SO2，達到脫除SO2 及其他酸性介張慶文，等：SDS干法脫硫及SCR中低溫脫硝技術在焦爐煙氣處理中的應用質的目的。同時，焦爐煙氣熱量瞬間干燥噴入塔內的液滴，使其成為粉狀干固體，由袋式除塵器捕集。脫硫工藝流程簡單，吸收塔為空塔結構。

　　SDA（Na） 半干法脫硫+ 中低溫SCR 脫硝的優點是脫硫效率高、無廢水產生、低水耗、低電耗、無腐蝕；缺點是脫硫劑易結晶、維護困難、副產物難回收利用。SDA（Ca） 半干法脫硫+GGH -中低溫SCR 脫硝工藝的優點是脫硫效率中、無廢水產生、低水耗、低電耗、無腐蝕；缺點是占地面積大、煙氣溫度先降低后升高，能耗高、副產物難以利用。

　　2.3 活性炭干法脫硫脫硝工藝

　　以物理 -化學吸附原理為基礎，活性炭吸附煙氣中的SO2、H2O 和O2 后催化反應生成硫酸，然后將其遷移到微孔中儲存，而煙氣中的NOx 在活性炭催化作用下，和噴入煙氣中的氨水發生還原反應，生成N2 和H2O。活性炭通過再生系統釋放活性吸附位繼續吸附SO2，再生系統排放的含SO2 煙氣進入副產物回收系統，SO2 可被加工成多種硫化工產品。

　　活性炭在再生過程中會產生磨損及化學消耗，因此需要定期補充新的活性炭，磨損的活性炭粉則可返回配煤工段進行再利用。

　　活性炭干法脫硫脫硝工藝即采用活性炭的吸附作用吸附煙氣中的SO2、顆粒物和NOx，從而實現同時脫硫、脫硝和除塵的目的。缺點是煙氣溫度需降低到150 ℃以下；脫硫副產物中包含硫酸的同時產生污染廢水，一次性投資大，運行成本高。

　　綜上所述，無論從工藝技術的先進性（脫硫、脫硝效率），還是從工藝技術的實用性，占地面積，投資成本，廢水，副產物利用等方面進行綜合分析比較，SDS 干法脫硫及中低溫SCR 脫硝工藝是最適合焦爐煙氣凈化的最佳工藝技術，其配置合理，控制水平達到國際先進水平，可確保脫硫脫硝系統長期、安全、穩定、連續地運行。

　　3 工藝原理

　　3.1 SDS工藝原理

　　SDS 干法脫酸噴射技術是將高效脫硫劑（粒徑為20~25 μm）均勻噴射在管道內，脫硫劑在管道內被加熱激活，比表面積迅速增大，與酸性煙氣充分接觸發生物理、化學反應，煙氣中的SO2 等酸性物質被吸收凈化。

　　其主要化學反應為：

　　2NaHCO3 +SO2+1／2O2 → Na2SO4 +2CO2+H2O

　　2NaHCO3 +SO3 → Na2SO4 +2CO2+H2O

　　其與其他酸性物質（如SO3 等）的主要反應為：

　　NaHCO3 +HCl → NaCl +CO2+H2O

　　NaHCO3 +HF → NaF +CO2+H2O

　　3.2 SCR脫硝工藝原理

　　選擇性催化還原法（SCR）即在裝有催化劑的反應器內用氨作為還原劑來脫除氮氧化物，如圖1 所示。

　　煙氣中的NOx 一般由體積濃度約為95％ 的NO 和5％的NO2 組成。NOx 經脫硝反應轉化成分子態的氮氣和水蒸氣。SCR 主要反應方程式為：

　　4NH3+4NO+O2 → 4N2+6H2O

　　4NH3+2NO2+O2 → 3N2+6H2O

　　4 工藝特點

　　4.1 SDS脫硫工藝技術特點

　　SDS 脫硫工藝具有良好的調節特性，脫硫裝置運行及停運不影響焦爐的連續運行狀態，脫硫系統的負荷范圍與焦爐負荷范圍相協調，保證脫硫系統可靠穩定地連續運行。該工藝技術特點如下：

　　（1）系統簡單，操作維護方便 ；

　　（2）一次性投資少，占地面積小；

　　（3）運行成本低；

　　（4）全干系統，無需用水；

　　（5）脫硫效率高；

　　（6）合理的脫硫劑均布裝置；

　　（7）靈活性很高，可以隨時根據排放指標要求調整；

　　（8）對酸性物質具有較好的脫除效果；

　　（9）對焦爐工況適應性強；

　　（10）副產物量少，硫酸鈉純度高，便于回收利用；

　　（11）系統設置事故通道快速切換裝置，一旦出現故障也不影響焦爐的正常生產。

　　4.2 SCR中低溫脫硝工藝特點

　　焦爐煙道煙氣脫硫后采用中低溫脫硝催化劑進行脫硝，該催化劑具有催化反應溫度窗口寬、SO2 轉化率和NH3 逃逸率低、抗硫性好、脫除效率高、比表面積大、結構強度高、壽命長等特點。

　　脫硝系統運行一定時間后，為了使催化劑活性保持穩定（防止催化劑表面沉積較多黏稠狀硫酸氫銨），采用原位再生熱解析系統對催化劑進行再生。當催化劑壽命周期屆滿時，可將SCR 中低溫脫硝催化劑進行返廠再生，有效解決了催化劑危廢處理問題，同時降低了后期更換催化劑的成本。

　　5 脫硫脫硝工藝系統組成

　　焦爐煙氣脫硫、脫硝系統由以下幾個部分組成：

　　（1）SDS 脫硫劑投加及均布裝置（ 關鍵設備考慮備用） ；

　　（2）除塵設備及附屬設備；

　　（3）脫硝反應器系統及附屬設備；

　　（4）脫硫脫硝系統公輔設備，包括氮氣供應系統、循環水供應等；

　　（5）儀表、通信、供配電、在線監測、消防與控制系統等。

　　6 脫硫系統實施后的效果

　　以鞍鋼集團鞍鋼煉焦總廠二煉焦7# 焦爐作為SDS+SCR 焦爐煙氣脫脫硝試驗項目進行實施，該項目基本情況如下。

　　6.1 焦爐煙氣參數

　　焦爐煙氣參數可見表1。

　　該項目焦爐煙氣采用SDS 法脫硫、SCR 脫硝及除塵凈化工藝處理，設計時除了考慮將來焦爐泄漏率為5％ 時的煙氣處理凈化能力外，還考慮了今后更嚴格的超低排放標準要求，為脫硫脫硝裝置留有富裕的凈化能力。

　　6.2 脫硫脫硝凈化效果

　　該裝置對煙氣脫硫脫硝后的效果如下：SO2 排放濃度≤ 30 mg／m3，NOx 排放濃度≤ 150 mg／m3，顆粒物排放濃度≤ 15 mg／m3。

　　今后環保排放標準會更加嚴苛，即要求顆粒物限值為10 mg／m3，二氧化硫限值為15 mg／m3，氮氧化物限值為50 mg／m3。設計時充分考慮了余量，保證煙氣能夠達到超低排放標準要求。

　　6.3 現場應用情況

　　鞍鋼二煉焦7# 焦爐于2017 年10 月10 日開始施工，2018 年2 月2 日該系統開始進行熱負荷聯動試車。通過對脫硫脫硝入口及煙囪外排口處進行在線監測發現，脫硫脫硝效果明顯且系統設備運行穩定。

　　當入口處SO2、NOx 濃度及顆粒物濃度分別為35.49、447.22、26.51 mg／m3 時，脫硫脫硝后煙囪在線監測顯示SO2 濃度、NOx 濃度及顆粒物濃度分別為3.45、70、4.62 mg／m3。在處理過程中無論入口如何變化，出口指標都能穩定控制在標準范圍內，并能達到特排標準。經過一個月的功能考核及168 考核驗收，鞍鋼首套焦爐煙氣脫硫脫硝裝置正式投入使用，煙氣滿足現有焦化企業污染物排放標準，并達到特排要求，預計每年可減排SO2 146 t、NOx 263 t、顆粒物112 t。

　　圖3~ 圖5 所示為脫硫脫硝入口及煙囪外排口處煙氣各成分的在線檢測對比曲線。

　　從煙氣進出口對比曲線可以看出出口處煙氣SO2濃度、NOx 濃度及顆粒物濃度能夠分別有效控制在30、150、15 mg／m3 以下，滿足合同功能考核指標要求，同時通過嚴格控制可以滿足特排指標要求。

　　7 結論

　　（1）SDS+SCR 工藝具有操作方便、易于維護、運行成本低等優點，且在實際運行中效果較好。

　　（2）經過SDS+SCR 工藝處理后，煙氣能夠達到特排標準，即SO2 排放濃度≤ 15 mg／m3，NOx 排放濃度≤ 50 mg／m3，顆粒物排放≤ 10 mg／m3。

　　（3）經過一個月的功能考核及168 考核驗收，鞍鋼首套焦爐煙氣脫硫脫硝裝置正式投入使用，預計每年可減排SO2 146 t、NOx 263 t、顆粒物112 t。

　　（4）項目投運后所產生的廢棄物主要成分為Na2SO4，該副產物可以回收利用作為水泥添加料。

　　（5）該工程投產后具有較好的環境效益和社會效益，明顯改善了該地區的大氣環境，有效減少了酸雨的形成。

　　（6）該技術成功應用后，已被迅速推廣到其他項目中, 目前鞍鋼集團內的18 座焦爐均采用該技術進行煙氣脫硫脫硝，該技術具有廣泛的應用前景和推廣價值。