烧结烟气SCR脱硝不同还原剂应用及工艺设计研究

烧结烟气SCR脱硝不同还原剂应用及工艺设计研究

刘超   谭栋栋  岳琳  王勇刚

 西安龙净环保科技有限公司   陕西西安   710075 

[摘要]我国钢铁工业烟气污染物排放量比重很大，目前国家针对钢铁企业出台了超低排放的政策要求，其中烧结烟气属于治理重点。针对烧结烟气SCR脱硝，其可使用的还原剂主要有液氨、氨水和尿素。本文通过对不同还原剂进行安全性和经济性对比，确定采用氨水和尿素更为合理。根据不同的项目条件和资源配置，提出了不同还原剂在工艺应用上的技术方案，包括工艺流程、设备配置、适应条件及优缺点，为烧结烟气SCR脱硝设计提供指导依据。研究结果表明氨水工艺适用于厂区场地充裕的新建项目；尿素热解工艺，对于场地较紧张的改造项目可以采用。

[关键词]烧结烟气；SCR脱硝；还原剂；氨水；尿素

[中国分类号]X511       [文献标识码]A       [文章编号]

前言

钢铁工业是仅次于火电厂的第二大气污染排放产业。中国的钢铁工业产能超过全世界其它国家的总和，也造成了严重的废气排放污染。近年来，国家加大了环保治理力度，生态环境部及各地方环保部门陆续出台了钢铁企业超低排放相关政策，要求烧结烟气在基准含氧量16%条件下时，粉尘、SO2和NOX的小时均值排放浓度分别不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50 mg/Nm3的超低排放标准。按照国家环保部的部署，2020年10 月底，完成对京津冀及周边、长三角、汾渭平原等地区共4.8 亿吨烧结产能的超低排改造；到2022年，完成对珠三角、成渝、辽宁中部、武汉及其周边、长株潭等地区共5.8 亿吨烧结产能的超低排放改造；到2025年，实现全国共计9亿吨烧结产能的烟气超低排放[1]。

目前，国内大部分钢铁企业烧结机已经完成了超低排放改造，基本采用末端治理的方式，应用最多最成熟的工艺路线主要为“湿法脱硫+湿电+SCR脱硝”和“半干法脱硫+布袋除尘+SCR脱硝”。将SCR脱硝布置在脱硫和除尘系统之后，一是为了避免烟气中大量SO2与NH3反应产生硫酸氢氨堵塞催化剂，二是能减少烟气中高浓度的盐分、粉尘造成催化剂中毒失效的情况，从而保证催化剂寿命和脱硝效率。脱硝工艺中常用的还原剂主要有液氨、氨水和尿素。本文通过对不同还原剂在可靠性、安全性、经济性、场地占用等方面进行分析对比，探讨其在烧结烟气SCR脱硝工艺上的应用可行性。并且针对不同还原剂，研究了其工艺设计和系统配置，为工程应用提供依据。

一、烧结烟气SCR脱硝工艺

1.脱硝原理

SCR（选择性催化还原法）脱硝技术于20世纪70年代发展起来并在西欧和日本得到了广泛的应用，也是目前国内燃煤、燃油电厂及工业锅炉领域应用得最多的脱硝技术。该技术具有没有副产物，不形成二次污染，装置结构简单，并且脱除效率高（可达90%以上），运行可靠，便于维护等优点。随着国家对烧结烟气污染物排放要求越来越严，为达到超低排放政策需求，SCR脱硝技术在烧结烟气污染物治理上得到了快速推广和应用。

烧结烟气SCR脱硝原理：是在催化剂的作用和在氧气存在条件下，NH3优先和NOX发生还原脱除反应，生成氮气和水，其主要反应式为[2]：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O（1）

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O（2）

为了获得理想的脱硝效率，减小烟气腐蚀，防止生成硫酸氢氨而堵塞催化剂和换热设备，烧结烟气SCR脱硝工艺一般采用中高温催化剂，反应温度控制在280℃以上。

2.脱硝工艺流程

烧结烟气经湿法脱硫或者半干法脱硫后，烟气温度较低，无法满足脱硝反应温度（一般≥280℃），需要对烟气温度进行升温，设计工艺流程为：烟气依次经过回转式换热器（GGH）换热升温、工业煤气（高炉煤气、焦炉煤气等）补燃加热后，将烟气温度升至280℃以上，进入SCR脱硝反应器，与烟气中加入的NH3在催化剂作用下进行脱硝反应，净化后的烟气再经GGH换热降温，回收利用烟气余热，最后将低温烟气排入大气，如图1所示。

图1烧结烟气SCR脱硝工艺流程

3.脱硝还原剂选择

根据烧结烟气SCR脱硝原理及工艺流程，需要氨气参与脱硝反应。脱硝工艺中常用的还原剂主要有液氨、氨水和尿素，采用一定的工艺方法，制备脱硝反应所需的氨气。液氨具有高毒性、易爆炸特性，在运输和储存过程中存在很大的安全隐患，设置的氨区为重大危险源。因此，一般新建的脱硝装置不再采用液氨作为脱硝还原剂。相较于液氨，低浓度的氨水危险性较低，通过物理蒸发的方式可以快速制备氨气，整个储存及氨气制备系统简单，操作及维护方便。尿素是一种无色或白色针状或棒状结晶体，安全性高，且易溶于水，可室内堆放储存。尿素通过加水溶解制成一定浓度溶液，可以采用热解反应或者水解反应制备氨气。从还原剂使用的可靠性、安全性、经济性、场地占用等方面综合考虑，烧结烟气SCR脱硝一般采用氨水蒸发或者尿素热解的方式制备氨气，进行脱硝反应。后续将通过对上诉两种方式进行对比，分析其工艺设计及系统配置。

二、不同还原剂工艺设计

1.氨水蒸发工艺

采用氨水蒸发制备氨气，是一种物理方法，通过一定温度的热风或者热烟气将成品氨水（一般20%～25%浓度）全部蒸发，产生氨气和水蒸气。烧结烟气SCR脱硝系统中，蒸发氨水所需的热源有两种，一种取自SCR脱硝反应器出口净烟气，温度≥270℃，为氨水蒸发提供所需热量；另一种利用加热炉出口高温烟气（温度在800℃～1000℃），将氨水蒸发成氨气和水蒸气。针对这两种方案，分别论述其设计工艺。

（1）烧结烟气SCR脱硝反应温度≥280℃，经过脱硝反应后烟气温降一般小于10℃，将该净烟气通过高温稀释风机引出至氨水蒸发器。外购的工业氨水通过氨水输送泵送至氨水蒸发器，经安装在氨水蒸发器上的双流体喷枪雾化喷入蒸发器。在蒸发器内，高温净烟气将雾状氨水全部蒸发，产生氨气、水蒸气和烟气的混合气体。混合气通过设置在反应器入口烟道上的喷氨格栅均匀进入，与待脱硝的原烟气混合后，进入脱硝反应器进行催化还原反应，脱除NOX，整个工艺流程如图2所示。该蒸发系统中，高温稀释风机的主要作用：一方面抽取一定量高温净烟气用于蒸发氨水；另一方面所抽取的烟气能够将蒸发产生的氨气稀释至体积浓度小于5%，满足安全需要。

图2采用氨水蒸发器工艺流程

（2）烧结烟气SCR脱硝系统，为了满足脱硝反应温度≥280℃，需要将低温原烟气进行升温。一般采用外置加热炉，将煤气燃烧以产生高温烟气，温度在800℃～1000℃，然后通过热风支管将高温烟气均匀送入反应器入口上升烟道内，与低温原烟气进行混合升温，以满足脱硝反应温度≥280℃。一般热风支管设置6～8根，材质为310S的耐高温高合金不锈钢，为了增加支管刚性并改善其使用条件，可以在热风支管内衬5cm浇注料。在热风支管前端设置双流体喷枪，枪管及喷嘴材质同样选用310S，将氨水通过喷枪直接喷入支管，在800℃～1000℃烟气中进行蒸发。因为在支管内及烟气混合后的烟道内，烟气温度都能满足氨水蒸发的需要，所以该工艺可以保证氨水蒸发所需的热量和时间，使其完全蒸发产生氨气。在热风支管出口下游位置设混合器，进一步提高反应器入口氨气与烟气的混合均匀程度。工艺流程如图3所示。

图3采用热风支管工艺流程

2.尿素热解工艺

尿素热解是将质量分数为50%左右的尿素溶液，在350℃～600℃温度下分解出NH3和CO2，其主要反应式为[3]：

CO(NH2)2→NH3+HNCO  （1）

HNCO+H2O→ NH3+CO2  （2）

尿素热解系统中最重要的是热源选择，常规电厂SCR脱硝系统一般采用热一次风经电加热器升温，以达到热解所需温度。在烧结烟气SCR脱硝系统中不具备该条件，但是设置的加热炉能够产生800℃～1000℃高温烟气，可以合理利用该部分热量，进行尿素热解。

如果将50%质量浓度的尿素溶液经过双流体喷枪，直接喷入热风支管中进行热解，虽然烟气能够满足分解温度条件，但是由于支管长度短，烟气流速快，其热解反应时间很短，无法满足尿素热解响应时间5s～10s[4]。如尿素不能完全分解，水分蒸发后会形成尿素沉积，对管道造成堵塞，或者被烟气带到反应器，从而沉积在催化剂表面和微孔内，影响脱硝效率。

因此，在热风支管外部设置套管，利用支管管壁（温度700℃左右）散热热量加热反应器出口净烟气（温度≥270℃），使其满足尿素热解温度。具体工艺流程为：将反应器出口净烟气通过高温稀释风机引出，送入设置在热风支管外部的套管内进行烟气升温，通过计算所需换热面积选择支管数量，获得的高温烟气（温度350℃～600℃）进入热解室，同时将尿素溶液喷入进行热解产生氨气，并经设置在反应器入口烟道上的喷氨格栅均匀进入，与待脱硝的原烟气混合后，进入脱硝反应器进行催化还原反应，脱除NOX，工艺流程如图4所示。采用该工艺，可以将热风支管的材质从310S调整为316L，减少投资费用。

图4尿素热解工艺流程

尿素热解工艺中还设有尿素溶液储存和制备系统，主要设备包括尿素储仓、尿素溶解罐、尿素溶液储罐、尿素溶液转存泵及尿素溶液输送泵等。采用除盐水将尿素颗粒在搅拌罐内溶解制成50%质量分数的尿素溶液，由于制备尿素溶液是吸热反应，因此罐内需要利用蒸汽进行加热，温度控制在50℃～60℃。为了保证尿素快速充分溶解，以及避免储存和输送过程中发生温度降低尿素析出现象，在尿素搅拌罐及尿素溶液储罐内均需设置蒸汽盘管，维持溶液温度。

三、应用不同还原剂的对比分析

由于液氨属于重大危险源，在储存和使用中存在很大的安全隐患，目前新建的SCR脱硝工艺不再使用，已建成的项目也在逐步使用氨水或者尿素替代液氨工艺。结合烧结烟气SCR脱硝工艺特点，采用氨水或者尿素作为还原剂都是可行的，其系统配置、运行操作、投资费用等各有优势，本文以某360㎡烧结机烟气SCR脱硝系统为例，设计参数：工况烟气量2160000m³/h，入口NOX浓度350mg/Nm³，脱硝效率86%，年运行小时数为8000h。根据不同还原剂及其工艺方法的差异对比分析，见表1。

表1   　　　　　　　　　　　不同还原剂对比分析

四、结论

综上所述，经过针对烧结烟气SCR脱硝工艺中脱硝还原剂的分析对比，得出该工艺首选氨水或者尿素作为还原剂，且二者优劣如下：

（1）氨水相比于液氨危险性较低，在运输和储存过程中仍需注意，考虑防爆和安全距离。但其蒸发工艺系统较简单，所需热量少，在烧结烟气SCR脱硝工艺中被经常使用。

（2）尿素不存在安全风险隐患，对现场条件适用性强，基本无限制，并且原料消耗成本低，既经济又安全。但在制备及储存尿素溶液过程中需要控制溶液温度在50℃左右，防止尿素结晶，工艺系统较复杂。

因此，烧结烟气SCR脱硝还原剂的选择，需要根据项目条件和现场实际情况对比分析，合理选用。采用氨水工艺，系统配置简单且运行操作灵活，如果厂区布置场地充裕，氨水采购及运输经济合理，可以采用，尤其适用新建项目。对于尿素热解工艺，安全可靠性高，原料使用成本低，对于场地较紧张的改造项目可以采用。

〔参考文献〕

[1]中华人民共和国生态环境部.钢铁企业超低排放改造工作方案（征求意见稿）[Z].2018-5-7.

[2]陈勇,郑鹏辉,樊彦玲.烧结烟气SCR脱硝技术探讨[J].黑龙江科技信息,2021,000(001):173-174.

[3]封琦君.脱硝SCR液氨站改尿素制氨技术探讨[J].化工管理,2018(32):2.

[4]汪建光.燃煤电站SCR脱硝技术中尿素热解和水解制氨技术对比[J].能源与环境,2008(4):2.

[作者简介]：

刘超（1988－），男，学士学位，工程师，研究方向：工业烟气脱硫脱硝。