王鵬飛，劉金英，楊金保，沈國良
（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）
摘 要：本文主要通過對 SCR 脫硝技術、球團生產(chǎn)工藝熱工參數(shù)控制、回轉(zhuǎn)窯主燃燒器改型等，不斷提升 120 萬噸鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯氧化球生產(chǎn)線氮氧化物控制能力，確保外排氮氧化物排放滿足外排控制標準。首鋼球團廠始建于1985 年，一系列生產(chǎn)線 2000 年經(jīng)過截窯改造，是我國第一條采用鏈箅機-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機工藝的現(xiàn)代化球團生產(chǎn)企業(yè)，該生產(chǎn)線已成為整個球團生產(chǎn)行業(yè)的典范，是首鋼重要的高爐原料生產(chǎn)基地。2018 年 9 月完成了煙氣脫硝項目，采用中低溫 SCR 工藝，2020 年 4 月投入 SNCR 脫銷工藝，2021 年 3 月使用回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器后。通過實施一系列措施控制后，在排放指標滿足唐山市特別排放限值：粉塵小于 5mg/m3 、二氧 化硫小于 20mg/m3 、氮氧化物小于 30mg/m3要求的同時，SCR 脫硝使用的氨水消耗顯著降低。
關鍵詞：球團；氮氧化物；脫硝技術；燃燒器
1 引言
首鋼球團廠始建于 1985 年，一系列生產(chǎn)線 2000 年經(jīng)過截窯改造，是我國第一條采用鏈箅機-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機工藝的現(xiàn)代化球團生產(chǎn)企業(yè)，該生產(chǎn)線已經(jīng)成為整個球團生產(chǎn)行業(yè)的典范，是首鋼重要的高爐原料生產(chǎn)基地。眾所周知，氮氧化物生成類型主要有三種：一種是熱力型：溫度在 1350℃以上時, 氮氣在高溫下被氧化生成 NO；一種是燃料型：燃料中的有機氮化物在燃燒過程中生成的 NOx；另一種是瞬時型：高濃烴類燃料燃燒時，空氣中氮氣與之反應生成 NOx。燃燒中 NOx 生成的控制，通過降低燃燒溫度，控制空氣與燃料的混合比，縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時間，以減少熱力型 NOx的生成 ，煙氣中的 NOx脫除，其次是對已經(jīng)生成的 NOx通過其他反應途徑，從而將煙氣中 NOx含量降低。我廠采用的是回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒、鏈篦機 SNCR脫硝技術、SCR 脫硝技術，以滿足唐山市特別排放限值要求。
2 提升氮氧化物控制能力探索
2.1 提升 SCR 煙氣脫硝工藝脫硝效率
首鋼球團煙氣脫硝項目完成于 2018 年 9 月，一般入口 NOx（標態(tài)，下同）為 200~350mg/m3 ，出口 NOx穩(wěn)定在 50mg/m3以下。排放濃度達到國家要求的超低排放標準。其主要參數(shù)，見表 1。
2.1.1 SCR 煙氣脫硝工作原理
Selective Catalytic Reduction，簡稱 SCR，即選擇性催化還原法，其核心是用 NH3催化還原促使煙氣中NOx 大幅度凈化的方法。SCR 的工作原理是在特定催化劑下，用 NH3選擇性的將 NOx 還原為 N2和 H2O，其選擇性體現(xiàn)在，只與 NOx 發(fā)生反應，而自身不被煙氣中殘余的 O2氧化，其主要反應式如下：
4NO + 4NH3+ O2 → 4N2+ 6H2O
2NO2 + 4NH3+ O2 → 3N2+ 6H2O
6NO2 + 4NH3 →5N2 + 6H2O
2.1.2 SCR 脫硝工藝流程
SCR 脫硝系統(tǒng)由氨儲備與供應設備、稀釋氨氣設備、氨噴射系統(tǒng)、煙道系統(tǒng)、SCR 反應器、吹灰器等組成。核心裝置是反應器，催化劑安裝于反應器內(nèi)部。SCR 反應器截面呈矩形，外壁一側(cè)在每一層催化劑均設有檢修門，用于更換催化劑模塊，每個催化劑層設有人孔，便于檢修時對催化劑模塊進行檢查。
還原劑氨水由罐車送到氨水儲罐，氨水儲罐輸出的 18%~20%的氨水，在蒸發(fā)器內(nèi)使氨蒸發(fā)為氨氣，與稀釋風機稀釋后（NH3濃度為 5%），通過噴氨格柵噴入煙氣中與煙氣混合，再經(jīng)靜態(tài)混合氣充分混合后進入催化反應器。當達到反應溫度 260℃~280℃且與氨氣充分混合的煙氣流經(jīng) SCR 反應器的催化劑時，氨氣與 NOx 發(fā)生反應，將 NOx 還原為無毒的 N2和 H2O。
2.1.3 SCR 脫硝工藝流程投入使用過程存在問題及控制措施
2.1.3.1 SCR 反應區(qū)壓差高
SCR 反應區(qū)壓差高主要體現(xiàn)在催化劑層壓差高和脫硝系統(tǒng)進出口壓差高，通過不斷摸索， 催化劑各層壓差實際高于 350Pa 時，整個系統(tǒng)通透性有一定的影響，主要表現(xiàn)在：（1）窯頭負壓減少，球團生產(chǎn)工序熱風受阻，影響焙燒氣氛。
（2）脫硫脫硝系統(tǒng)進出口壓差逐漸增大，脫硫脫硝系統(tǒng)通透性降低，如圖 1。
SCR 反應區(qū)壓差高的處理措施：
（1）檢查壓力表顯示是否為實際壓力，取壓管道是否堵塞、結冰，吹掃取壓管，清除管內(nèi)雜質(zhì)。
（2）檢查是否積灰引起，檢查煙氣流量，利用停機檢修對催化劑、GGH 換熱器表面進行清理。
2.1.3.2 催化劑層堵塞物的控制
脫硝催化劑選擇中低溫催化劑，呈蜂窩狀，催化劑化學壽命為 24000h。催化劑模塊設計有效防止煙氣短路的密封系統(tǒng)，密封裝置的壽命不低于催化劑的壽命。催化劑各層模塊規(guī)格統(tǒng)一、具有互換性。反應催化劑層共有四層，其中最上一層為預留層，共填充四層（采取一新三舊的填充方式）。由于采用蜂窩狀催化劑，在實際使用時催化劑也會出現(xiàn)一些問題，煙氣中飛灰（煙塵）所有導致 SCR 催化劑失活的因素當中，積灰是最復雜、影響最大的一個。如果催化劑的微孔被煙塵顆粒堵塞（見圖 2），則催化劑表面活性逐漸喪失，導致催化劑失活，同時制約前道工序熱工參數(shù)控制和球團產(chǎn)量。
為減少飛灰對催化劑的影響，可采取以下措施：
（1）主引風機啟動后不論脫硝投入與否，聲波吹灰器應及時啟動，讓其一直投入，定期吹掃。合理調(diào)整吹灰時間、頻次，降低飛灰在催化劑表面的沉積，當發(fā)現(xiàn)催化劑壓差有增大趨勢時，應加強吹掃。從實際摸索看，增大吹掃頻率不如延長吹掃時間效果好。
（2）聲波吹灰器使用的壓縮空氣正常且穩(wěn)定，是保證吹灰效果的基礎，壓縮空氣儲氣罐需定期排水，防止壓縮空氣含水量過大。
（3）合適的煙氣均布措施。
（4）選擇合適的催化劑量，增加催化劑的體積和表面積。
（5）通過適當?shù)闹苽涔に?，增加催化劑表面的光滑度，減緩飛灰在催化劑表面的沉積。
（6）合理利用系統(tǒng)檢修、停機等，及時清理催化劑表面堵塞物。
2.1.3.3 稀釋風機的穩(wěn)定運行
稀釋風機的作用是將制備的氨氣稀釋后噴入反應器，稀釋后的氨氣濃度遠低于爆炸極限，保證安全，因此稀釋風機的穩(wěn)定是噴氨的必備條件。稀釋風機伴主引運行而運行，啟動主引風后應及時啟動稀釋風機，防止噴氨格柵堵塞。
稀釋風機運行中常見問題主要是稀釋風機風量降低、壓力降低或無風量、無壓力，主要原因是稀釋風機入口閥門關小。稀釋風機入口閥的作用是調(diào)節(jié)稀釋風機流量，該風量應一直保持最大運行風量，不宜根據(jù)負荷高低或入口 NOx濃度調(diào)整風量，當發(fā)現(xiàn)稀釋風機出口壓力降低，風量較小，應檢查入口閥門是否誤操作。
2.1.3.4 氨逃逸
氨逃逸產(chǎn)生的原因，主要是由于氨法脫硝過程中氨水作為吸收劑，但是氨水在常溫下存在揮發(fā)性，并且受溫度及密閉性的影響。長時間放置濃氨水，會損失大量能量。揮發(fā)后的氨水不僅會降低脫硝效率，對空氣還會造成污染。所以從環(huán)保方面而言減少氨水的揮發(fā)性具有重要作用。
解決措施：在脫硝系統(tǒng)中放置氨逃逸監(jiān)測表，這樣可以對氨逃逸量進行及時的監(jiān)測。有助于減少液氨的投入量，減少氨的損耗，防止形成銨鹽堵塞催化劑及腐蝕設施，并且觀察煙氣的排放情況。
2.1.3.5 增加噴氨格柵，提升脫硝效率
在生產(chǎn)過程中，由于稀釋風機使用脫硝后凈煙氣作為稀釋氣，在過程成煙氣與氨氣極易形成含氯離子、銨離子較高的鹽堵塞噴氨格柵分支，降低氨氣利用效率和氨水蒸發(fā)器效率，從而導致氨水消耗增加，脫硝效率降低。
解決措施：在脫硝系統(tǒng)中增加一組噴氨格柵，實現(xiàn)在線切換使用、維護。有助于減少氨水的投入量，減少氨的損耗，防止形成銨鹽堵塞催化劑及腐蝕設施，提升脫硝效率，如圖 3 所示
2.2 加強熱工參數(shù)控制能力
（1）減少回轉(zhuǎn)窯內(nèi)過?？諝庀禂?shù)。專家通過研究發(fā)現(xiàn)，過剩系數(shù)為 1.05 時，生成的氮氧化物達到最高值。結合球團生產(chǎn)實際，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氧含量越高，生成的氮氧化物就越多。從生產(chǎn)操作上控制的有效途徑主要有兩個，一是降低 1 號鼓風機的風量，在保證環(huán)冷機冷卻效果的情況下，適當提高二冷段回熱溫度（如圖 4 所示）；二是減少助燃、羅茨的風量。
（2）焙燒溫度?；剞D(zhuǎn)窯溫度越高，生成的氮氧化物越多，尤其是超過 1500 度時，急劇增加。降低焙燒溫度是控制 NOx 生成的最佳手段。
（3）主槍燃燒火焰的形狀。結合球團生產(chǎn)的實際，火焰拉長可降低窯內(nèi)火焰高溫點溫度，減少熱力型NOx 生成。從生產(chǎn)操作上主要是調(diào)整內(nèi)外、風開度。
（4）煙氣在窯內(nèi)停留的時間。煙氣在高溫區(qū)停留的時間越長，生成的 NOx 越多。從生產(chǎn)操作上主要是控制回轉(zhuǎn)窯窯頭的負壓大小，可以采取減少 1 號鼓風機風量、合理調(diào)整主引風機、耐熱風機的風量匹配等辦法。
2.3 增加鏈箅機 SNCR 煙氣脫硝工藝
2.3.1 SNCR 脫硝原理
SNCR 脫硝技術即選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，以下簡寫為 SNCR）技術，是一種不用催化劑，在 850~1100℃的溫度范圍內(nèi)，將含氨基的還原劑（如氨水、尿素溶液等）噴入爐內(nèi)，將煙氣中的 NOx 還原脫除，生成氮氣和水的清潔脫硝技術。
其主要的反應式如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→6N2+6H2O
脫硝反應后的產(chǎn)物可以從上式中看出，具為氮氣和水，可以直接排放，不存在像脫硫處理的產(chǎn)物要進行專門的處理和存放。
2.3.2 技術特點
SNCR 技術的優(yōu)點是：不需要催化劑，不受煤質(zhì)和煤灰的影響，不需要額外的脫硝設備，設備相對簡單，能夠直接改造而成，投資成本較低廉，但是 SNCR 法也具有脫硝效率較低、氨的逃逸率高、還原劑消耗量大等缺點。其中還原劑消耗量大的原因是，還原劑與 O2反應會生成 H2O 及 CO2。因此，SNCR 適用于對脫硝效率要求不太高的場所，或是在 SCR 和低氮燃燒技術等技術聯(lián)合應用。
2.4 對回轉(zhuǎn)窯主槍進行改造使用低氮燃燒器
為進一步從源頭上減少氮氧化物的產(chǎn)生，將原有的回轉(zhuǎn)窯四通道燃燒器改進為有軸流風通道、旋流風通道、燃料通道和中心風通道構成的五通道回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器，如圖 5 所示。
SR 型燃燒器結構及原理：
軸流風：起包火焰的作用。 防止火焰發(fā)散、發(fā)亂并卷吸周圍的高溫次風，以利于燃料的迅速燃燒。
旋流風：加強高溫空氣與燃料的快速混合，其在運動過程中產(chǎn)生的內(nèi)回流更有利于火焰的穩(wěn)定和燃料方的燃燒?？烧{(diào)節(jié)旋流器出口角度和速度適應不同煤質(zhì)的變化，調(diào)節(jié)不同的火焰形狀。
煤風：其作用在于把燃料均勻、穩(wěn)定的輸送入窯。
中心風：其作用在于穩(wěn)定火焰、控制火焰內(nèi)回流區(qū)的大中心風小遠近。并防止煤粉倒灌回流堵塞噴頭，穩(wěn)焰、調(diào)整旋流強度、冷卻頭部，火焰穩(wěn)定性好。
可調(diào)節(jié)出口截面積：當燃料或窯況發(fā)生較大變化時，可以通過調(diào)節(jié)出口截面積改變風速及風量來改變火焰形狀。
熱力強度高：燃料和次風及二次風混合良好，燃燒充分，高溫區(qū)域長，提高物料的轉(zhuǎn)化率。
攏焰罩：防止火焰過早擴散；使氣流形成碗狀效應，有效收攏火焰；避免溫度峰值過高。
燃燒器配風合理：性能優(yōu)良的燃燒器在配風時保證使用效果的同時還要充分考慮到節(jié)能環(huán)保的問題，不同燃料的燃燒器配風原理也有所不同。
工作原理：燃料從燃料通道按一定的擴散角向外噴出，由助燃風傳給相當高的動量和動量矩，旋流風與噴出的燃料混合以高速度螺旋前進，與高速射出的軸流風束相遇。軸流風束的插入進一步增強了燃料與風的混合(包括周圍的二次風)，并可調(diào)節(jié)火焰的發(fā)散程度，能按需要調(diào)節(jié)火焰的長短、粗細,達到需要的火焰形狀。
中心風的作用是促使中心部分的少量燃料及 CO 燃燒，使燃燒更為充分，并起穩(wěn)流的作用。由于這種燃燒機理和旋流風、軸流風具有的高速度，燃燒是非常迅速和完全的。
3 氮氧化物控制效果
通過不斷摸索球團生產(chǎn)工藝、SNCR 脫硝工藝和中低溫 SCR 脫硝工藝的運行情況與熱工參數(shù)匹配，在確保球團產(chǎn)品滿足質(zhì)量技術要求的情況下，形成了“回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒+鏈篦機 SNCR 脫硝技術+SCR 脫硝技術”相結合的氮氧化物控制工藝系統(tǒng)，入口 NOx由之前 200~350mg/m3下降到 80~140 mg/m3控，脫硝系統(tǒng)氨水消耗由之前 400kg/h 左右下降到 100kg/h，出口 NOx較同期有明顯降低，達到超低排放要求，脫硝效率可以穩(wěn)定在 90%以上。
如圖 6 所示，無論是單一的 SCR 脫硝技術還是 SNCR 脫硝技術，系統(tǒng)氮氧化物的的波動比較頻繁，操作人員調(diào)整的頻次較多，增加回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器后系統(tǒng)氮氧化物的控制能力較前期明顯提升。脫硝系統(tǒng)的噴氨量由 300kg/h 降低至 60kg/h，焙燒煙氣中的 NOx生成濃度從 100~150mg/m3降低至 80~100mg/m3 ，外排煙氣的 NOx濃度由前期的 40mg/m3降低到了 20mg/m3 ，能夠滿足唐山特別排放限值的標準。
4 結語
（1）通過加強吹灰器運行管理，定期對催化劑、GGH 積灰進行清理，減少催化劑積灰、堵塞、磨損，從而減少系統(tǒng)阻力，增強系統(tǒng)通透性，降低風機負荷和延長使用壽命，能夠有效保證 SCR 脫硝效率控制在85%以上。
（2）SCR 脫硝技術、鏈箅機 SNCR 脫硝技術是降低球團 NOx產(chǎn)生的有效方法，焙燒煙氣中的 NOx生成濃度從 130~150mg/m3降低至 80~120mg/m3 ，外排煙氣的 NOx濃度由前期的 40mg/m3降低到了 30mg/m3 。
（3）隨著對低氮燃燒器合理旋流風和軸流風匹配的不斷摸索，以及合理的熱工參數(shù)制度控制源頭和過程減排后，SCR 脫硝系統(tǒng)的氨水消耗噴氨量控制到 100kg/h 以下，外排煙氣的 NOx濃度由前期的 30mg/m3 降低到了 20mg/m3以下，能夠?qū)崿F(xiàn)鏈箅機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)過程 NOx的特別排放限值要求。
參 考 文 獻
[1] 羅斌, 宋存義. 首鋼集團有限公司礦業(yè)公司 1×120 萬噸年球團煙氣脫硝超低排放項目技術方案[R] 北京首鋼國際工程技術有限公司, 2018.
[2] 五通道煤、氣混燒燃燒器說明書[R]. 襄陽中和機電技術有限公司,2020.
[3] 鄧志鵬, 樊響, 周景偉, 等. 一種球團煙氣脫硝處理裝置及其處理方法與流程，20759993[P], 2020. 05. 15.
[4] 李軒. SNCR 煙氣脫硝工藝簡介[R]. 2019, 08.
[5] 劉樹根, 寧平, 李婷. 燒結(球團)工藝過程氮氧化物產(chǎn)生及控制[J]. 昆明理工大學環(huán)境科學與工程學院, 2016, 6.
[6] 陳瀝強, 張西良, 等. 鏈篦機篦床余熱回收技術及裝置設計[J]. 燒結球團, 2009, 34(4) : 5-8.
[7] 張字, 馬俊小. 鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)鐵礦氧化球團焙燒過程的能和炯分析[J]. 燒結球團, 2008, 33(5) : 5-9.
[8] 張漢泉, 鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯鐵礦氧化球團干燥預熱工藝參數(shù)研究[J]. 礦冶, 2005, 14(2): 59-62.
[9] 劉寶先, 任大鵬, 鏈篦機物料平衡及熱平衡計算[J]. 現(xiàn)代冶金, 2009. 37(6): 64-66.
[10] 馮俊小, 鄭海薇, 張永明, 等. 鏈篦機的熱工測試及節(jié)能研究[J]. 工業(yè)爐, 2008, 30(1): 11-13.
[11] 宋彥坡, 董武, 等. 鏈篦機球團預熱系統(tǒng)能耗分析及優(yōu)化[J]. 金屬材料與冶金工程, 2012, 40(4): 10-13.
[12] 葉恒棣, 胡兵, 魏進超. 鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯球團 NOx 超低排放技術研究[J]. 燒結球團, 2020, 45(1): 57-59.