一、研究的背景与问题
近年来，环保政策推动力度空前，国家及地方都出台了很多相关政策，大力推动了钢铁行业大气治理的进程。烧结工序作为钢厂的能耗、污染大户，为满足超低排放要求，企业纷纷响应，采取新建脱硫脱硝系统或改造脱硫脱硝的方式，实现排放达标。
部分钢铁厂在已有的烧结烟气湿法脱硫系统后，新建（或改造）脱硝系统，经过一段时间的运行，新系统频繁出现无法运行的问题，具体包括：
1、湿法脱硫烟气含水率高，后续烟气升温至SCR反应温度所需能耗高；
2、脱硫后烟气为饱和湿烟气，携带大量雾滴及溶融盐，造成GGH的腐蚀、堵塞；溶融盐中的碱金属直接导致催化剂寿命短；系统稳定性差；
3、脱硝系统烟气升温不均匀，提升了进入SCR的烟气温度，增加了系统的能耗。
二、解决问题的思路与技术方案
本技术路线以烧结湿法脱硫烟气为研究对象，针对现有技术系统能耗高、设备腐蚀堵塞的问题，开展了烧结烟气含湿量影响分析，烟气调质研究、催化剂理化性质研究，并采用数值模拟分析了流场多相混合强化方法，形成了余热驱动脱硫塔浆液冷却脱湿技术和双加热SCR脱硝技术，并自主开发了自清洁凝渣布风盘和多点阵列高效混风装置等专利设备，完成了烧结烟气湿法脱硫脱硝长效稳定关键技术开发，并最终实现工程应用。
1.烧结烟气余热驱动脱硫塔浆液冷却技术研究
我公司首创烧结烟气余热驱动脱硫塔浆液冷却技术,取代MGGH,实现有效降低湿法脱硫后饱和湿烟气含湿量。
烧结烟气余热驱动脱硫塔浆液冷却技术,通过回收烧结烟气余热，驱动冷水机组制取冷冻水，再采用浆液换热器，通过冷冻水-浆液换热，降低脱硫塔浆液温度。经过浆液冷却降温，脱硫后湿饱和烟气依然经过脱硫塔除雾器、脱硫塔后湿电除尘器，完全可以确保烟气中液滴含量≤25mg/Nm3，从而实现真正意义上的脱湿，实现脱硫塔出口烟气调质。
按照脱硫塔出口烟气温度从54℃降低至46℃计算，可实现：1）降低脱硫塔出口烟气总体积量2.6%；2）降低脱硫塔出口饱和水蒸气含量约40g/Nm3；3）降低脱硫塔出口烟气中携带的雾滴含量2.6%；4）降低了硫塔出口烟气中溶融盐的含量约1.5mg/Nm3。
图1 技术路线图
2.带有自清洁凝渣布风技术的双加热SCR脱硝技术研究
（1）双加热SCR脱硝技术研究
针对SCR脱硝系统腐蚀、堵塞和催化剂中毒的问题，开发带有自清洁凝渣布风技术的双加热SCR脱硝反应系统，通过设置混入高温烟气的一级加热系统，将带水湿烟气调质为微过热干烟气，具备干烟气物性，实现SCR脱硝系统完全在干烟气物性条件下运行，烟气中杂质对设备粘结、结渣的特性大幅度减弱。一级加热后，设置凝渣布风盘，捕捉了烟气中的大部分颗粒干灰，易于清洁的结构，能够实现在线高效清灰。
湿式电除尘虽然滤除了大部分的可凝结颗粒物，但饱和烟气中仍不可避免携带部分液滴和熔融盐颗粒，通过在换热器前额外增加一级高温烟气补热装置，将带水湿烟气调质为微过热干烟气，使烟气中灰分表现为干灰的物性，粘结、结渣的特性大幅度减弱，减少了对SCR催化剂的影响。
图2 带自清洁凝渣布风技术的双加热SCR脱硝系统流程图及实物照片
（2）自清洁凝渣布风技术研究
开发了基于费斯顿管技术的自清洁凝渣布风技术，根据雾滴粒径及其基本的惯性碰撞原理，通过强化溶融盐、碱性灰分的干燥、粘结过程，去除烟气中的雾滴颗粒及溶融盐，对后部系统起到重要的保护作用。
自清洁凝渣布风盘由多排凝渣管排列组成，当烟气流过凝渣管时，烟气中凝胶状的颗粒和干物性灰分便会迅速干结在凝渣管迎风面的凝渣突起，起到凝结核的作用，实现快速凝渣。
图3 自清洁凝渣布风盘结构和实际图片
同时，通过优化凝渣管间距排布，使烟气流过凝渣管后，减少凝渣管背风侧涡流的产生，保持烟气以较好的流场形态，均匀地通过该自洁式凝渣布风盘，增加灰分颗粒与凝渣管接触的机会，强化对灰渣的捕集。自洁式凝渣布风技术可减轻GGH冷侧入口所存在的挂灰、结渣等情况，有利于烧结机烟气系统可靠、长期、稳定运行。相比维修、更换GGH换热原件，凝渣管的结构简单，方便更换，维护检修工作量小。
3.多层切分与多点阵列喷吹的流场快速精准混合技术研究
烧结烟气流量大，每吨烧结矿可产生4000～6000m3烟气，烟气输送截面积大，传统单点混合、多点混合及直接内置燃烧SCR烟气升温技术，容易在混合过程中形成高温烟气通道，加剧烟气温度偏差，导致脱硝反应效率低、增加系统能耗。部分已投运系统温度偏差可达到30℃。基于多相多场混合强化技术，开发分列式模块化“大截面烟气流道多层切分与多点阵列喷吹耦合”的流场混合精准优化技术，研制出高温烟气快混装置。
高温烟气快混装置采用冷烟气中快速混入高温烟气，以达到快速加热冷烟气的目的。针对高温烟气快混装置工作目标，对装置内部冷热烟气混合过程、换热过程进行数值模拟。以计算流体力学为基础，应用数值模拟方法，对热烟气包括温度场、流场、压力等多物理场,采用标准的SIMPLE算法求解控制方程的离散方程组，动量方程及能量方程采用二阶迎风差分格式，湍流模型采用双方程模型（可实现模型）进行计算。
如图5所示，随着混风单元切分数量的增多，温度偏差逐渐减少；同时，随着长宽比越大，切分数量对混合效果影响越小；综合考虑混合强化效果和经济性，当长宽比在1.5~2.0（工程常用）之间时，优选了11个混风分配单元，其布置形式如图6所示。
图4 截面长宽比与流场温度偏差的关系曲线 图5 11个混风分配单元三维模型
采用11个混风单元的多点阵列高效混风装置，在混风后1.5m截面处即可实现烟气温度偏差≤2%，具有十分优异的混合强化效果。
图6 不同间距截面处烟气温度云图
三、主要创新性成果
1、发明了烧结烟气余热驱动脱硫塔浆液冷却技术，解决了烧结机烟气处理传统工艺湿法脱硫后，饱和湿烟气含湿量大、雾滴含量高、溶融盐含量高所导致的后部烟气处理系统腐蚀性大、系统整体能耗高的问题,实现了脱硫塔出口烟气调质与烧结烟气余热利用的有效耦合。
2、基于多场数值模拟、Fluent数值模拟手段和费斯顿管技术，国际首创带有自清洁凝渣布风技术的双加热SCR脱硝工艺，解决了湿法脱硫所引起的系统腐蚀、堵塞及催化剂寿命低于设计年限的行业难题。使得进入脱硝系统的烟气全部处于过热状态，完全具备干烟气特性，构建了微过热烟气条件，杜绝湿烟气携带的熔融盐腐蚀问题，提升了系统稳定性。研制了基于温度/湿度调控的自清洁式凝渣布风盘，通过强化溶融盐、碱性灰分的干燥、粘结过程，进一步降低烟气中携带的颗粒物，有效减轻后续GGH和催化剂的堵塞。
3、针对传统单点混合、多点混合及直接燃烧SCR烟气升温技术存在的脱硝反应效率低、系统能耗高的问题，基于多相多场混合强化技术，开发出分列式模块化“大截面烟气流道多层切分与多点阵列喷吹耦合”的流场混合精准优化技术，研制出高温烟气短距离均匀高效混风装置，提升了反应器入口多场的均匀性，使混风距离较现有技术缩短近10倍，解决了反应器装置大尺度、突变截面的温度场、浓度场和速度场均布的技术难题，可实现混风距离在1.5内米达到温度差异≤2%的快速传热传质。
四、应用情况与效果
该技术自研发以来，已经建成并投运6条烧结机烟气超低排放协同处理系统，应用于烟气量75万Nm3/h、95万Nm3/h、138万Nm3/h烧结机工况，合计处理1260㎡烧结机尾部烟气，运行稳定，环保指标优异。
2019年我公司凭借本技术的绝对优势，中标某钢厂2条230m2烧结线进行超低排放改造EPC+运营管理。投产后至今经现场试验可以实现污染物排放指标达到：NOx-35mg/m3，SO2-8.2mg/m3，颗粒物-1.4mg/m3，始终满足当地烧结烟气超低排放标准。主要设备运行状态良好。
图7 现场运行画面
图8 GGH表面 图9 催化剂表面 图10 催化剂性能试验曲线
投运至今，合计实现减排SO2 6700吨，减排NOx 750吨，减排颗粒物550万吨，节约工业水20万吨，节约高炉煤气0.34亿标立。为企业带来巨大经济效益和良好的社会效益。
