轧钢加热炉节能减排环保新技术研究探讨
孙少华, 刘杨, 张海生, 苏磊, 刘凯, 王君珂
分析了加热炉烟道废气环保处理新技术，主要针对烟气中CO、SO2、NOx等成分进行降低消除，满足国家环保排放标准。随着近年来加热炉技术不断发展成熟，加热炉工艺设计也日臻完善，但烟气排放问题始终未得到有效的解决。近几年国家环保形势严峻，节能减排环保新技术应运而生，烟气反吹技术、脱硫脱硝技术不仅能够有效降低焦炉烟道废气中的CO、SO2、NOx，而且还可以满足节能环保的要求。通过对加热炉烟道废气处理新技术进行研究，确定加热炉烟道烟气处理的技术，以期为加热炉的安全生产提供可靠的保障，创造出最大化经济效益与社会效益。 随着环保形势日益严峻，以及国家不断深入的开展钢铁企业工程减排深度治理工作，以转炉煤气、焦炉煤气或天然气等高热值燃料为原料的轧钢加热炉须采用烟气反吹技术、低氮燃烧或烟气脱硫脱硝技术，以确保CO、SO2、NOx排放稳定达到超低排放标准。 某钢厂轧钢加热炉长31 m，宽9.2 m，加热坯料长度3.5~8.0 m，采用高产、低耗、自动化程度高、生产灵活的蓄热步进梁式加热炉，高炉煤气、焦炉煤气为轧钢加热炉的主要燃料。拟配套新建CO、SO2、NOx治理设施，以满足环保要求，改善大气环境质量。通过对不同技术方案对比，确定轧钢加热炉烟气处理方式、工艺流程。 1.1 加热炉烟气现状 现今双蓄热式燃烧技术已经成为各种类型工业炉窑的主流燃烧技术，该燃烧技术可以使低热值高炉煤气通过蓄热技术直接用于坯料加热，无需提高煤气热值，且蓄热燃烧技术实现了烟气的低温排放，最大程度上实现了余热回收和节能效果。 但蓄热燃烧技术加热炉普遍存在如下问题，每次燃烧–排烟换向阀切换间隙，蓄热式烧嘴由燃烧状态转变成排烟状态，换向阀到蓄热式烧嘴之间残存的煤气就会被排烟系统抽走，导致此期间有大量的CO外溢，造成对环境的破坏。 这是蓄热燃烧技术加热炉不可避免的问题，而且蓄热燃烧加热炉换向阀频繁动作，45~60 s换向周期不等，由此造成的每次换向阀切换间隙CO整体流量体积外溢量约6%~7%，所以，换向阀至烧嘴之间的切换间隙是必然存在的。 1.2 烟气反吹技术的应用 烟气反吹技术抽取烟道末端烟气反向导入加热炉进行二次燃烧，对于燃烧及排烟间隙的CO进行二次利用，既有效避免部分CO排入大气又实现能源的二次利用与成本降低。 从烟气反吹技术新增设备方面来说，主体设备为反吹风机、阀门及管道，投资成本较小，设备接入相对简单，如图1所示，技术成型度相对完善，投入运行后排入大气的CO量显著降低，达到了每次换向阀切换间隙CO外溢量约0.25%以下，二次燃烧也使加热炉煤气能耗成本显著降低，高炉煤气使用量节约3%～4%，仅此一项，年节约成本约80万元/年。 图1 加热炉烟气反吹示意图（单位 mm） 环保形势日益严峻的今天，对SO2、NOx的排放要求日趋严格，在此基础上脱硫脱硝技术也在不断完善发展，湿法、干法、半干法、小苏打干法脱硫技术（SDS）、选择性非催化还原脱硝技术（SNCR）、选择性催化还原脱硝技术（SCR）等技术应运而生，经过不断的实践，技术成熟度得到提高。 2.1 脱硫技术简况及选用 2.1.1 湿法脱硫技术 湿法脱硫技术是在烟道末端，采用质量分数达到90%以上的浆液剂，洗涤烟气，脱硫剂和脱硫产物均为湿态，反应在溶液中进行，钙的利用率高，脱硫效率较高。此湿法工艺主要有石灰石/石灰–石膏（抛弃）法、简易湿法、双碱法、海水脱硫法、氧化镁法、湿式氨法、石灰–镁法、碱式硫酸铝法等。技术采用的脱硫剂为钙基、镁基、氨基、钠基等。 其投资较大，运行费用高，废水难处理，需设置除雾器或专门的再热装置，极易产生二次污染，处理极为困难，鉴于成本及后期运维，湿法脱硫工艺不予考虑。 2.1.2 干法脱硫技术 干法脱硫技术当前主要采用固定床（罗氏）和SDS（Na基）法脱硫2种。 固定床式脱硫原理：烟气经过装有脱硫剂的设备，例如活性炭吸附剂，吸附烟气中的SO2。固定床主要特点是设备简单、占地面积较小，对生产过程中的烟气温度范围要求较宽松；但存在需定期更换吸附颗粒、对烟气中S波动适应能力较差、不能随时调节烟气脱硫效率的缺点，同时由于脱硫塔是并联关系，在更换脱硫剂过程中会出现排放超标问题，另外使用该技术的单位对固定床式脱硫工艺评价差异大，后期运维对药剂生产厂、药剂质量依赖性特别强，存在较大风险，对于钢铁企业烟气波动量相对较大的实际情况处理能力有限，不予选择。 SDS脱硫原理：此项技术是利用小苏打作为脱硫剂，在脱硫反应器中喷入碳酸氢钠细粉，使其在高温烟气的作用下迅速分解出碳酸钠和二氧化碳，碳酸钠和烟气中的二氧化硫反应，进而被吸收净化。脱硫后粉状颗粒产物随气流进入布袋除尘器收集，同时NaHCO3还可通过物理吸附去除一些无机和有机微量物质。 SDS方法主要特点是对烟气S浓度波动适应能力强，可以根据烟气中S含量动态调节小苏打使用量，可调控烟气浓度范围较大，工况调节能力好，目前广泛应用于锅炉精脱硫，工艺较成熟；且不增加烟气系统的运行阻力，无废水产生，但设备占地大、要求烟气温度较高（大于130 °C）。 综合上述情况，SDS脱硫处理方式更适合钢铁企业中烟气处理实际情况，既能满足烟气波动量大的清理，又能降低二次废物的处理难度，因此，本产线选择用SDS脱硫方式。 2.2 脱硝技术简况及选用 2.2.1 SNCR烟气脱硝技术 选择性非催化还原（SNCR）脱硝工艺需要850~1050 °C的反应温度窗口，其原理是将含氨基还原剂直接均匀喷洒到炉膛内850~1050 °C烟气对流断面上，还原剂与烟气中的NOx反应生成N2和H2O。 SNCR技术主要使用氨水作为还原剂。由于烟气成分复杂，某些污染物可使催化剂中毒，高分散度的粉尘微粒可覆盖催化剂的表面，使其活性下降；系统中存在一些未反应的NH3和烟气中的SO2作用，生成易腐蚀和堵塞设备的硫酸氨和硫酸氢氨，同时还会降低氨的利用率，投资与运行费用较高。 SNCR脱硝技术反应温度高、氨利用率低等问题是此技术缺点，并且氨逃逸几率较大，需新增氨逃逸处理设备，不符合现场对于烟气中NOx的处理要求，不予选用。 2.2.2 SCR烟气脱硝技术 选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术，是向催化剂上游的烟气中喷入氨气或其它合适的还原剂，利用催化剂在温度为200~450 °C时将烟气中的NOx转化为氮气和水。由于氨气具有选择性，只与NOx发生反应，基本不与O2反应，故称为选择性催化还原脱硝。在通常的设计中，使用液态纯氨或氨水，无论以何种形式使用氨，首先使氨蒸发，然后氨和稀释空气或烟气混合，最后利用喷氨格栅将其喷入SCR反应器上游的烟气中。 由于使用了中低温催化剂，SCR反应温度较低（160~250 °C），净化率高，可高达85%以上，工艺设备紧凑，运行可靠，还原后的氮气放空，无二次污染。 SCR烟气脱硝技术较比SNCR技术投资略大，但在较大程度上解决了氨逃逸的问题，避免了出现二次污染，因此选用SCR烟气脱硝技术更合理，也更适用于未来严格的环保要求。 3.1 产线工艺选型及布局 通过对比上述环保手段的发展现状及优缺点，型钢线加热炉选用了烟气反吹+SDS脱硫工艺+布袋除尘+SCR脱硝工艺，达到了减少投资、节约运行成本、避免二次污染的目的，根据烟气中S含量动态调节小苏打使用量，可调控烟气浓度范围较大，工况调节能力好，烟气温度大于130 °C时，脱硫效率可达到95%，且不增加烟气系统的运行阻力，无废水产生。SCR中低温脱硝工艺反应温度较低（160~250 °C），净化率高，可高达85%以上，工艺设备紧凑，布局合理，平面布局如图2。 图2 脱硫脱硝平面布局图 3.2 效果及评价 投入运行后，加热炉烟气中CO进口平均体积分数为0.6%，出口平均体积分数0.0984%，颗粒物、SO2、NOx各项指标见表1。根据现场烟气量实际工况进行调节，后期各项能源及物料指标达到最优效果，降低运行费用，完全满足环保及现场使用要求。 表1 主要设备控制精度参数列表 本套环保工艺设施选型从成本、设备先进性、环保投运指标、后期运行费用等多方面进行对比甄选，选定烟气反吹+SDS脱硫工艺+布袋除尘+SCR脱硝工艺，从施工到投运进行严格质量把关，运行后工况良好，各项环保指标均满足国家超低排放要求。
