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钢厂烧结机烟气SCR脱硝技术特性研究
时间:2019-08-13 15:09:14 来源: 作者: 阅读

   一、前言

  在钢铁行业中,NOx主要产生于烧结工艺,烧结烟气脱硝正在成为环保行业的新热点。选择性催化还原法(SCR)是目前最为成熟、高效、可以满足超低排放的要求脱硝技术,在电力行业的超低排放中有广泛应用。然而,随着正式投运的烧结烟气脱硝项目越来越多,脱硝催化剂的堵塞、失活等问题时有发生。越来越多的案例证明,脱硝催化剂的选择和工艺路线的制定是相辅相成的,应充分考虑烟气特点、技术路线、经济成本等因素对症下药,而不能简单照搬。

  二、烧结烟气的特点

  烧结烟气是烧结混合料点火后随台车运行,在高温烧结成型过程中所产生的含尘废气。烧结烟气的主要特点:

  (1)烟气温度较低且变化大,温度范围为100-185℃。

  (2)含湿量大,一般10-12%左右;露点温度高,露点温度在65-80℃。

  (3)烟气含氧量较高,含氧量一般可达12-18%,大大高于燃煤锅炉烟气含氧量。

  (4)烟气含有一定量的氯化氢(HCl)、氟化氢(HF)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)等腐蚀性气体。

  (5)NOx和SO2浓度随铁矿原料和燃料的波动较大,NOx浓度一般200~400mg/ Nm3,高的可达600 mg/Nm3(燃料型NOx占80%以上);SO2浓度一般在800~3000mg/ Nm3,高的可达4000mg/Nm3。

  (6)烟气中含有二噁英。

  (7)烟气含尘约为5-30g/Nm3,经电除尘后一般可控制在100mg/Nm3左右;烟尘中挥发性碱金属含量高。

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  某烧结机飞灰与燃煤锅炉飞灰主要成分对比

  三、烧结烟气SCR脱硝现状

  目前,烧结烟气的SCR脱硝工艺主要分为脱硫前脱硝和脱硫后脱硝两种。为了满足SCR 脱硝温度要求,脱硫前后的烟气均需要先经过GGH 换热器加热,再经热风炉补热后,才能被送入SCR 脱硝装置中。燃煤锅炉的SCR脱硝通常在310~420℃进行,选用中温催化剂。但是烧结烟气流量大、温度低,烟气再热系统的初始投资和运行能耗都很高,目前一般是将烧结烟气加热至230-300℃,选用低温SCR脱硝技术。

  (1)脱硫前脱硝工艺:电除尘出口烟温通常可达130℃左右,烟气加热成本相对较低。烧结机飞灰中碱金属非常高,催化剂中毒风险高。烟气未经脱硫,在低温SCR脱硝过程中,易产生硫酸氢铵/硫酸铵。

 

  (2)脱硫后脱硝工艺:脱硫后烟气温度较低,尤其湿法脱硫后的烟气温度一般50-60℃,烟气加热能耗高,运行成本高。脱硫除尘后烟尘和SO2浓度均大幅降低,催化剂中毒和硫酸氢铵/硫酸铵生成的可能性随之减小,但无法完全避免。

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  湿法脱硫之后的低温SCR脱硝工艺

  现在已经投运的烧结烟气脱硝项目中,SCR催化剂的失活、堵塞问题屡见不鲜。分析其中原因,催化剂失活主要是由碱金属(K、Na)中毒引起的。目前,某些脱硝项目没有充分考虑烧结烟气的特点,选用的催化剂没有抗碱中毒能力,催化剂的使用寿命无法得到保障。例如,某个项目照搬使用电力行业SCR脱硝技术,脱硝温度≥300℃,催化剂选用的电厂用的中温催化剂,结果运行仅几个月后催化剂就严重失活。

 

  另外,已经有多个项目中的催化剂发生了严重堵塞,而且堵塞和失活往往是同时发生的。虽然电除尘后烧结烟气中飞灰浓度可控制在100mg/Nm3左右,比燃煤锅炉脱硝入口的烟尘浓度(30-50g/Nm3)低得多,但是两者的飞灰特性截然不同。催化剂堵塞一般是由以下几方面共同导致的:(a)烧结机飞灰中碱金属含量高,飞灰粘度大,容易在催化剂表面粘附和沉积。(b)飞灰的主要成分KCl、NaCl、Fe2(SO4)3、CaSO4等有很强的吸湿性,低温脱硝工况下,KCl、NaCl、Fe2(SO4)3、CaSO4等易吸潮而粘结成块。(c)低温SCR脱硝过程常有硫酸氢铵/硫酸铵生成,硫酸氢铵/硫酸铵易潮解、粘度大,会与飞灰粘结到一起,共同糊堵催化剂。

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  某烧结脱硝项目中的飞灰和催化剂孔道内的堵塞物

  越来越多的案例证明,烧结烟气脱硝不能简单照搬现有技术,而应充分考虑自身特点对症下药。作为SCR工艺的核心,脱硝催化剂对烧结烟气的适用性,已经引起了越来越多的重视。

  四、烧结烟气SCR脱硝催化剂研究

  北京一品彩票环境股份有限公司依托华北电力大学,组建了自己的研发生产团队,脱硝催化剂具有完全自主知识产权。在对烧结烟气脱硝技术充分论证、广泛调研的基础上,结合自身技术优势,一品彩票研发出适用于烧结烟气的脱硝催化剂,并且已经在唐山港陆钢铁2×200m2+4×100m2烧结机超低排放项目中成功使用一年以上。该催化剂有以下特点:

  (1)催化剂为板式催化剂

 

  烧结机飞灰中碱金属含量高,粘度大,低温运行时又易吸湿而粘结成块,非常容易粘附于催化剂上。蜂窝催化剂的虽然比表面积比板式大,用量相对较少,但是易堵灰。板式催化剂则以金属网板为基材,具有柔性结构,并且几何形状弯角较少。烟气流过板式催化剂时,催化剂单板在烟气中不停振动,使飞灰难以附着于催化剂表面,可以有效避免飞灰在催化剂表面的沉积,因而板式催化剂更适合用于烧结烟气脱硝。

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  板式脱硝催化剂加工流程

  (2)低温下脱硝活性高

 

  一品彩票通过以下方式保证脱硝催化剂在140-280℃温度区间内都具有良好的催化活性:(a)通过调整加工方式优化了催化剂孔结构,合适的孔结构提高了氧气的扩散,增加了氧分子的吸附。(b)配方优化,增加了晶格缺陷,增加了晶格氧(O2-),提高了反应氧的量。(c)通过催化剂的酸化,增加酸性位,尤其是增加B酸的酸位,有利于进一步增加化学吸附氧。

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  低温催化剂与常规催化剂脱硝效率比较

  (3)抗碱金属中毒能力强

 

  烧结机飞灰的碱金属(K、Na)的含量非常高, K、Na易与催化剂表面V、W或Mo的活性酸位点形成V(W、Mo)-O-K键,导致活性酸位点数量减少,从而影响还原剂NH3的吸附活化,造成催化剂活性大幅下降。一品彩票通过以下方式提高催化剂的抗碱金属中毒能力:(a)添加抗碱金属助剂,降低碱金属与活性组分的反应。(b)增加催化剂表面酸性,增强催化剂碱金属容量。(c)调整催化剂配方,提高催化剂活性与抗中毒性能。

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  抗碱金属中毒能力研究

  (4)抗低温硫中毒能力强

 

  烟气含水量较高且温度较低时,烟气中SO3与H2O和NH3很易生成硫酸氢铵。露点温度以下硫酸氢铵粘性很大,容易粘附在催化剂表面造成催化剂表面覆盖及堵孔,影响催化剂的活性。硫酸氢铵与含有碱金属的飞灰一起粘附于催化剂上,会造成催化剂中毒,直至无法再生恢复。一品彩票从降低二氧化硫氧化率和减少硫酸氢铵生成两方面入手,提高催化剂的抗SO2、H2O中毒能力,减少使用寿命周期内的催化剂的再生频率,降低硫铵的生成。

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  抗低温硫中毒能力研究

  六、结论

 

  总之,基于烧结机的烟气特点,以及综合考虑运行稳定性,投资和运行成本、满足超低排放等影响因素,钢厂烧结机脱硝的SCR脱硝技术是不二的选择。SCR工艺可以选择脱硫前脱硝或者脱硫后脱硝。但是为了满足脱硝温度要求,烟气均需要预先经过GGH 换热器加热,再经热风炉补热后,进入SCR 脱硝装置。烧结脱硝温度宜选择230-300℃,且催化剂必须具有抗碱中毒,抗硫中毒,以及具有有效避免积灰堵塞的板式催化剂。

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