摘要：焦炉烟气中存在的大量SO2和NOx是形成酸雨和雾霾的主要污染物。为了落实当前环保生产的基本国策,对焦炉烟气进行脱硫脱硝除尘处理已成为各大企业的当务之急。主要研究了SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝除尘工艺在实际工程中的应用,该工艺效率高,副产品少,抗冲击能力强,是目前国际上一种较为先进的焦炉烟气净化处理技术。采用SDS+SCR工艺对鞍钢股份有限公司炼焦总厂8号焦炉烟气进行脱硫脱硝处理,实际结果表明,当设备入口处焦炉烟气中SO2、NOx和粉尘的平均质量浓度分别为83.84、439.67和18.43mg/m3时,出口处烟气中3种污染物的质量浓度分别低于30、150和5mg/m3,满足GB 16171—2012中的排放要求。研究可以为焦化行业的污染物治理提供可鉴方案和经验。
随着中国社会经济的不断发展和进步，能源消费结构诱发的环境污染现状日益严重，其中温室效应、酸雨、大气烟尘污染等对人民的生产和生活造成了重的危害。钢铁工业是中国工业领域主要排污大户之一，2015年其SO2、NOx和粉尘的排放量分别为173.6万、104.3万和357.2万t，占全国重点调查工业企业排放量的比例分别为12.4%、9.6%和32.2%。
焦化是钢铁生产过程中污染较为严重的工艺环节之一，在焦炉的生产过程中会产生大量含有粉尘、SO2、NOx等有害物质的废气，所以必须对焦炉烟气进行综合处理。如今中国对焦化行业SO2和NOx等污染物排放要求日趋严格，焦炉烟气的治理已经成为钢铁企业环保达标的重中之重。如何对焦炉废气进行脱硫脱硝处理已经成为中国环保领域以及世界能源领域需要解决的主要问题。
目前国内外常用烟气脱硫技术有很多，按照脱硫方式和产物形态的不同，烟气脱硫技术可分为湿法、半干法、干法三大类。湿法脱硫代表性的有以NaOH 为脱硫剂的美国贝尔格(Belco)公司的EDV工艺;半干法和干法脱硫工艺则多用钙基脱硫剂，半干法的代表工艺有德国鲁奇公司(Lurgi)的循环流化床工艺，干法的代表工艺有炉内喷钙加尾部增湿活化器脱硫工艺(LIFAC)。烟气脱硝技术总体也分为干法和湿法两大类。干法脱硝技术有选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、等离子体法以及吸附法。主要的湿法脱硝技术包括碱液吸收法、氧化吸收法、还原吸收法等。为减少焦炉烟气中SO2和NOx等污染物的排放，满足国家环保要求，更好地改善大气环境质量，鞍钢集团工程技术有限公司率先在实际工程中应用了国际上较为先进的“SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝除尘”工艺技术。
本文即该工艺在实际工程中的应用，利用“SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝除尘”工艺技术对鞍钢股份有限公司炼焦总厂8号焦炉烟气脱硫脱硝处理。
1 工艺原理及流程
1.1 SDS干法脱硫工艺原理
20世纪80年代，比利时开发出了SDS干法脱酸喷射技术。通过高效的SDS干法脱酸喷射及均布装置，脱酸剂(粒度为20～25μm)在烟道内被热激活，比表面积迅速增大，与烟气充分接触，发生物理、化学反应，烟气中的SO2等酸性物质被吸收净化。
完成的主要化学反应见式(1)和式(2)：
2NaHCO3+SO2+1/2O2→Na2SO4+
2CO2+H2O (1)
2NaHCO3+SO3→Na2SO4+2CO2+H2O (2)
与其他酸性物质(如HCl、HF等)的反应见式(3)和式(4)：
NaHCO3+HCl→NaCl+CO2+H2O (3)
NaHCO3+HF→NaF+CO2+H2O (4)
SDS脱硫工艺具有操作简单易维护、一次性投资少、占地面积小、运行成本低、全干系统无需用水、脱硫效率高等特点，并且该工艺具有良好的调节特性，脱硫装置的运行及停运不影响焦炉的连续运行，脱硫系统的负荷范围与焦炉负荷范围相协调，可以保证脱硫系统可靠和稳定地连续运行。
目前SDS干法脱酸技术应用在许多行业，包括焦化、燃煤电厂、危险废物焚烧炉、柴油发电等，都取得了很好的净化效果。
1.2 SCR脱硝工艺原理
选择性催化还原(SCR)法如图1所示，即在装有催化剂的反应器内用氨作为还原剂来脱除氮氧化物。烟气中的NOx一般由体积分数约为95%的NO和5%的NO2组成。NOx经脱硝反应转化成分子态的氮气和水蒸气。
SCR工艺主要反应方程式见式(5)和式(6)：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (5)
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O (6)
由于焦炉烟道烟气脱硫后属于中低温脱硝范畴，所以SCR工艺采用中低温脱硝催化剂，该催化剂具有催化反应温度窗口宽、SO2转化率和NH3逃逸率低、抗硫性好、脱除效率高、比表面积大、结构强度高、寿命长等特点。
1.3 工艺流程
焦炉烟气分别由地下机侧和焦侧烟道引出，经原烟气管道阀门和新增入口管道阀门切换并汇合后，进入总烟气管道，在总烟道内，通过高效的SDS干法脱酸喷射及均布装置，使脱酸剂与焦炉烟气充分接触，发生物理、化学反应，烟气中的SO2等酸性物被吸收净化。经吸收SO2等酸性物质并干燥的含粉料烟气进入布袋除尘器进行进一步的脱硫反应及烟尘净化;脱硫除尘后的烟气由SCR脱硝反应器进行脱硝净化，烟气中的NOx与SCR反应器内喷氨格栅喷出的NH3在静态混合器里进行充分混合，并在中低温催化剂的作用下与NH3发生反应，生成N2和H2O，从而达到去除烟气中的NOx的目的，净烟气由增压风机抽引，经出口烟道至原焦炉烟囱排入大气，整套工艺的流程图如图2所示。
另外，在实际工程应用中会加设加热炉，当烟气温度较低时，通过煤气燃烧加热焦炉烟气，提高后续的脱硝反应效率。在焦炉烟气管道原有2台地下挡板阀旁，新建配重式地下闸板阀，该阀门具有气动、手动及电动控制功能。增压风机与焦炉煤气加热系统设置连锁，遇停电等原因造成风机故障不能正常排放废气时，焦炉交换机停止加热;同时，配重式插板阀的电磁阀打开，气缸驱动吊钩脱钩，配重装置落地，阀门2s内快速打开，烟气迅速切换到热备烟囱排放，焦炉交换机恢复煤气加热。
2 项目概况及运行效果
2.1 技术参数
项目中的焦炉烟气条件见表1，单套SDS+SCR脱硫脱硝装置的焦炉烟气处理能力要达到烟气量14.8万m3/h(考虑5%泄漏率)。焦炉烟气经过净化处理后要求烟囱出口排放质量浓度达到SO2不高于30mg/m3，NOx不高于150mg/m3，粉尘质量浓度不高于15mg/m3，满足GB 16171—2012《炼焦化学工业污染物排放标准》中的特别排放限值要求。
2.2 主要系统和设备组成
SDS+SCR焦炉烟气脱硫脱硝系统主要由SDS脱硫系统、SCR脱硝系统、除尘系统、脱硝剂供应及储存系统等部分组成，还包括仪表、通信、供配电、在线监测、消防与控制系统等。主要系统的设备组成见表2。
其中SDS脱硫系统中所用的脱硫剂为高效复合脱酸剂，粗粉粒度为300～500μm，使用时将其研磨成粒度为20～25μm 细粉再喷入焦炉烟气管道，可以有效提高反应效率，优化处理效果。系统运行过程中脱硫剂的用量为30～80kg/h，脱硫剂的过量系数为1.1。
SCR脱硝反应器由壳体、内部支撑、导流整流装置及密封装置等组成。优化脱硝装置使得烟气在反应器内分布均匀，同时该设计可以最大化地降低烟气阻力，避免积灰。SCR脱硝反应器的入口及出口处采用了优化设计的导流板均布技术，以保证烟气在进入第一层催化剂时满足下列条件：速度最大偏差范围为平均值的±15%;温度最大偏差范围为平均值±10℃;烟气入射催化剂最大角度(与垂直方向的夹角)范围为优于±10°;NH3/NOx的物质的量比绝对偏差范围为平均值的±5%。脱硝反应器内的催化剂支撑钢梁设置为3层(层间距离不小于2.5m)。由下至上依次为2个工作层以及1个预留层，脱硝催化剂体积为30m3。
2.3 温度对脱硫脱硝的影响
在脱硫脱硝的过程中温度是一个重要的影响因素，尤其对脱硝效率有较大影响，所以在系统调试阶段对不同温度的处理效率进行了分析。图3所示为温度对SDS+SCR工艺脱硫脱硝性能的影响。由图3(a)可知，当温度低于180 ℃时，脱硝率低于30%;但是随着温度的不断升高，脱硝率有明显提升，当温度升高到210 ℃左右，脱硝率约为85%。由图3(b)可知，当温度升高到140℃以上，脱硫率约为93%，脱硫效果良好。这是由于温度的升高可以有效地提高脱硝催化剂的活化性能，加速脱硝反应的进行，对NOx的处理更加完全。同时，高温可以使脱酸剂被热激活，其比表面积迅速增大，可以更高效地吸收烟气中的SO2等酸性物质，提高脱硫效率。
2.4 实际运行情况
鞍钢股份有限公司炼焦总厂8号焦炉自采用“SDS+SCR”工艺以来，设备运行正常稳定，烟气脱硫脱硝除尘效果较好。设备的实际运行效果如图4所示。
焦炉烟气中SO2的处理效果如图4(a)所示，在近3个月的运行过程中，入口SO2质量浓度平均为83.84mg/m3，出口SO2质量浓度低于30mg/m3，去除率最高可达到85.91%。图4(b)所示为焦炉烟气中NOx的处理效果，平均入口质量浓度为439.67mg/m3，可以保证出口质量浓度低于150mg/m3。图4(c)所示为焦炉烟气中粉尘的处理效果，平均入口质量浓度为18.43mg/m3，去除率基本保持在85%左右。由此可知，“SDS+SCR”工艺烟气脱硫脱硝系统投用后，焦炉烟气中各种污染物的浓度下降较为明显，该套系统能够实现预期的目标需求，在结合经济性的同时可以满足所在地区的规定排放限值。
同时，从图4中可以发现，在运行过程中，焦炉烟气的污染物浓度波动较大，但排出气体的污染物浓度稳定且符合相关排放标准，这说明“SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝除尘”工艺的处理效果好、稳定性高，同时也具有较强的抗冲击能力。
2.5 工艺效果探究
随着近些年国家对环境污染的不断重视，环保排放标准也更为严格。所以在设计SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝系统的同时也考虑了设计余量。在正常运行条件下，通过提高脱硫剂和脱硝催化剂的用量可以有效地提高该系统的脱硫脱硝效率。为了进一步测试SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝工艺的脱硫脱硝效果，对该系统进行了探究试验。烟气中各污染物的去除率如图5所示。试验过程中系统入口烟气SO2、NOx和粉尘的质量浓度均值分别为69.76、450.25和10.13mg/m3，处理后可以保证排出气体中SO2质量浓度低于15mg/m3，NOx质量浓度低于90mg/m3，粉尘质量浓度低于3mg/m3。由此可知，该系统的设计余量比较充足，通过严格控制该系统可以满足较高的排放指标要求。
3 工艺对比
对焦炉烟气进行脱硫脱硝的工艺有许多种，目前国内外实际工程中主流的焦炉烟气脱硫脱硝方案除了本文中所采用的SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝工艺外，还有SDA(Na)半干法脱硫+中低温SCR脱硝、SDA(Ca)半干法脱硫+GGH-中低温SCR脱硝、SCR脱硝+SDA半干法脱硫、SCR脱硝+氨法脱硫、活性炭干法脱硫脱硝等。对比分析以上6种焦炉烟气脱硫脱硝工艺的优缺点见表3。
根据对以上多种脱硫脱硝工艺进行综合比较，发现SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝工艺具有其特有的优势，更适合焦炉烟气净化。从工艺技术的先进性来看，该工艺具有较高的脱硫脱硝效率，工艺技术简单实用、占地小、投资少、副产物少且硫酸钠含量高，便于利用。
SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝工艺是目前国际上较为先进的一种脱硫脱硝工艺。通过合理的操作，可以确保脱硫脱硝系统长期、安全、稳定、连续地达标运行。
4 结语
SDS干法脱硫+中低温SCR脱硝除尘工艺技术在鞍钢股份有限公司炼焦总厂8号焦炉投用以来，设备运行稳定，焦炉烟气净化效果好。焦炉烟气中的污染物组分显著降低，均达到国家相关排放标准。该工艺技术得到了企业和当地环保部门的肯定，同时也为焦化行业的污染物治理提供了可借鉴方案和经验。
