一、背景介绍
烧结工序是钢铁行业中主要的废气排放源之一，其排放的氮氧化物（NOx）占钢铁行业排放总量的50%左右。2019年5月，生态环境部等五部委联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，要求钢铁行业烧结机头烟气NOx排放浓度小时均值不高于50mg/m3（标态，干基，16%O2），并明确提出烧结烟气脱硝应采用活性炭（焦）、选择性催化还原（SCR）等高效脱硝技术。
SCR法是目前工业应用最广的脱硝技术，其原理是利用NH3等还原剂在催化剂的作用下，有选择性的与烟气中的NOx（主要是NO和NO2）发生化学反应，生成N2和 H2O。主要反应方程式如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O
脱硝催化剂是SCR法的核心，而温度是影响催化剂脱硝性能的重要因素。根据脱硝催化剂适用温度的不同，SCR法可分为中温SCR（280~420℃）和低温SCR（140~280℃）。中温SCR在电力行业有广泛应用，目前技术已经趋于成熟。但是钢铁厂烧结烟气具有温度低、飞灰碱金属含量高、含湿量大等特点，不能完全照搬。大部分企业采用的“脱硫除尘+烟气升温+中温SCR脱硝”的工艺路线，存在投资和运行成本高、需要设置加热炉和GGH换热器，并消耗大量燃气来保证脱硝催化剂的运行温度，系统复杂，投资和运行成本高。采用低温SCR脱硝技术，由于减少升温，即可以取消烟气加热或GGH换热器，因而投资和运行成本大幅降低，已成为各当前烧结烟气脱硝技术发展的主要方向。
二、实验过程
北京华电光大环境股份有限公司依托于华北电力大学，致力于低温SCR脱硝催化剂的研发，研究出适合于烧结烟气脱硝的低温脱硝催化剂，并于2019年9月在山西太钢不锈钢股份有限公司炼铁厂开展中试试验研究。本试验旨在验证该低温SCR脱硝催化剂在150℃烧结烟气中的脱硝活性和运行稳定性，为烧结烟气SCR脱硝技术向低温、节能、抗中毒的方向发展提供关键技术支撑。
太钢炼铁厂450m2烧结机目前采用活性炭法对机头烟气进行脱硫脱硝处理。本次中试从活性炭脱硫脱硝后120~130℃的烟气中抽取25000m3/h进行低温SCR脱硝试验，低温脱硝催化剂采用的是华电光大自主研发的低温平板式抗碱脱硝催化剂，型号为HDGD-DLY-ZL1，其主要化学成分为V2O5-MoO3-TiO2。脱硝催化剂分三层安装，每层按3×1布置，共9个模块。反应器进口烟道内设置蒸汽加热器，用于把活性炭后120~130℃烟气加热至脱硝设计温度150℃。加热介质为厂区管网1.0Mpa、184℃饱和蒸汽。中试采用液氨作为还原剂，液氨来自厂区活性炭装置的氨区。液氨在蒸发器内蒸发成氨气，然后与稀释空气混合成氨体积分数小于5%的混合气，通过喷氨格栅进入反应器进口烟道内与烟气混合。
三、实验结果
烧结烟气低温SCR脱硝技术中试试验于2019年9月3日开始。试验按照烟气温度150℃，脱硝反应器NOx入口110~160 mg/m3，出口NOx浓度≤50mg/m3，氨逃逸≤2.5ppm设计。低温SCR脱硝中试装置连续运行了60d。在这60d中试过程中，脱硝性能良好、运行稳定，脱硝效率平均可达85%以上，反应器出口NOx浓度稳定在50mg/m3以下，完全满足设计要求。氨逃逸在大部分时间内低于0.1ppm，最高不超过1.0ppm，整体情况显著优于设计要求的2.5ppm。由此可知，中试试验脱硝效果理想，催化剂具有优异的低温脱硝活性。
试验结束后，打开脱硝反应器的催化剂安装门，从反应器的第一层催化剂中抽取样品进行观察，催化剂样品外观结构完整，表面没有出现机械损坏；同时，也观察到催化剂滤灰网上有较为明显的积灰。正是存在积灰问题，在60d的运行过程中，反应器进出口压差呈缓慢上升趋势。试验开始时，反应器进出口压差约200Pa；运行至第30d时，反应器进出口压差上升至250Pa，压差增加了50Pa。而在同一中试装置内测试蜂窝催化剂时，在烟气中运行30d后，反应器进出口压差由800Pa增加至960Pa，压差增加了160Pa。可见，在同样中试装置、烟气量以及运行时间的情况下，蜂窝催化剂的压差增长是板式催化剂的3倍之多，这就表明，在抗堵抗积灰方面，板式催化剂比蜂窝催化剂具有明显优势。
图 试验后的脱硝催化剂外观样貌
四、结论
（1）通过中试装置连续60d的稳定运行和脱硝催化剂的取样分析，表明试验采用的低温平板式抗碱脱硝催化剂在活性炭脱硫脱硝后的烧结烟气中具有良好的低温脱硝性能，150℃时脱硝效率平均达85%以上，脱硝反应器出口NOx浓度稳定在50mg/m3以下，氨逃逸低于1.0ppm，完全满足设计要求。
（2）对于活性炭脱硫脱硝后烧结烟气低温SCR脱硝技术，存在催化剂表面积灰问题，应充分考虑催化剂抗积灰能力，以降低催化剂层积灰堵塞的风险。与蜂窝催化剂相比，板式催化剂在抗堵抗积灰方面具有明显优势。
