隨著中國社會經濟的不斷發(fā)展和進步，能源消費結構誘發(fā)的環(huán)境污染現狀日益嚴重，其中溫室效應、酸雨、大氣煙塵污染等對人民的生產和生活造成了重的危害。鋼鐵工業(yè)是中國工業(yè)領域主要排污大戶之一，2015年其SO2、NOx和粉塵的排放量分別為173.6萬、104.3萬和357.2萬t，占全國重點調查工業(yè)企業(yè)排放量的比例分別為12.4%、9.6%和32.2%。

　　焦化是鋼鐵生產過程中污染較為嚴重的工藝環(huán)節(jié)之一，在焦爐的生產過程中會產生大量含有粉塵、SO2、NOx等有害物質的廢氣，所以必須對焦爐煙氣進行綜合處理。如今中國對焦化行業(yè)SO2和NOx等污染物排放要求日趨嚴格，焦爐煙氣的治理已經成為鋼鐵企業(yè)環(huán)保達標的重中之重。如何對焦爐廢氣進行脫硫脫硝處理已經成為中國環(huán)保領域以及世界能源領域需要解決的主要問題。

　　目前國內外常用煙氣脫硫技術有很多，按照脫硫方式和產物形態(tài)的不同，煙氣脫硫技術可分為濕法、半干法、干法三大類。濕法脫硫代表性的有以NaOH 為脫硫劑的美國貝爾格(Belco)公司的EDV工藝;半干法和干法脫硫工藝則多用鈣基脫硫劑，半干法的代表工藝有德國魯奇公司(Lurgi)的循環(huán)流化床工藝，干法的代表工藝有爐內噴鈣加尾部增濕活化器脫硫工藝(LIFAC)。煙氣脫硝技術總體也分為干法和濕法兩大類。干法脫硝技術有選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化還原法(SNCR)、等離子體法以及吸附法。主要的濕法脫硝技術包括堿液吸收法、氧化吸收法、還原吸收法等。

　　1 工藝原理及流程

　　1.1 SDS干法脫硫工藝原理

　　20世紀80年代，比利時開發(fā)出了SDS干法脫酸噴射技術。通過高效的SDS干法脫酸噴射及均布裝置，脫酸劑(粒度為20～25μm)在煙道內被熱激活，比表面積迅速增大，與煙氣充分接觸，發(fā)生物理、化學反應，煙氣中的SO2等酸性物質被吸收凈化。

　　完成的主要化學反應見式(1)和式(2)：

　　2NaHCO3+SO2+1/2O2→Na2SO4+

　　2CO2+H2O (1)

　　2NaHCO3+SO3→Na2SO4+2CO2+H2O (2)

　　與其他酸性物質(如HCl、HF等)的反應見式(3)和式(4)：

　　NaHCO3+HCl→NaCl+CO2+H2O (3)

　　NaHCO3+HF→NaF+CO2+H2O (4)

　　SDS脫硫工藝具有操作簡單易維護、一次性投資少、占地面積小、運行成本低、全干系統(tǒng)無需用水、脫硫效率高等特點，并且該工藝具有良好的調節(jié)特性，脫硫裝置的運行及停運不影響焦爐的連續(xù)運行，脫硫系統(tǒng)的負荷范圍與焦爐負荷范圍相協(xié)調，可以保證脫硫系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定地連續(xù)運行。

　　目前SDS干法脫酸技術應用在許多行業(yè)，包括焦化、燃煤電廠、危險廢物焚燒爐、柴油發(fā)電等，都取得了很好的凈化效果。

　　1.2 SCR脫硝工藝原理

　　選擇性催化還原(SCR)法如圖1所示，即在裝有催化劑的反應器內用氨作為還原劑來脫除氮氧化物。煙氣中的NOx一般由體積分數約為95%的NO和5%的NO2組成。NOx經脫硝反應轉化成分子態(tài)的氮氣和水蒸氣。

　　SCR工藝主要反應方程式見式(5)和式(6)：

　　4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (5)

　　4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O (6)

　　由于焦爐煙道煙氣脫硫后屬于中低溫脫硝范疇，所以SCR工藝采用中低溫脫硝催化劑，該催化劑具有催化反應溫度窗口寬、SO2轉化率和NH3逃逸率低、抗硫性好、脫除效率高、比表面積大、結構強度高、壽命長等特點。

　　1.3 工藝流程

　　焦爐煙氣分別由地下機側和焦側煙道引出，經原煙氣管道閥門和新增入口管道閥門切換并匯合后，進入總煙氣管道，在總煙道內，通過高效的SDS干法脫酸噴射及均布裝置，使脫酸劑與焦爐煙氣充分接觸，發(fā)生物理、化學反應，煙氣中的SO2等酸性物被吸收凈化。經吸收SO2等酸性物質并干燥的含粉料煙氣進入布袋除塵器進行進一步的脫硫反應及煙塵凈化;脫硫除塵后的煙氣由SCR脫硝反應器進行脫硝凈化，煙氣中的NOx與SCR反應器內噴氨格柵噴出的NH3在靜態(tài)混合器里進行充分混合，并在中低溫催化劑的作用下與NH3發(fā)生反應，生成N2和H2O，從而達到去除煙氣中的NOx的目的，凈煙氣由增壓風機抽引，經出口煙道至原焦爐煙囪排入大氣，整套工藝的流程圖如圖2所示。

　　另外，在實際工程應用中會加設加熱爐，當煙氣溫度較低時，通過煤氣燃燒加熱焦爐煙氣，提高后續(xù)的脫硝反應效率。在焦爐煙氣管道原有2臺地下?lián)醢彘y旁，新建配重式地下閘板閥，該閥門具有氣動、手動及電動控制功能。增壓風機與焦爐煤氣加熱系統(tǒng)設置連鎖，遇停電等原因造成風機故障不能正常排放廢氣時，焦爐交換機停止加熱;同時，配重式插板閥的電磁閥打開，氣缸驅動吊鉤脫鉤，配重裝置落地，閥門2s內快速打開，煙氣迅速切換到熱備煙囪排放，焦爐交換機恢復煤氣加熱。

　　2 項目概況及運行效果

　　2.1 技術參數

　　項目中的焦爐煙氣條件見表1，單套SDS+SCR脫硫脫硝裝置的焦爐煙氣處理能力要達到煙氣量14.8萬m3/h(考慮5%泄漏率)。焦爐煙氣經過凈化處理后要求煙囪出口排放質量濃度達到SO2不高于30mg/m3，NOx不高于150mg/m3，粉塵質量濃度不高于15mg/m3，滿足GB 16171—2012《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》中的特別排放限值要求。

　　2.2 主要系統(tǒng)和設備組成

　　SDS+SCR焦爐煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)主要由SDS脫硫系統(tǒng)、SCR脫硝系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、脫硝劑供應及儲存系統(tǒng)等部分組成，還包括儀表、通信、供配電、在線監(jiān)測、消防與控制系統(tǒng)等。主要系統(tǒng)的設備組成見表2。

　　其中SDS脫硫系統(tǒng)中所用的脫硫劑為高效復合脫酸劑，粗粉粒度為300～500μm，使用時將其研磨成粒度為20～25μm 細粉再噴入焦爐煙氣管道，可以有效提高反應效率，優(yōu)化處理效果。系統(tǒng)運行過程中脫硫劑的用量為30～80kg/h，脫硫劑的過量系數為1.1。

　　SCR脫硝反應器由殼體、內部支撐、導流整流裝置及密封裝置等組成。優(yōu)化脫硝裝置使得煙氣在反應器內分布均勻，同時該設計可以最大化地降低煙氣阻力，避免積灰。SCR脫硝反應器的入口及出口處采用了優(yōu)化設計的導流板均布技術，以保證煙氣在進入第一層催化劑時滿足下列條件：速度最大偏差范圍為平均值的±15%;溫度最大偏差范圍為平均值±10℃;煙氣入射催化劑最大角度(與垂直方向的夾角)范圍為優(yōu)于±10°;NH3/NOx的物質的量比絕對偏差范圍為平均值的±5%。脫硝反應器內的催化劑支撐鋼梁設置為3層(層間距離不小于2.5m)。由下至上依次為2個工作層以及1個預留層，脫硝催化劑體積為30m3。

　　2.3 溫度對脫硫脫硝的影響

　　在脫硫脫硝的過程中溫度是一個重要的影響因素，尤其對脫硝效率有較大影響，所以在系統(tǒng)調試階段對不同溫度的處理效率進行了分析。圖3所示為溫度對SDS+SCR工藝脫硫脫硝性能的影響。由圖3(a)可知，當溫度低于180 ℃時，脫硝率低于30%;但是隨著溫度的不斷升高，脫硝率有明顯提升，當溫度升高到210 ℃左右，脫硝率約為85%。由圖3(b)可知，當溫度升高到140℃以上，脫硫率約為93%，脫硫效果良好。這是由于溫度的升高可以有效地提高脫硝催化劑的活化性能，加速脫硝反應的進行，對NOx的處理更加完全。同時，高溫可以使脫酸劑被熱激活，其比表面積迅速增大，可以更高效地吸收煙氣中的SO2等酸性物質，提高脫硫效率。

　　2.4 實際運行情況

　　鞍鋼股份有限公司煉焦總廠8號焦爐自采用“SDS+SCR”工藝以來，設備運行正常穩(wěn)定，煙氣脫硫脫硝除塵效果較好。設備的實際運行效果如圖4所示。

　　焦爐煙氣中SO2的處理效果如圖4(a)所示，在近3個月的運行過程中，入口SO2質量濃度平均為83.84mg/m3，出口SO2質量濃度低于30mg/m3，去除率最高可達到85.91%。圖4(b)所示為焦爐煙氣中NOx的處理效果，平均入口質量濃度為439.67mg/m3，可以保證出口質量濃度低于150mg/m3。圖4(c)所示為焦爐煙氣中粉塵的處理效果，平均入口質量濃度為18.43mg/m3，去除率基本保持在85%左右。由此可知，“SDS+SCR”工藝煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)投用后，焦爐煙氣中各種污染物的濃度下降較為明顯，該套系統(tǒng)能夠實現預期的目標需求，在結合經濟性的同時可以滿足所在地區(qū)的規(guī)定排放限值。

　　同時，從圖4中可以發(fā)現，在運行過程中，焦爐煙氣的污染物濃度波動較大，但排出氣體的污染物濃度穩(wěn)定且符合相關排放標準，這說明“SDS干法脫硫+中低溫SCR脫硝除塵”工藝的處理效果好、穩(wěn)定性高，同時也具有較強的抗沖擊能力。

　　2.5 工藝效果探究

　　隨著近些年國家對環(huán)境污染的不斷重視，環(huán)保排放標準也更為嚴格。所以在設計SDS干法脫硫+中低溫SCR脫硝系統(tǒng)的同時也考慮了設計余量。在正常運行條件下，通過提高脫硫劑和脫硝催化劑的用量可以有效地提高該系統(tǒng)的脫硫脫硝效率。為了進一步測試SDS干法脫硫+中低溫SCR脫硝工藝的脫硫脫硝效果，對該系統(tǒng)進行了探究試驗。煙氣中各污染物的去除率如圖5所示。試驗過程中系統(tǒng)入口煙氣SO2、NOx和粉塵的質量濃度均值分別為69.76、450.25和10.13mg/m3，處理后可以保證排出氣體中SO2質量濃度低于15mg/m3，NOx質量濃度低于90mg/m3，粉塵質量濃度低于3mg/m3。由此可知，該系統(tǒng)的設計余量比較充足，通過嚴格控制該系統(tǒng)可以滿足較高的排放指標要求。

　　3 工藝對比

　　對焦爐煙氣進行脫硫脫硝的工藝有許多種，目前國內外實際工程中主流的焦爐煙氣脫硫脫硝方案除了本文中所采用的SDS干法脫硫+中低溫SCR脫硝工藝外，還有SDA(Na)半干法脫硫+中低溫SCR脫硝、SDA(Ca)半干法脫硫+GGH-中低溫SCR脫硝、SCR脫硝+SDA半干法脫硫、SCR脫硝+氨法脫硫、活性炭干法脫硫脫硝等。對比分析以上6種焦爐煙氣脫硫脫硝工藝的優(yōu)缺點見表3。

　　根據對以上多種脫硫脫硝工藝進行綜合比較，發(fā)現SDS干法脫硫+中低溫SCR脫硝工藝具有其特有的優(yōu)勢，更適合焦爐煙氣凈化。從工藝技術的先進性來看，該工藝具有較高的脫硫脫硝效率，工藝技術簡單實用、占地小、投資少、副產物少且硫酸鈉含量高，便于利用。

　　SDS干法脫硫+中低溫SCR脫硝工藝是目前國際上較為先進的一種脫硫脫硝工藝。通過合理的操作，可以確保脫硫脫硝系統(tǒng)長期、安全、穩(wěn)定、連續(xù)地達標運行。