一、研究的背景與問(wèn)題
近年來(lái)，環(huán)保政策推動(dòng)力度空前，國(guó)家及地方都出臺(tái)了很多相關(guān)政策，大力推動(dòng)了鋼鐵行業(yè)大氣治理的進(jìn)程。燒結(jié)工序作為鋼廠的能耗、污染大戶，為滿足超低排放要求，企業(yè)紛紛響應(yīng)，采取新建脫硫脫硝系統(tǒng)或改造脫硫脫硝的方式，實(shí)現(xiàn)排放達(dá)標(biāo)。
部分鋼鐵廠在已有的燒結(jié)煙氣濕法脫硫系統(tǒng)后，新建（或改造）脫硝系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，新系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)無(wú)法運(yùn)行的問(wèn)題，具體包括：
1、濕法脫硫煙氣含水率高，后續(xù)煙氣升溫至SCR反應(yīng)溫度所需能耗高；
2、脫硫后煙氣為飽和濕煙氣，攜帶大量霧滴及溶融鹽，造成GGH的腐蝕、堵塞；溶融鹽中的堿金屬直接導(dǎo)致催化劑壽命短；系統(tǒng)穩(wěn)定性差；
3、脫硝系統(tǒng)煙氣升溫不均勻，提升了進(jìn)入SCR的煙氣溫度，增加了系統(tǒng)的能耗。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
本技術(shù)路線以燒結(jié)濕法脫硫煙氣為研究對(duì)象，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)能耗高、設(shè)備腐蝕堵塞的問(wèn)題，開展了燒結(jié)煙氣含濕量影響分析，煙氣調(diào)質(zhì)研究、催化劑理化性質(zhì)研究，并采用數(shù)值模擬分析了流場(chǎng)多相混合強(qiáng)化方法，形成了余熱驅(qū)動(dòng)脫硫塔漿液冷卻脫濕技術(shù)和雙加熱SCR脫硝技術(shù)，并自主開發(fā)了自清潔凝渣布風(fēng)盤和多點(diǎn)陣列高效混風(fēng)裝置等專利設(shè)備，完成了燒結(jié)煙氣濕法脫硫脫硝長(zhǎng)效穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，并最終實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。
1.燒結(jié)煙氣余熱驅(qū)動(dòng)脫硫塔漿液冷卻技術(shù)研究
我公司首創(chuàng)燒結(jié)煙氣余熱驅(qū)動(dòng)脫硫塔漿液冷卻技術(shù),取代MGGH,實(shí)現(xiàn)有效降低濕法脫硫后飽和濕煙氣含濕量。
燒結(jié)煙氣余熱驅(qū)動(dòng)脫硫塔漿液冷卻技術(shù),通過(guò)回收燒結(jié)煙氣余熱，驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組制取冷凍水，再采用漿液換熱器，通過(guò)冷凍水-漿液換熱，降低脫硫塔漿液溫度。經(jīng)過(guò)漿液冷卻降溫，脫硫后濕飽和煙氣依然經(jīng)過(guò)脫硫塔除霧器、脫硫塔后濕電除塵器，完全可以確保煙氣中液滴含量≤25mg/Nm3，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的脫濕，實(shí)現(xiàn)脫硫塔出口煙氣調(diào)質(zhì)。
按照脫硫塔出口煙氣溫度從54℃降低至46℃計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)：1）降低脫硫塔出口煙氣總體積量2.6%；2）降低脫硫塔出口飽和水蒸氣含量約40g/Nm3；3）降低脫硫塔出口煙氣中攜帶的霧滴含量2.6%；4）降低了硫塔出口煙氣中溶融鹽的含量約1.5mg/Nm3。
圖1 技術(shù)路線圖
2.帶有自清潔凝渣布風(fēng)技術(shù)的雙加熱SCR脫硝技術(shù)研究
（1）雙加熱SCR脫硝技術(shù)研究
針對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)腐蝕、堵塞和催化劑中毒的問(wèn)題，開發(fā)帶有自清潔凝渣布風(fēng)技術(shù)的雙加熱SCR脫硝反應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置混入高溫?zé)煔獾囊患?jí)加熱系統(tǒng)，將帶水濕煙氣調(diào)質(zhì)為微過(guò)熱干煙氣，具備干煙氣物性，實(shí)現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)完全在干煙氣物性條件下運(yùn)行，煙氣中雜質(zhì)對(duì)設(shè)備粘結(jié)、結(jié)渣的特性大幅度減弱。一級(jí)加熱后，設(shè)置凝渣布風(fēng)盤，捕捉了煙氣中的大部分顆粒干灰，易于清潔的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在線高效清灰。
濕式電除塵雖然濾除了大部分的可凝結(jié)顆粒物，但飽和煙氣中仍不可避免攜帶部分液滴和熔融鹽顆粒，通過(guò)在換熱器前額外增加一級(jí)高溫?zé)煔庋a(bǔ)熱裝置，將帶水濕煙氣調(diào)質(zhì)為微過(guò)熱干煙氣，使煙氣中灰分表現(xiàn)為干灰的物性，粘結(jié)、結(jié)渣的特性大幅度減弱，減少了對(duì)SCR催化劑的影響。
圖2 帶自清潔凝渣布風(fēng)技術(shù)的雙加熱SCR脫硝系統(tǒng)流程圖及實(shí)物照片
（2）自清潔凝渣布風(fēng)技術(shù)研究
開發(fā)了基于費(fèi)斯頓管技術(shù)的自清潔凝渣布風(fēng)技術(shù)，根據(jù)霧滴粒徑及其基本的慣性碰撞原理，通過(guò)強(qiáng)化溶融鹽、堿性灰分的干燥、粘結(jié)過(guò)程，去除煙氣中的霧滴顆粒及溶融鹽，對(duì)后部系統(tǒng)起到重要的保護(hù)作用。
自清潔凝渣布風(fēng)盤由多排凝渣管排列組成，當(dāng)煙氣流過(guò)凝渣管時(shí)，煙氣中凝膠狀的顆粒和干物性灰分便會(huì)迅速干結(jié)在凝渣管迎風(fēng)面的凝渣突起，起到凝結(jié)核的作用，實(shí)現(xiàn)快速凝渣。
圖3 自清潔凝渣布風(fēng)盤結(jié)構(gòu)和實(shí)際圖片
同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化凝渣管間距排布，使煙氣流過(guò)凝渣管后，減少凝渣管背風(fēng)側(cè)渦流的產(chǎn)生，保持煙氣以較好的流場(chǎng)形態(tài)，均勻地通過(guò)該自潔式凝渣布風(fēng)盤，增加灰分顆粒與凝渣管接觸的機(jī)會(huì)，強(qiáng)化對(duì)灰渣的捕集。自潔式凝渣布風(fēng)技術(shù)可減輕GGH冷側(cè)入口所存在的掛灰、結(jié)渣等情況，有利于燒結(jié)機(jī)煙氣系統(tǒng)可靠、長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。相比維修、更換GGH換熱原件，凝渣管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便更換，維護(hù)檢修工作量小。
3.多層切分與多點(diǎn)陣列噴吹的流場(chǎng)快速精準(zhǔn)混合技術(shù)研究
燒結(jié)煙氣流量大，每噸燒結(jié)礦可產(chǎn)生4000～6000m3煙氣，煙氣輸送截面積大，傳統(tǒng)單點(diǎn)混合、多點(diǎn)混合及直接內(nèi)置燃燒SCR煙氣升溫技術(shù)，容易在混合過(guò)程中形成高溫?zé)煔馔ǖ溃觿煔鉁囟绕?，?dǎo)致脫硝反應(yīng)效率低、增加系統(tǒng)能耗。部分已投運(yùn)系統(tǒng)溫度偏差可達(dá)到30℃?；诙嘞喽鄨?chǎng)混合強(qiáng)化技術(shù)，開發(fā)分列式模塊化“大截面煙氣流道多層切分與多點(diǎn)陣列噴吹耦合”的流場(chǎng)混合精準(zhǔn)優(yōu)化技術(shù)，研制出高溫?zé)煔饪旎煅b置。
高溫?zé)煔饪旎煅b置采用冷煙氣中快速混入高溫?zé)煔?，以達(dá)到快速加熱冷煙氣的目的。針對(duì)高溫?zé)煔饪旎煅b置工作目標(biāo)，對(duì)裝置內(nèi)部冷熱煙氣混合過(guò)程、換熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，對(duì)熱煙氣包括溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、壓力等多物理場(chǎng),采用標(biāo)準(zhǔn)的SIMPLE算法求解控制方程的離散方程組，動(dòng)量方程及能量方程采用二階迎風(fēng)差分格式，湍流模型采用雙方程模型（可實(shí)現(xiàn)模型）進(jìn)行計(jì)算。
如圖5所示，隨著混風(fēng)單元切分?jǐn)?shù)量的增多，溫度偏差逐漸減少；同時(shí)，隨著長(zhǎng)寬比越大，切分?jǐn)?shù)量對(duì)混合效果影響越??；綜合考慮混合強(qiáng)化效果和經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)長(zhǎng)寬比在1.5~2.0（工程常用）之間時(shí)，優(yōu)選了11個(gè)混風(fēng)分配單元，其布置形式如圖6所示。
圖4 截面長(zhǎng)寬比與流場(chǎng)溫度偏差的關(guān)系曲線 圖5 11個(gè)混風(fēng)分配單元三維模型
采用11個(gè)混風(fēng)單元的多點(diǎn)陣列高效混風(fēng)裝置，在混風(fēng)后1.5m截面處即可實(shí)現(xiàn)煙氣溫度偏差≤2%，具有十分優(yōu)異的混合強(qiáng)化效果。
圖6 不同間距截面處煙氣溫度云圖
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、發(fā)明了燒結(jié)煙氣余熱驅(qū)動(dòng)脫硫塔漿液冷卻技術(shù)，解決了燒結(jié)機(jī)煙氣處理傳統(tǒng)工藝濕法脫硫后，飽和濕煙氣含濕量大、霧滴含量高、溶融鹽含量高所導(dǎo)致的后部煙氣處理系統(tǒng)腐蝕性大、系統(tǒng)整體能耗高的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了脫硫塔出口煙氣調(diào)質(zhì)與燒結(jié)煙氣余熱利用的有效耦合。
2、基于多場(chǎng)數(shù)值模擬、Fluent數(shù)值模擬手段和費(fèi)斯頓管技術(shù)，國(guó)際首創(chuàng)帶有自清潔凝渣布風(fēng)技術(shù)的雙加熱SCR脫硝工藝，解決了濕法脫硫所引起的系統(tǒng)腐蝕、堵塞及催化劑壽命低于設(shè)計(jì)年限的行業(yè)難題。使得進(jìn)入脫硝系統(tǒng)的煙氣全部處于過(guò)熱狀態(tài)，完全具備干煙氣特性，構(gòu)建了微過(guò)熱煙氣條件，杜絕濕煙氣攜帶的熔融鹽腐蝕問(wèn)題，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。研制了基于溫度/濕度調(diào)控的自清潔式凝渣布風(fēng)盤，通過(guò)強(qiáng)化溶融鹽、堿性灰分的干燥、粘結(jié)過(guò)程，進(jìn)一步降低煙氣中攜帶的顆粒物，有效減輕后續(xù)GGH和催化劑的堵塞。
3、針對(duì)傳統(tǒng)單點(diǎn)混合、多點(diǎn)混合及直接燃燒SCR煙氣升溫技術(shù)存在的脫硝反應(yīng)效率低、系統(tǒng)能耗高的問(wèn)題，基于多相多場(chǎng)混合強(qiáng)化技術(shù)，開發(fā)出分列式模塊化“大截面煙氣流道多層切分與多點(diǎn)陣列噴吹耦合”的流場(chǎng)混合精準(zhǔn)優(yōu)化技術(shù)，研制出高溫?zé)煔舛叹嚯x均勻高效混風(fēng)裝置，提升了反應(yīng)器入口多場(chǎng)的均勻性，使混風(fēng)距離較現(xiàn)有技術(shù)縮短近10倍，解決了反應(yīng)器裝置大尺度、突變截面的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)均布的技術(shù)難題，可實(shí)現(xiàn)混風(fēng)距離在1.5內(nèi)米達(dá)到溫度差異≤2%的快速傳熱傳質(zhì)。
四、應(yīng)用情況與效果
該技術(shù)自研發(fā)以來(lái)，已經(jīng)建成并投運(yùn)6條燒結(jié)機(jī)煙氣超低排放協(xié)同處理系統(tǒng)，應(yīng)用于煙氣量75萬(wàn)Nm3/h、95萬(wàn)Nm3/h、138萬(wàn)Nm3/h燒結(jié)機(jī)工況，合計(jì)處理1260㎡燒結(jié)機(jī)尾部煙氣，運(yùn)行穩(wěn)定，環(huán)保指標(biāo)優(yōu)異。
2019年我公司憑借本技術(shù)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，中標(biāo)某鋼廠2條230m2燒結(jié)線進(jìn)行超低排放改造EPC+運(yùn)營(yíng)管理。投產(chǎn)后至今經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)污染物排放指標(biāo)達(dá)到：NOx-35mg/m3，SO2-8.2mg/m3，顆粒物-1.4mg/m3，始終滿足當(dāng)?shù)責(zé)Y(jié)煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)。主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。
圖7 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行畫面
圖8 GGH表面 圖9 催化劑表面 圖10 催化劑性能試驗(yàn)曲線
投運(yùn)至今，合計(jì)實(shí)現(xiàn)減排SO2 6700噸，減排NOx 750噸，減排顆粒物550萬(wàn)噸，節(jié)約工業(yè)水20萬(wàn)噸，節(jié)約高爐煤氣0.34億標(biāo)立。為企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。
