目前，非電行業(yè)工業(yè)爐窯NOx排放比例不斷攀升，已經(jīng)成為重要的大氣污染源。十四五期間，“超低排放”、“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”等規(guī)劃措施相繼實(shí)行，對(duì)于工業(yè)煙氣污染排放有了更嚴(yán)格要求。針對(duì)鋼鐵、水泥、玻璃建材等非電力行業(yè)煙氣溫度低的特性，傳統(tǒng)的SCR脫硝技術(shù)因催化劑工作溫度高、無(wú)適宜熱源、加熱運(yùn)行成本高等弊端不宜直接采用，必須對(duì)催化劑進(jìn)行針對(duì)性改良，以提高其在低溫?zé)煔饷撓躅I(lǐng)域的適用性。
在“3060“碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)下，節(jié)能就是降碳，超低排放與碳中和并不矛盾。鋼鐵行業(yè)面臨低碳轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，再加上超低排放標(biāo)準(zhǔn)不斷的提高，雙重壓力下，非電行業(yè)煙氣治理方向出路在哪里？低溫及超低溫?zé)煔馓幚砑夹g(shù)應(yīng)該是比較理想的出路。
國(guó)家工業(yè)和信息化部公布了2021年度重點(diǎn)用能行業(yè)能效“領(lǐng)跑者”企業(yè)名單，寶鋼湛江鋼鐵有限公司成功榮登第一名，并已連續(xù)兩年榮獲鋼鐵行業(yè)燒結(jié)工序能效“領(lǐng)跑者”稱號(hào)。此外，寶鋼湛江鋼鐵有限公司球團(tuán)燒結(jié)機(jī)組在“全國(guó)重點(diǎn)大型耗能鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備節(jié)能降耗對(duì)標(biāo)競(jìng)賽”中，連續(xù)三年蟬聯(lián)“冠軍爐”稱號(hào)，用硬核實(shí)力標(biāo)榜了在鋼鐵行業(yè)燒結(jié)能效領(lǐng)域“領(lǐng)跑者”地位。提升能源利用效率是國(guó)家“雙碳”工作的五大主要目標(biāo)之一。寶鋼湛江鋼鐵將“極致能效”作為助推中國(guó)寶武實(shí)現(xiàn)“碳中和”的技術(shù)突破方向之一，以追求“極致工序能耗”為目標(biāo)，持續(xù)完善能源管理體系，同時(shí)聚焦技術(shù)進(jìn)步和管理創(chuàng)新，不斷提高燒結(jié)球團(tuán)生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能水平。能達(dá)到這一效果，其中煙氣低溫脫硝起了重要的作用，低溫脫硝的關(guān)鍵技術(shù)就采用了上海瀚昱環(huán)保材料有限公司的低溫脫硝工藝及低溫與超低溫催化劑。
當(dāng)前，工業(yè)中應(yīng)用較多的是以TiO2為載體的釩鎢系列的中高溫催化劑（反應(yīng)溫度為280℃～420℃），鋼鐵、化工、焦化、垃圾焚燒、生物質(zhì)發(fā)電、水泥、建陶等非電行業(yè)的煙氣溫度普遍都在280℃以下，有些甚至只有100℃左右，無(wú)法滿足中高溫SCR催化劑的使用要求，需要把溫度提升到280℃以上才能達(dá)到脫硝處理?xiàng)l件，實(shí)現(xiàn)預(yù)期處理效果，這一升溫過(guò)程需要消耗大量燃料，同時(shí)排放出大量的二氧化碳。
脫硝運(yùn)行溫度選擇在150℃左右運(yùn)行所帶來(lái)最顯而易見(jiàn)的好處就是節(jié)能，主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：（1）節(jié)省煤氣，降低碳排放，（2）節(jié)省電耗。其原因主要為：①在GGH換熱器按中高溫設(shè)計(jì)選型時(shí)，當(dāng)其處于中高溫（280℃或300℃左右）運(yùn)行時(shí)，GGH的換熱溫差約在40~60℃，而當(dāng)GGH處于低溫（150℃）運(yùn)行情況下，其換熱溫差可降至5~10℃以內(nèi)，這是因?yàn)樯郎胤仍叫?，GGH耗熱量越小，煙氣帶走的熱量也越少，從而因補(bǔ)熱而消耗的煤氣也小得多；②在相同外部環(huán)境溫度條件下，運(yùn)行溫度越高，系統(tǒng)的散熱量越大；為滿足系統(tǒng)運(yùn)行溫度要求，散失的熱量必然需要熱源進(jìn)行補(bǔ)充，低溫運(yùn)行較中高溫運(yùn)行的散熱量小，因此更加節(jié)能；③無(wú)論是中高溫（280℃或300℃左右）運(yùn)行還是低溫（150℃左右）運(yùn)行，其工藝在GGH低溫側(cè)換熱后均須采用熱風(fēng)爐補(bǔ)熱，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求的脫硝運(yùn)行溫度；而根據(jù)熱力學(xué)中的“焓值”相關(guān)定律，即相同的煙氣成分、在不同溫度條件下，每升溫1℃所需要的熱量是不同的，溫度越高，升溫所需要的熱量越多；④GGH并非理想系統(tǒng)，其換熱組元的熱交換效果、表面積灰情況、漏風(fēng)率等都會(huì)影響GGH的換熱效率，溫升越高，影響越大。因此，低溫運(yùn)行情況下，升溫消耗的熱量更少，更節(jié)省煤氣。另外，煙氣溫度越低，工況煙氣量越小，系統(tǒng)阻力也越小，風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率隨之降低，從而減少電耗。因此，低溫脫硝工藝的節(jié)能效果非常明顯。
下面以寶鋼湛江鋼鐵有限公司煉鐵廠球團(tuán)煙氣低溫脫硝為例進(jìn)行分析：
寶鋼湛江鋼鐵有限公司煉鐵廠擁有一臺(tái)年產(chǎn)能500萬(wàn)噸的球團(tuán)焙燒設(shè)備，回轉(zhuǎn)窯直徑為φ6.96m，長(zhǎng)度為52m，排放煙氣量為141萬(wàn)Nm3/h，該窯尾煙氣脫硫后原始煙溫約為130～145℃。通過(guò)詳細(xì)技術(shù)論證，從節(jié)能降碳及降低運(yùn)行成本角度考慮，采用先進(jìn)的150℃超低溫SCR脫硝工藝，煙氣補(bǔ)熱措施采用燃?xì)鉄犸L(fēng)爐+GGH換熱器，補(bǔ)熱燃料為以高爐煤氣為主的混合煤氣。150℃超低溫SCR催化劑由上海瀚昱環(huán)保材料有限公司研發(fā)制造，催化劑型式為蜂窩式，三層布置。該脫硝裝置于2020年12月開(kāi)始投運(yùn)，至今已運(yùn)行一年多時(shí)間，運(yùn)行平穩(wěn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示催化劑各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，長(zhǎng)期使用溫度為145～160℃，NOx排放濃度＜50 mg/Nm3，氨逃逸率≤3 ppm，滿足環(huán)保部門規(guī)定的超低排放要求。采用該脫硝工藝大幅度節(jié)省了煤氣耗量，運(yùn)行費(fèi)用較低，且由于氨逃逸率低、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率低，下游設(shè)備的腐蝕、堵塞風(fēng)險(xiǎn)很低。
運(yùn)行期間脫硝反應(yīng)溫度絕大部分時(shí)候控制在145～160℃，偶爾波動(dòng)到160～180℃，DCS畫(huà)面顯示：脫硝在煙溫為155℃左右時(shí)煤氣耗量約為1100~1300 m3/h（圖1），煙溫為180℃~190℃左右時(shí)煤氣耗量約為2000~2500 m3/h（圖2、圖3）。
圖1煙溫自133.5℃升至155℃時(shí)煤氣耗量為1176 m3/h
圖2 煙溫自134.7℃升至180.9℃時(shí)煤氣耗量為1971m3/h
圖3 煙溫自136.7℃升至191.5℃時(shí)煤氣耗量為2346m3/h
對(duì)球團(tuán)焙燒設(shè)備煙氣的SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及煤氣耗量進(jìn)行匯總計(jì)算，可以得出不同脫硝溫度條件下每年煤氣耗量及碳排量數(shù)據(jù)，如表1所示。
表1 不同脫硝溫度下年煤氣耗量及碳排放量折算表
由表1可知，（1）煙溫155℃脫硝時(shí)所需混合煤氣費(fèi)用約463萬(wàn)元/年，碳排放指標(biāo)購(gòu)買費(fèi)用約40萬(wàn)元/年，合計(jì)費(fèi)用503萬(wàn)元；（2）煙溫180.9℃脫硝時(shí)所需混合煤氣費(fèi)用約834萬(wàn)元/年，碳排放指標(biāo)購(gòu)買費(fèi)用約72萬(wàn)元/年，合計(jì)906萬(wàn)元；（3）煙溫191.5℃脫硝時(shí)所需混合煤氣費(fèi)用約1111萬(wàn)元/年，碳排放指標(biāo)購(gòu)買費(fèi)用約96萬(wàn)元/年，合計(jì)1207萬(wàn)元；（4）煙溫280℃脫硝時(shí)所需混合煤氣費(fèi)用約2546萬(wàn)元/年，碳排放指標(biāo)購(gòu)買費(fèi)用約224萬(wàn)元/年，合計(jì)2770萬(wàn)元?？梢?jiàn)，不同煙溫脫硝的能耗與碳排放量相差非常大，采用150℃左右脫硝的運(yùn)行費(fèi)用明顯較低，優(yōu)勢(shì)明顯。
鑒于球團(tuán)的低溫脫硝成功經(jīng)驗(yàn)，寶鋼湛江鋼鐵公司三燒結(jié)機(jī)（550 m2）煙氣脫硝也采用了類似的節(jié)能型低溫SCR脫硝工藝，在活性炭脫硫后，安裝了低溫SCR脫硝設(shè)備，低溫催化劑也由上海瀚昱公司提供。脫硝反應(yīng)器入口煙氣量為183萬(wàn)Nm3/h，入口NOx濃度≤400mg/Nm3，脫硝溫度為是150~180℃。催化劑型式為蜂窩式，初裝2層催化劑。該三燒結(jié)機(jī)及脫硝裝置于2021年5月投運(yùn)，至今已運(yùn)行近一年時(shí)間，反應(yīng)器出口NOx濃度≤44mg/Nm3（設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)），氨逃逸率≤3ppm，滿足環(huán)保部門規(guī)定的超低排放限值。
與國(guó)內(nèi)部分鋼鐵廠球團(tuán)或燒結(jié)設(shè)備普通采用的280℃中高溫SCR脫硝工藝相比，寶鋼湛江鋼鐵公司的球團(tuán)和燒結(jié)設(shè)備采用的150℃超低溫SCR脫硝工藝帶來(lái)的收益較明顯，較大幅節(jié)約補(bǔ)熱煤氣的用量，降低了脫硝的運(yùn)行費(fèi)用，也明顯減少了碳排放，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，為國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出了積極貢獻(xiàn)，為鋼鐵行業(yè)的節(jié)能、降碳起到了引領(lǐng)示范作用，也獲得了全國(guó)鋼鐵行業(yè)能效“領(lǐng)跑者”第一名的稱號(hào)。
150℃低溫脫硝遠(yuǎn)不是終點(diǎn)，上海瀚昱環(huán)保材料有限公司從未停下研發(fā)的腳步，成功研發(fā)出120℃超低溫脫硝催化劑，已在山西桃園東義水泥有限公司4000 t/年水泥生產(chǎn)線完成了120℃超低溫脫硝中試應(yīng)用，并且通過(guò)了由山西省大氣所、環(huán)科院、太原理工大學(xué)、山西建材協(xié)會(huì)等單位組織的項(xiàng)目評(píng)審驗(yàn)收，給水泥行業(yè)煙氣治理、碳減排找到一條光明的道路，也為鋼鐵、石灰窯、陶瓷窯等非電行業(yè)的超低溫脫硝并徹底省去“補(bǔ)熱能耗”與實(shí)現(xiàn)“零碳排放”奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
