1 概述
隨著國內環保要求的提高，對耐火行業煙氣中顆粒物、SO2和NOx排放的控制力度逐漸加大，尤其國家生態環境部在2019 年4 月28 日發布的《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》中對于有組織排放控制指標規定“顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時均值原則上分別不高于10、50、200 mg /Nm3”。另外，國內對于耐火行業超低排放最嚴省級標準是《河北省鋼鐵工業大氣污染物超低排放標準》DB13 /2169 -2018，其中對于SO2和NOx排放值進行了明確規定，并給出了實施限期。因此必須對回轉窯窯尾煙氣中顆粒物、SO2和NOx的重大污染源進行治理。
將上述國家和地方環保標準進行綜合后，國內回轉窯窯尾煙氣超低排放限值如表1所列。這一限值是現階段技術能夠達到的超低排放最嚴值。如果對國內現有回轉窯窯尾煙氣治理系統進行超低排放改造，該限值也可以作為參考。
2 回轉窯窯尾煙氣處理的設計思路
煤中含硫量高，在燃燒過程中不可避免的產生SO2等酸性氣體，但是考慮到運輸成本和運行成本等原因，目前在建和正在生產的石灰石及白云石回轉窯生產中仍然采用“煙煤”作為主要的煅燒燃料。本文仍按照煙煤作為煅燒燃料這一最不利情況，以某鋼鐵聯合企業中的耐材廠為例，對回轉窯窯尾煙氣除塵及脫硫脫硝設計進行說明。若采用天然氣作為燃料，經實測SO2可以達到超低排放，將本工藝的脫硫工段去掉即可。
2.1 回轉窯煅燒工藝流程簡述
某耐火廠選用焙燒設備為JNH-800 型Φ4. 3 m× 62 m 回轉窯2 座，單窯生產能力為800 t /d，年產量52. 8 萬t，如圖1 所示。
石灰石送入豎式預熱器頂部料倉后，由溜料管將石灰石分布到豎式預熱器內。從窯尾來的高溫熱煙氣( 最高可達約1 100 ℃) 進入到豎式預熱器后，直接穿過料層與石灰石進行熱交換。被預熱的物料約有30%左右的石灰石被分解。預熱后的石灰石由液壓推頭推動，經轉運溜槽進入回轉窯內，在回轉窯內進一步煅燒分解為氧化鈣等產品。換熱后的高溫熱煙氣降低到230 ～ 250 ℃左右。
耐火廠采用煙煤為燃料，其質量指標: 水分War≤10%，低位熱值QDW≥23 000 kJ /kg( 應用基) ，揮發分25%～ 30%，灰分Ad≤12%，Sd≤0. 6%，固定碳≥55%，灰分熔點≥1 250 ℃，煙煤原料粒度< 25mm。
煙煤燃燒產生的窯尾煙氣經熱交換后，進入脫硫、除塵、脫硝等設備進行凈化后達標排放。
2.2 回轉窯窯尾煙氣組分
窯尾煙氣中的污染物主要由SO2、NOx及粉塵顆粒物組成，正常生產時回轉窯窯尾煙氣參數如表2 所列。
2.3 回轉窯窯尾煙氣處理的工藝確定
從表2 可以看出該廠顆粒物、NOx、SO2嚴重超標，必須進行脫硫脫硝及顆粒物的治理。綜合多方面考慮，推薦該廠選用“NaHCO3( SDS) 干法脫硫+除塵+ 中低溫SCR 脫硝”工藝路線。
3 “NaHCO3( SDS) 干法脫硫+ 除塵+ 中低溫SCR 脫硝”工藝路線
在本工藝路線中，脫硫脫硝及除塵系統主要由煙氣管道及風機系統、脫硫系統、除塵脫硝一體化系統、氨氣供應、熱風爐解析系統、電氣及控制等系統組成。
如圖2 所示，該工藝流程如下: 凈化系統從窯尾豎式預熱器出口處抽取230～250 ℃窯尾煙氣，經過脫硫段進行初步分離大顆粒Ca 基原料，脫硫劑制備系統將經過研磨的脫硫劑NaHCO3噴入煙氣管道中，鈉基粉體在高溫廢氣中激活熱分解，與煙氣中的SO2充分接觸并發生化學反應，進行SO2吸收凈化。
干法脫硫生成的硫酸鈉經過除塵器灰斗氣力輸送排入脫硫灰倉。脫硫后煙氣進入脫硝除塵一體化裝置，首先經過布袋除塵，除塵后的煙氣與氨氣噴射裝置加入的還原劑( 氨氣) 充分混合。混合后的煙氣進入脫硝催化劑層，在催化劑作用下發生還原反應，脫除NOx。凈化后的潔凈煙氣在引風機作用下通過煙囪高空排放。
3.1 干法脫硫原理( SDS 法)
在回轉窯窯尾預熱器后及除塵器前的管道內噴入鈉基粉體，鈉基粉體在高溫煙氣的作用下激活熱分解，煙道內煙氣與激活的鈉基粉體充分接觸發生化學反應，煙氣中的SO2及其他酸性介質被吸收凈化。
完成的主要化學反應為:
2NaHCO3→Na2CO3 + H2O + CO2
SO2 + Na2CO3→Na2SO3 + 2CO2
2Na2SO3 + O2→2Na2SO4
脫硫并干燥的粉狀顆粒隨氣流附著在布袋上進一步脫硫凈化處理。經現場標定測算，鈉基干法煙脫硫效率大于95%。
3.2 脫硝原理( NH3 - SCR 法)
煙氣中90% 以上NOx是以NO 形式存在。脫硝系統以氨( NH3) 為還原劑，在SCR 催化劑作用下與煙氣中的NOx反應，生成N2和H2O，實現NOx脫除，并控制NH3的逃逸率。
化學反應式:
4NO + 4NH3 + O2→4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NH3 + O2→3N2 + 6H2O
本方案采用氨氣作為還原劑，氨氣由外購氨水經蒸汽蒸發器產生，經管道輸送至脫硝裝置。
4 工藝系統組成
本工藝系統主要由煙氣管道及風機系統、脫硫系統、脫硝系統等組成。
4.1 煙氣管道及風機系統
煙氣管道及風機系統主要由煙氣管道、閥門、波紋補償器、主引風機、管道附件及保溫組成。
當回轉窯正常工作時，關閉開工電動閥，打開除塵器進風閥，使煙氣進入脫硫脫硝除塵系統，凈化后清潔煙氣經由主引風機直接排入煙囪。
煙氣凈化系統的阻力損失主要由主引風機進行克服。主引風機采用離心風機，風機通過變頻器來調節壓力和流量，并與回轉窯窯內壓力聯鎖。
為防止煙氣溫降減弱脫硝效果，煙氣管道外設保溫層。采用納米氣凝膠氈( 或硅酸鋁棉氈) 作為外保溫。主引風機參數如表3 所列。
4.2 脫硫系統
本方案中脫硫系統的組成主要包括: 脫硫劑制備系統及脫硫段。
脫硫劑制備系統是SDS 干法脫硫系統的關鍵設備，其選型及配置直接關聯到系統的脫硫效率、脫硫劑的消耗量及系統達標運行的穩定性。磨粉機要求研磨時溫度低，不會使得NaHCO3分解以及脫硫劑粘結。
系統的主要設備有: 上料電動葫蘆、噸包卸料站、超細磨機等。
研磨工藝流程: 物料經過旋轉閥均勻進入磨機，磨機研磨盤和分級輪在電機帶動下高速旋轉，NaHCO3物料受到高速旋轉的研磨盤撞擊之后粉碎。符合要求的物料進入脫硝系統，大的顆粒通過特制氣流導向環作用重新進入研磨區再次粉碎，直至粒徑達到設計要求，粒徑通過調整分級輪速度來調節。
脫硫劑制備系統具有在線自動調節功能，可以依據進出口SO2濃度調整碳酸氫鈉粉噴入量。
在除塵器前煙道上設置脫硫段。其作用是降低煙氣流速，使得反應時間加長、將鈉基粉體在高溫下激活和充分混合。將大量的鈣基大顆粒通過氣力輸送裝置，回收到工藝細粉料倉，避免造成產品浪費。
4.3 除塵脫硝系統
脫硝反應系統由除塵脫硝一體化裝置、氨氣分配裝置、熱風裝置組成。
經過干法脫硫的煙氣進入除塵脫硝一體化裝置進行除塵、脫硝。
除塵段具有高效除塵的功能，濾料材質為針刺氈基材芳綸和玻纖復合覆膜耐高溫濾料( 耐溫≤250 ℃) 。為避免結露，當煙氣溫度低于120 ℃不宜進入袋式除塵器。濾袋規格為Φ160 m × 6 m 長袋，除塵效率高達99. 9%，可實現干法脫硫工藝中脫硫灰的回收和煙氣中顆粒物的除塵凈化。并通過布袋表面收集的脫硫劑繼續與煙氣中剩余的SO2進行化學反應，進一步增大干法脫硫的效率( 表4) 。
除塵段配有清灰裝置，清灰吹掃介質為壓縮氮氣，根據實際運行情況設定清灰吹掃頻率，或根據反應器里濾袋前后的壓差變化情況進行控制。除塵脫硝一體化裝置豎向布置，下部是除塵段，上部是脫硝段。除塵段配備在線監測壓差和手動測量壓差接口。
除塵脫硝一體化裝置的箱體采用分倉設計，滿足離線更換布袋的要求，可離線清灰。除塵后的煙氣與氨氣分配器加入的還原劑( 氨氣) 充分混合，混合后的煙氣向上進入脫硝SCR 催化劑層，在催化劑作用下發生脫硝反應，脫除NOx。在煙氣溫度≥180 ℃時脫硝效率不低于90%，氮氧化物排放濃度低于150 mg /Nm3。
4.4 氨氣單元
氨氣單元由稀釋風機、氨氣/煙氣混合器組成。本方案采用氨氣作為還原劑，稀釋風機的目的是降低噴入的氨氣濃度。氨氣的爆炸極限為15. 7%～30. 2%( 在空氣中體積濃度) ，為保證安全和分布均勻，稀釋風機流量按稀釋后的氨體積濃度不超過5%設計。稀釋氣體來自脫硫脫硝后的潔凈煙氣，這部分煙氣溫度高，能減少混合氣體溫降，有利于脫硝反應進行。
氨氣/煙氣混合器的作用是保證氨氣和煙氣混合均勻。兩者在氨氣/煙氣混合器及管路內借流體動力原理充分混合，混合物均勻導入脫硝反應器內，使NOx和氨發生催化還原反應。
氨氣/煙氣混合器置于稀釋風機與噴氨格柵之間，混合器的氨氣入口管道上設置流量控制閥可對需要的氨噴入量進行控制。
4.5 輸灰系統
輸灰系統包含預處理裝置下部灰斗處的氣力輸灰系統以及除塵脫硝一體化裝置下部灰斗氣力輸灰系統。
在脫硫段下部灰斗處，由于重力作用，Ca 基大分子顆粒先于Na 基分子降落，單獨設置1 套氣力輸送系統將粉料輸送到細粉料倉。
脫硫反應產生的脫硫灰經過除塵脫硝一體化裝置布袋過濾收集，收集的脫硫灰采用氣力輸送的方式，經灰斗下部倉泵送至脫硫灰倉。脫硫灰裝袋采用帶塑料襯的噸包裝袋，人工裝袋后汽車外運儲存，卸灰過程中設有除塵措施。
除塵脫硝一體化裝置下部灰斗配套1 套氣力輸送系統，將在每個除塵器灰斗下分別布設1 臺AV氣力輸送泵，共6 臺泵分成3 排，每排2 個; 單排的泵串聯起來，組成一組輸灰單元，兩組輸灰單元匯流到一根輸灰母管; 當該灰斗下部的氣力輸送泵需要檢修時，將此泵上部相關除塵單元離線，用其他5 個除塵單元進行除塵正常工作，既能保證檢修時間，又節約了傳統運輸設備的投資和運行成本。
5 工藝技術特點
設計采用“NaHCO3( SDS) 干法脫硫+ 除塵+ 中低溫SCR 脫硝”這一回轉窯窯尾廢氣凈化工藝路線，具有以下技術特點:
( 1) 在脫硝之前脫硫是為了給低溫高效脫硝創造條件，延長脫硝催化劑在高效脫硝區的使用壽命，降低脫硫脫硝系統運行費用。
( 2) 采用進口脫硫劑，其氯離子含量小于300× 10 - 6，阻垢防腐效果好，可有效提高研磨后細粉的流化效果，從而保證脫硫系統連續、穩定、高效運行。
( 3) 脫硫劑制備系統是干法脫硫系統的關鍵設備，其選型及配置直接關系到系統的脫硫效率、脫硫劑的消耗量及系統達標運行的穩定性。碳酸氫鈉磨粉機采用進口磨機，研磨時溫度不超過60 ℃，不會使NaHCO3分解，不會產生脫硫劑粘結現象，不需要設清洗系統。
( 4) 所用低溫脫硝催化劑是國內首個真正商業化應用的低溫催化劑，通過試驗和工業化裝置長期運行證明，對焦化、耐材、水泥、玻璃等行業的煙氣具有很強的適應性，具有良好的低溫活性。在低溫工況下催化劑對SO2的氧化率低于0. 5%，低溫高效脫硝時間長，脫硝運行成本低。
( 5) 本工藝中低溫脫硝催化劑的適用溫度為180 ～ 350 ℃，完全適應窯尾豎式預熱器出口煙氣溫度波動工況，不需額外熱源加熱煙氣脫硝。
( 6) 該脫硫脫硝系統運行穩定安全可靠，全流程無二次污染，無廢水、廢氣、廢渣產生。脫硫所產生的副產品Na2SO4學名芒硝，可由玻璃制造企業、制革企業、水泥生產或粉磨企業回收，因此沒有任何其他外排污染物。脫硝系統可實現催化劑的原位再生功能。
( 7) 充分考慮回轉窯運行過程中豎式預熱器煙氣參數及壓力隨物料量及操作溫度變化的特點，系統能夠自動調節和適應煙氣工況的各種波動，并保證穩定達標排放。
( 8) 為了保證除塵及脫硫脫硝系統的正常運行，選用經過國家生態環保部認證的，國內一流超低排放在線監控儀表廠家，靈敏可靠，維護方便
( 9) 設計了相關報警、連鎖系統，從而保證回轉窯安全、連續、穩定生產。如工藝窯尾豎式預熱器排出的廢氣溫度超過250 ℃，摻混冷風系統將立即自動啟動，以避免除塵濾袋烤糊及損毀; 當溫度降低到正常工作溫度( 230 ℃) 將自動關閉摻混冷風系統;若持續超溫將在中控室報警，進行人工干預處理或停機處理。
( 10) 根據目前國內評價各種酸露點的muller曲線，已知SO3的體積含量就可以查詢實際的酸露點溫度( 見圖3) 。
當前工況下窯尾煙氣的SO3的體積含量約為10. 5 × 10-6～ 35 × 10-6，酸露點溫度在135 ～ 145 ℃左右，回轉窯窯尾煙氣排出口處溫度將達到230 ℃以上，除塵煙囪排出口煙氣溫度也達到170 ℃以上，全流程煙氣溫度始終遠遠高于酸露點溫度。因此凈化后的煙氣溫度不會低于酸露點而引起設備和管道腐蝕，也不會在煙囪周圍產生煙囪雨。
( 1) 本工藝的煙囪排出口溫度大于170 ℃，遠遠高于露點溫度70 ℃，不會形成有色煙羽，也不用增設煙氣除濕消白設施。
( 2) 本工藝路線流程短、構筑物結構形式簡單、除塵與脫硝采用一體化設計，設備占地少，結構緊湊。供應脫硫劑、氨水等單元占地小，可利用舊有建筑間隙布置，若用于老廠改造，現場拆遷工作量小。
6 結語
對于目前嚴峻的環保形式，如“不達標就限產”、“錯峰生產、停產整改”等環保強制措施，如何進行工藝路線選擇，如何實現超低達標排放，是耐火行業中每位業主必須考慮的實際問題。
本文提供了一種“NaHCO3( SDS) 干法脫硫+ 除塵+ 中低溫SCR 脫硝”回轉窯窯尾廢氣凈化工藝路線。這一工藝運行穩定可控，占地及投資較少，操作簡單; 有別于常規鈣基濕法脫硫、循環流化床等工藝，可有效防止煙囪雨、有色煙羽和防止系統腐蝕，作為一種回轉窯窯尾廢氣凈化工藝路線是完全合格的。
