氟塑料換熱器在燒結(jié)煙氣SCR后置脫硝工藝中的應(yīng)用

大氣網(wǎng)訊:引言

隨著超低排放技術(shù)在電力行業(yè)的普及，中國大氣污染防止重點已經(jīng)從電力行業(yè)向非電行業(yè)轉(zhuǎn)變。2018年中國粗鋼產(chǎn)量居世界第一，為9.28億噸，占全球總產(chǎn)量的51.32%。中國的鋼鐵生產(chǎn)以長流程為主，包括了燒結(jié)、球團、焦化、高爐、轉(zhuǎn)爐和軋鋼等多個高能耗工藝環(huán)節(jié)，行業(yè)生產(chǎn)工序多、污染種類雜、排放總量達的特點，使得鋼鐵企業(yè)成為大氣污染減排重點行業(yè)。

在鋼鐵行業(yè)中，燒結(jié)、球團和焦化工序是高能耗、高排放環(huán)節(jié)。其中燒結(jié)工序的能耗占鋼鐵企業(yè)總能耗的約15%左右，燒結(jié)機煙氣的污染物排放指標(biāo)也占到了鋼鐵企業(yè)總污染排放指標(biāo)的70%左右。國家環(huán)保部在2012年6月就頒布了《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB28662-2012）》，隨后在2019年4月生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合各部委發(fā)布《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（環(huán)大氣[2019]35號），將燒結(jié)（球團）煙氣中污染物的排放限值設(shè)定為10、35、50 mg/Nm3，基本和電力行業(yè)的超低排放標(biāo)準(zhǔn)一致。超低排放限值的出臺推動了鋼鐵行業(yè)超低排放技術(shù)的升級，基于“多污染物協(xié)同控制”和“全過程耦合”的理念下，誕生了多種覆蓋燒結(jié)、球團、焦化、高爐等工序的超低排放治理技術(shù)。

在煙氣余熱回收利用和換熱過程中，大量的硫化物、HF、Cl-、硝酸根離子對傳熱界面的介質(zhì)具有強烈的腐蝕性，當(dāng)煙氣溫度低于露點溫度時，腐蝕性物質(zhì)與煙氣中的金屬離子在水的作用下，極易形成鹽類化合物，板結(jié)在換熱器表面，增大阻力，并增加檢修頻率。氟塑料換熱器是一種采用聚四氟乙烯（PTFE）制作換熱界面的新型高效管式換熱器，其繼承了聚四氟乙烯（PTFE）不腐蝕、不結(jié)垢、表面光滑易清洗、耐溫性能好、使用壽命長等特點，可長期穩(wěn)定運行在低溫?zé)煔猸h(huán)境中。本文將著重討論將氟塑料換熱器應(yīng)用在燒結(jié)（球團）煙氣后置脫硝工藝中的優(yōu)勢，并探討采用新型氟塑料換熱器在腐蝕性環(huán)境下的工藝優(yōu)化。

1 燒結(jié)煙氣超低排放技術(shù)

1.1燒結(jié)煙氣的特點

燒結(jié)煙氣的產(chǎn)生、形態(tài)和污染物的來源不同于燃煤鍋爐煙氣。燒結(jié)煙氣中的硫、氮等污染物不僅源于燃料的S、N含量和燃燒過程中的工況條件，而且還與原輔料的質(zhì)量相關(guān)，其特點可以總結(jié)為：

（1）煙氣量大且波動大。每生產(chǎn)1t燒結(jié)礦，機頭煙氣量約4000-6000m3，目前大多數(shù)燒結(jié)機都300m2以上，煙氣量可達到200萬m3以上。

（2）煙氣溫度波動大。隨燒結(jié)煙氣工況不同，煙氣溫度在120——180℃范圍內(nèi)變化。

（3）煙氣中NOx濃度低、波動大。通常NOx濃度在200-400mg/m3之間，但最高瞬時濃度可能達到650mg/m3。

（4）煙氣粉塵濃度高，含鐵粉和重金屬。

（5）含濕量大，露點溫度高（65-80度）。為提高燒結(jié)層的透氣性，混合前燒結(jié)料要加水制粒，水分含量一般在10%左右。

（6）含氧量高。燒結(jié)煙氣含氧量在12-18%之間。

（7）含有毒有害氣體。煙氣中除SO2和NOx外，還含有HCl、HF、呋喃和微量二噁英等。

1.2 燒結(jié)煙氣脫硫工藝的選擇

燒結(jié)煙氣凈化工藝中，對于脫硫技術(shù)，可以借鑒火電廠的超低排放技術(shù)路線。在鋼鐵行業(yè)的燒結(jié)機脫硫工藝，曾經(jīng)由于標(biāo)準(zhǔn)的一次次變化，導(dǎo)致走了很多彎路。燒結(jié)煙氣凈化的脫硫工藝主要有三類：濕法、干法和半干法，每一種工藝都有各自的特點，可根據(jù)現(xiàn)場條件進行選擇。因為排放限值的變化、生產(chǎn)條件的變化、產(chǎn)品市場行情的變化最終都會影響每一種工藝的應(yīng)用前景。

干法（鈣法）脫硫：初投資較低，但脫硫效率低、副產(chǎn)物無法處置，不適用于當(dāng)前的超低排放政策；

干法（活性炭（焦））脫硫：初投資高，可協(xié)同脫除多種污染物，運維水平要求高，檢修費用高，不適用于高濃度（2000mg/Nm3以上）煙氣脫硫；

半干法（SDA、CFB）：脫硫效率較高，但副產(chǎn)物無法處置。如強行實現(xiàn)超低排放，其運行費用高。系統(tǒng)啟停時的調(diào)試周期較長。

濕法（氨法）：脫硫效率高且穩(wěn)定，具有協(xié)同脫出NO的效果；運維復(fù)雜，成本高，副產(chǎn)物經(jīng)濟性差。

濕法（鈣法）：脫硫效率高且穩(wěn)定，協(xié)同脫除效果較差；運維成熟，成本低，副產(chǎn)物容易處理。

結(jié)合燒結(jié)煙氣的特點，活性炭脫硫、半干法（CFB、SDA）和濕法（鈣法）脫硫工藝均符合超低排放的要求：活性炭技術(shù)適用于硫含量較低的燒結(jié)煙氣，能夠協(xié)同去除NOx和二噁英等，但副產(chǎn)物純度低，價值低，并且伴隨著近年來活性炭價格的飆升，使得其運維成本也大幅度提高；半干法技術(shù)適用于SO2含量不高的燒結(jié)煙氣，對于高硫煙氣，其實現(xiàn)超低排放的運行費用會大大增加，并且該工藝的副產(chǎn)物處理較為困難；濕法（鈣法）技術(shù)非常成熟，能夠完全適應(yīng)燒結(jié)煙氣的波動問題，副產(chǎn)物處理也可以實現(xiàn)內(nèi)部消化，適用范圍廣，但對于其他污染物的協(xié)同去除效果不明顯。

1.3燒結(jié)煙氣脫硝工藝的選擇

目前在國內(nèi)燒結(jié)機煙氣脫硝方面，存在眾多技術(shù)路線，如：選擇性催化還原脫硝（SCR）、選擇性非催化還原脫硝（SNCR）、催化氧化脫硝、活性炭脫硝、等離子法脫硝、生化法脫硝等。其中可實現(xiàn)超低排放要求并有具體工程應(yīng)用案例的工藝，主要有中低溫SCR脫硝工藝、活性炭脫硫脫硝一體化工藝和臭氧氧化硫硝協(xié)同脫除工藝三種。

（1）中低溫SCR脫硝工藝：該工藝的原理是在催化劑的作用下向溫度在250-400度的煙氣中噴入還原劑NH3，將煙氣中的NO和NOx還原成氮氣和水，其反應(yīng)方程式為：

工業(yè)上常見的SCR工藝選用釩鎢鈦系的催化劑，不僅對NOx脫除效率較高，還能脫除二噁英等，因此該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。在火電行業(yè)中SCR的布置方式有兩種：脫硝前置和脫硝后置。由于燒結(jié)煙氣粉塵含量高并有鐵離子和重金屬的特點，SCR前置工藝在應(yīng)用過程中極易產(chǎn)生脫硝催化劑中毒、失活等問題，增加運營維護成本，故燒結(jié)煙氣SCR脫硝多采用脫硝后置的布置方式。

后置SCR工藝是將脫硫后的煙氣先通過GGH換熱器，升溫到250℃，再用加熱爐加熱升溫到280℃左右后，進入SCR脫硝反應(yīng)器催化層進行脫硝，脫硝后的凈煙氣再通過GGH與低溫原煙氣換熱降溫后，經(jīng)煙囪排出。該工藝目前已經(jīng)成為燒結(jié)機煙氣脫硝的主流工藝，本文在后面針對該工藝進行分析優(yōu)化和探討。

（2）活性炭（焦）脫硫脫硝一體化工藝：該工藝主要利用活性炭（焦）表面吸附能力脫除氮氧化物。吸附的機理有兩種，一種是物理吸附，依賴于活性炭多孔比表面積大的特性，將煙氣中的污染物截留在活性炭內(nèi)；另外一種是化學(xué)吸附，利用活性炭表面的晶格有缺陷的C原子、含氧官能團和極性表面氧化物，有針對性的將污染物固定在活性炭表面，其脫硝反應(yīng)化學(xué)方程式為：

該工藝特點總結(jié)：1）可實現(xiàn)多種污染物的協(xié)同脫除，外排煙氣可視效果好；2）活性碳可再生利用，副產(chǎn)物可實現(xiàn)資源化利用；3）系統(tǒng)初期投資大，對原有工藝不兼容，需拆除原有工藝系統(tǒng)，造成資金浪費，并且活性炭（焦）的價格高漲，導(dǎo)致運行成本相對較高；4）活性炭再生系統(tǒng)、制酸系統(tǒng)操作復(fù)雜，能耗高；5）系統(tǒng)阻力大。

（3）臭氧氧化硫硝協(xié)同脫除工藝：該工藝原理是利用臭氧，將難溶于水的NO氧化成易溶于水的NO2、N2O5等高價NOx，再經(jīng)過濕法脫硫系統(tǒng)洗滌脫除，其反應(yīng)方程式如下：

該工藝具有占地小、改造投資低；適用于改造項目中場地狹小，NOx總脫除量小的工程。由于臭氧的制備能耗高、副產(chǎn)物硝酸鹽難以回收、臭氧逃逸等問題，限制了該工藝的推廣。

2 氟塑料（PTFE）換熱器在低溫?zé)煔猸h(huán)境下的應(yīng)用

2.1 氟塑料換熱器的特點

氟塑料換熱器是指：以含氟聚合物為原料制作換熱器的核心換熱部件的換熱器產(chǎn)品。由于采用了含氟聚合物，所以其換熱器繼承了含氟聚合物的一些特點，例如：耐酸堿腐蝕、耐老化性強、表面光滑不沾粘等。而市面上性能最好的氟塑料煙氣換熱器是采用改性PTFE（聚四氟乙烯，也稱塑料王）加工制作的氟塑料換熱器產(chǎn)品。高分子材料的改性，是指在保留高分子材料絕大部分性能外，針對某一特定應(yīng)用，對高分子材料的物理、機械性能做針對性的提升，從而使材料能夠更適合這一應(yīng)用。例如：沃斯坦公司的ALWAFLON系列氟塑料換熱器管材，針對換熱器行業(yè)的應(yīng)用，將PTFE樹脂進行耐溫、耐壓、增強導(dǎo)熱系數(shù)等方面的改性，使其成為行業(yè)內(nèi)性能最佳的氟塑料換熱器管材。

優(yōu)質(zhì)的氟塑料換熱器應(yīng)具備如下特性：

（1）耐酸堿腐蝕?？晒ぷ髟赑H1-14的環(huán)境下。

（2）表面光滑，不沾黏。不易積灰和結(jié)垢，不沾黏煙氣中的其他化學(xué)物質(zhì)，易清洗。

（3）耐老化性強，使用壽命長。

（4）具有自清潔性。采用柔性換熱管，工作過程中的輕微振動，避免灰塵的堆積。

（5）無需壁溫控制，輔機系統(tǒng)簡單，能耗低。

（6）設(shè)備重量輕，減少了地基處理和鋼架耗量。

2.2 氟塑料換熱器的設(shè)計要點

氟塑料換熱器雖然繼承了氟塑料材質(zhì)耐腐蝕、易清洗、不易積灰、壽命長等優(yōu)點，但氟塑料導(dǎo)熱系數(shù)低的特性也被繼承了。為提高換熱器的傳熱性能，需要在氟塑料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料改性等多個方面進行綜合考慮。

從結(jié)構(gòu)方面考慮，氟塑料換熱器屬于管式換熱器產(chǎn)品，為提高換熱器的傳熱效率，需提高換熱器的比表面積，所有氟塑料換熱器均采用了薄壁、細管的結(jié)構(gòu)形式。由于氟塑料換熱器行業(yè)并沒有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，很多公司從降低成本的角度，盲目采用薄壁（壁厚小于0.8mm）、細管（外徑小于10mm）的換熱器管束，從理論計算上提高了換熱器的性能，甚至于計算出了比金屬換熱器還高的傳熱系數(shù)，而實際應(yīng)用過程中，故障頻發(fā)，短期內(nèi)設(shè)備要報廢，不僅對客戶造成了經(jīng)濟損失，也使得氟塑料換熱器產(chǎn)品性能被客戶誤解。

對于氟塑料換熱器的管束規(guī)格，應(yīng)充分考慮傳熱、壓降、承壓、穩(wěn)定性和剛度等方面。傳熱和壓降等方面，大小管徑各有優(yōu)勢；承壓方面不僅要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計，還和材料自身的特性有關(guān)，例如100℃時對于PP材料來說，結(jié)構(gòu)上怎么設(shè)計也不可能達到含氟材料的承壓性能（已經(jīng)融化了），承壓還和系統(tǒng)的運行參數(shù)設(shè)定有關(guān)，合理的運行參數(shù)配合聯(lián)動控制系統(tǒng)，能有效避免超壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。剛度和穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)設(shè)計方面必須考慮的問題，根據(jù)下表：

從表中可以看到，12×0.8的換熱管的抗彎能力是8×0.8換熱管的2.49倍（73.94/29.68=2.49），是10×1.0換熱管的1.28倍（73.94/57.96=1.28）；

而抗扭能力則相差更大，12×0.8的換熱管的抗扭能力是8×0.8換熱管的3.74倍（443.62/118.71=2.49），是10×1.0換熱管的2.67倍（443.62/289.81=2.67）。

由此可見，管徑12mm的換熱管，其抗彎能力和抗扭能力遠遠大于管徑10mm和管徑8mm的換熱管。

2.3 氟塑料換熱器的應(yīng)用工藝

氟塑料煙氣換熱器已經(jīng)是一種成熟的換熱器產(chǎn)品了。其在國內(nèi)實現(xiàn)的應(yīng)用工藝主要有三類：1）HRS余熱回收工藝；2）HDS煙氣冷卻再熱工藝；3）GCS煙氣冷凝工藝。

采用氟塑料換熱器做HRS余熱回收，通常布置在濕法脫硫前。這種布置的好處首先可以解決煙氣溫度波動大對脫硫系統(tǒng)造成的沖擊，可替代超溫噴淋系統(tǒng)；其次溫度的降低也能夠提高脫硫效率；再次煙氣余熱可以充分收集，即便在露點之下，也不會對后續(xù)的脫硫系統(tǒng)造成腐蝕；最后避免了采用金屬換熱器的腐蝕、結(jié)構(gòu)問題。

采用氟塑料換熱器做HDS/WGGH/MGGH系統(tǒng)，首先無需壁溫控制，輔機系統(tǒng)簡單，能耗低；其次露點一下運行也不會造成系統(tǒng)故障，大大增加了穩(wěn)定性；最后布置靈活，可大大緩解煙囪和尾部煙道的腐蝕問題。

煙氣冷凝收水工藝GCS系統(tǒng)是專門對氟塑料換熱器定制的一種應(yīng)用工藝。該工藝是用冷源通過氟塑料換熱器給脫硫后的飽和濕煙氣降溫，從而析出液態(tài)水，通過換熱管表面匯流到底部收水槽回收利用。由于在脫硫后的飽和濕煙氣在50-60℃之間，恰好是煙氣的露點溫度，金屬材料無法長期在露點溫度下工作，故必須選用氟塑料換熱器。并且氟塑料換熱器的細管結(jié)構(gòu)，能大大增加此工藝點的傳熱系數(shù)，通過計算，應(yīng)用在此工藝中的氟塑料換熱器最大傳熱系數(shù)可達200W/（m2.K），遠高于金屬換熱器。

目前氟塑料換熱器的應(yīng)用工藝還在增加，例如：石油煉化工藝中的有機氣體換熱、化工行業(yè)中濃硫酸的制備、電力行業(yè)的濕煙羽治理等，這些工藝都利用了氟塑料換熱器的耐腐蝕性、耐高溫（200℃以下）沖擊、耐老化性的特點，本文中下面的內(nèi)容就是結(jié)合這些特性，利用氟塑料換熱器優(yōu)化燒結(jié)煙氣在超低排放的工藝條件，起到增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和節(jié)能的效果。

3 優(yōu)化燒結(jié)（球團）煙氣的超低排放工藝

從本文中對燒結(jié)煙氣減排路線的選擇可知，濕法（鈣法）脫硫+SCR后置脫硝工藝是燒結(jié)煙氣治理的最佳工藝。目前國內(nèi)燒結(jié)廠大部分已建設(shè)濕法（鈣法）脫硫塔，如果改建活性炭一體化治理工藝，勢必造成大量資金的浪費；半干法（SDA、CFB）工藝如果要實現(xiàn)超低排放指標(biāo)，運行費用會大幅度增加，并且副產(chǎn)物無法處理，增加企業(yè)的環(huán)保壓力。SCR后置脫硝工藝已經(jīng)成為燒結(jié)煙氣脫硝的主流工藝，但用加熱爐加熱低溫?zé)煔?，會造成大量的能源消耗。通過與業(yè)主方及專業(yè)機構(gòu)的聯(lián)合研發(fā)，沃斯坦公司推出并實施了余熱回收加熱凈煙氣+煙氣脫水來配合燒結(jié)煙氣的SCR后置脫硝工藝，如下：

此工藝和傳統(tǒng)的燒結(jié)后置SCR脫硝工藝對比，增加了一套冷凝系統(tǒng)和一套用于煙氣余熱回收利用的MGGH系統(tǒng)。

在濕法（鈣法）脫硫FGD后的煙道上，增設(shè)一套冷凝系統(tǒng)，將脫硫出口的飽和濕煙氣從55℃降溫到48℃，可大大降低飽和煙氣中的含水率（約從16%降低到9%左右），含水率的降低首先可減少煙氣的焓值，從而在后續(xù)的升溫過程中減少能量消耗；其次煙氣中含水率的降低，還能夠有效防控脫硝催化劑的中毒，延長催化劑的使用壽命；最后冷凝回收的水，可作為脫硫系統(tǒng)的補水，從而降低脫硫系統(tǒng)的水耗。冷凝系統(tǒng)對脫硫出口的煙氣還具有污染物系統(tǒng)脫除的作用，對脫硫后煙氣中的粉塵、氣溶膠、硫酸鹽、SO3等有明顯的脫除效果。

該工藝中的MGGH系統(tǒng)是將進脫硫前的燒結(jié)煙氣余熱回收，用來加熱脫硫后的飽和濕煙氣。該系統(tǒng)首先控制了脫硫入口處的煙氣溫度，避免脫硫煙氣溫度波動對脫硫效率的影響；其次脫硫前燒結(jié)煙氣溫度的降低，能夠減小煙氣體積，增加脫硫系統(tǒng)的脫硫效率；再次MGGH系統(tǒng)的再熱器，將脫硫后的飽和濕煙氣加熱形成過熱煙氣，能大大緩解和消除后續(xù)脫硝GGH設(shè)備的腐蝕和堵塞問題，并且脫硝用金屬GGH的防腐等級也可降低，從而降低脫硝GGH的成本；最后余熱加熱凈煙氣減少了后續(xù)工藝中加熱爐的能量消耗，具有顯著的經(jīng)濟價值。以某360m2燒結(jié)機為例：

1、高爐煤氣價格：0.1元/m3;熱值按800kcal/m3計算；

2、燒結(jié)機進行時間按8000小時/年核算；

3、MGGH冷卻降溫為：130℃-105℃ ，MGGH再熱升溫為：40℃ -65 ℃

4、GCS降溫為47℃-40℃

5、煙氣量為1425000m3/h

采用熱風(fēng)爐的工藝：

熱風(fēng)爐直接將煙溫從47℃升到65℃所消耗的高爐煤氣為11700×104m3/年，合人民幣1170萬元/年。

按照此計算，多投入的設(shè)備可在2—4年回收成本。（此計算未含熱風(fēng)爐、MGGH及GCS的設(shè)備投資進行設(shè)備折舊及相關(guān)運維費用）。

4 結(jié)語

氟塑料煙氣換熱器作為一種新材料制作的換熱器產(chǎn)品，具有耐腐蝕、耐高溫、耐老化性、不結(jié)垢、易清洗、重量輕等優(yōu)點，能有效改善中低溫?zé)煔猸h(huán)境下?lián)Q熱器產(chǎn)品的運行穩(wěn)定性，可對煙氣余熱進行深度回收利用，對露點溫度的飽和煙氣也可實現(xiàn)冷凝提水等工藝需求。隨著國家節(jié)能政策的不斷提高，以及環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，尤其是對鋼鐵行業(yè)燒結(jié)煙氣減排限值的出臺，都將要求對現(xiàn)有治理工藝的升級優(yōu)化，氟塑料換熱器恰恰能夠成為助力燒結(jié)煙氣減排治理工藝優(yōu)化升級的利器。