非电行业烟气超低排放与碳中和战略

目前，非电行业工业炉窑NOx排放比例不断攀升，已经成为重要的大气污染源。十四五期间，“超低排放”、“蓝天保卫战”等规划措施相继实行，对于工业烟气污染排放有了更严格要求。针对钢铁、水泥、玻璃建材等非电力行业烟气温度低的特性，传统的SCR脱硝技术因催化剂工作温度高、无适宜热源、加热运行成本高等弊端不宜直接采用，必须对催化剂进行针对性改良，以提高其在低温烟气脱硝领域的适用性。

在“3060“碳达峰和碳中和目标下，节能就是降碳，超低排放与碳中和并不矛盾。钢铁行业面临低碳转型挑战，再加上超低排放标准不断的提高，双重压力下，非电行业烟气治理方向出路在哪里？低温及超低温烟气处理技术应该是比较理想的出路。

国家工业和信息化部公布了2021年度重点用能行业能效“领跑者”企业名单，宝钢湛江钢铁有限公司成功荣登第一名，并已连续两年荣获钢铁行业烧结工序能效“领跑者”称号。此外，宝钢湛江钢铁有限公司球团烧结机组在“全国重点大型耗能钢铁生产设备节能降耗对标竞赛”中，连续三年蝉联“冠军炉”称号，用硬核实力标榜了在钢铁行业烧结能效领域“领跑者”地位。提升能源利用效率是国家“双碳”工作的五大主要目标之一。宝钢湛江钢铁将“极致能效”作为助推中国宝武实现“碳中和”的技术突破方向之一，以追求“极致工序能耗”为目标，持续完善能源管理体系，同时聚焦技术进步和管理创新，不断提高烧结球团生产过程节能水平。能达到这一效果，其中烟气低温脱硝起了重要的作用，低温脱硝的关键技术就采用了上海瀚昱环保材料有限公司的低温脱硝工艺及低温与超低温催化剂。

当前，工业中应用较多的是以TiO₂为载体的钒钨系列的中高温催化剂（反应温度为280℃～420℃），钢铁、化工、焦化、垃圾焚烧、生物质发电、水泥、建陶等非电行业的烟气温度普遍都在280℃以下，有些甚至只有100℃左右，无法满足中高温SCR催化剂的使用要求，需要把温度提升到280℃以上才能达到脱硝处理条件，实现预期处理效果，这一升温过程需要消耗大量燃料，同时排放出大量的二氧化碳。

脱硝运行温度选择在150℃左右运行所带来最显而易见的好处就是节能，主要体现在以下两点：（1）节省煤气，降低碳排放，（2）节省电耗。其原因主要为：①在GGH换热器按中高温设计选型时，当其处于中高温（280℃或300℃左右）运行时，GGH的换热温差约在40~60℃，而当GGH处于低温（150℃）运行情况下，其换热温差可降至5~10℃以内，这是因为升温幅度越小，GGH耗热量越小，烟气带走的热量也越少，从而因补热而消耗的煤气也小得多；②在相同外部环境温度条件下，运行温度越高，系统的散热量越大；为满足系统运行温度要求，散失的热量必然需要热源进行补充，低温运行较中高温运行的散热量小，因此更加节能；③无论是中高温（280℃或300℃左右）运行还是低温（150℃左右）运行，其工艺在GGH低温侧换热后均须采用热风炉补热，从而达到设计要求的脱硝运行温度；而根据热力学中的“焓值”相关定律，即相同的烟气成分、在不同温度条件下，每升温1℃所需要的热量是不同的，温度越高，升温所需要的热量越多；④GGH并非理想系统，其换热组元的热交换效果、表面积灰情况、漏风率等都会影响GGH的换热效率，温升越高，影响越大。因此，低温运行情况下，升温消耗的热量更少，更节省煤气。另外，烟气温度越低，工况烟气量越小，系统阻力也越小，风机运行功率随之降低，从而减少电耗。因此，低温脱硝工艺的节能效果非常明显。

下面以宝钢湛江钢铁有限公司炼铁厂球团烟气低温脱硝为例进行分析：

宝钢湛江钢铁有限公司炼铁厂拥有一台年产能500万吨的球团焙烧设备，回转窑直径为φ6.96m，长度为52m，排放烟气量为141万Nm³/h，该窑尾烟气脱硫后原始烟温约为130～145℃。通过详细技术论证，从节能降碳及降低运行成本角度考虑，采用先进的150℃超低温SCR脱硝工艺，烟气补热措施采用燃气热风炉+GGH换热器，补热燃料为以高炉煤气为主的混合煤气。150℃超低温SCR催化剂由上海瀚昱环保材料有限公司研发制造，催化剂型式为蜂窝式，三层布置。该脱硝装置于2020年12月开始投运，至今已运行一年多时间，运行平稳，监测数据显示催化剂各项技术性能指标均满足设计要求，长期使用温度为145～160℃，NOx排放浓度＜50 mg/Nm³，氨逃逸率≤3 ppm，满足环保部门规定的超低排放要求。采用该脱硝工艺大幅度节省了煤气耗量，运行费用较低，且由于氨逃逸率低、SO₂/SO₃转化率低，下游设备的腐蚀、堵塞风险很低。

运行期间脱硝反应温度绝大部分时候控制在145～160℃，偶尔波动到160～180℃，DCS画面显示：脱硝在烟温为155℃左右时煤气耗量约为1100~1300 m³/h（图1），烟温为180℃~190℃左右时煤气耗量约为2000~2500 m³/h（图2、图3）。

图1烟温自133.5℃升至155℃时煤气耗量为1176 m³/h

图2 烟温自134.7℃升至180.9℃时煤气耗量为1971m³/h

图3 烟温自136.7℃升至191.5℃时煤气耗量为2346m³/h

对球团焙烧设备烟气的SCR脱硝系统的运行参数及煤气耗量进行汇总计算，可以得出不同脱硝温度条件下每年煤气耗量及碳排量数据，如表1所示。

表1 不同脱硝温度下年煤气耗量及碳排放量折算表

由表1可知，（1）烟温155℃脱硝时所需混合煤气费用约463万元/年，碳排放指标购买费用约40万元/年，合计费用503万元；（2）烟温180.9℃脱硝时所需混合煤气费用约834万元/年，碳排放指标购买费用约72万元/年，合计906万元；（3）烟温191.5℃脱硝时所需混合煤气费用约1111万元/年，碳排放指标购买费用约96万元/年，合计1207万元；（4）烟温280℃脱硝时所需混合煤气费用约2546万元/年，碳排放指标购买费用约224万元/年，合计2770万元。可见，不同烟温脱硝的能耗与碳排放量相差非常大，采用150℃左右脱硝的运行费用明显较低，优势明显。

鉴于球团的低温脱硝成功经验，宝钢湛江钢铁公司三烧结机（550 m²）烟气脱硝也采用了类似的节能型低温SCR脱硝工艺，在活性炭脱硫后，安装了低温SCR脱硝设备，低温催化剂也由上海瀚昱公司提供。脱硝反应器入口烟气量为183万Nm³/h，入口NOx浓度≤400mg/Nm³，脱硝温度为是150~180℃。催化剂型式为蜂窝式，初装2层催化剂。该三烧结机及脱硝装置于2021年5月投运，至今已运行近一年时间，反应器出口NOx浓度≤44mg/Nm³（设计标准），氨逃逸率≤3ppm，满足环保部门规定的超低排放限值。

与国内部分钢铁厂球团或烧结设备普通采用的280℃中高温SCR脱硝工艺相比，宝钢湛江钢铁公司的球团和烧结设备采用的150℃超低温SCR脱硝工艺带来的收益较明显，较大幅节约补热煤气的用量，降低了脱硝的运行费用，也明显减少了碳排放，带来了良好的经济效益和环保效益，为国家“双碳”目标的实现做出了积极贡献，为钢铁行业的节能、降碳起到了引领示范作用，也获得了全国钢铁行业能效“领跑者”第一名的称号。

150℃低温脱硝远不是终点，上海瀚昱环保材料有限公司从未停下研发的脚步，成功研发出120℃超低温脱硝催化剂，已在山西桃园东义水泥有限公司4000 t/年水泥生产线完成了120℃超低温脱硝中试应用，并且通过了由山西省大气所、环科院、太原理工大学、山西建材协会等单位组织的项目评审验收，给水泥行业烟气治理、碳减排找到一条光明的道路，也为钢铁、石灰窑、陶瓷窑等非电行业的超低温脱硝并彻底省去“补热能耗”与实现“零碳排放”奠定了扎实的基础。