烧结烟气活性炭一体化脱硫脱硝超低排放治理技术优化研究
陈西峰 刘伟 杨光
（陕钢集团汉中钢铁有限责任公司）
摘要：针对高硫原料工况下带来的污染物治理波动、药耗能耗偏高难题，本文以陕钢集团汉钢公司2×265㎡活性炭一体化脱硫脱硝系统为研究对象，开展超低排放技术优化。结合入塔压力、粉尘浓度、活性炭性能、烟气温度等运行参数，实施吸附塔格栅清理与筛网改造。依托活性炭硫容、床层温升数据，构建活性炭循环量、喷氨量、解析塔温度调控模型；分区调整吸附塔运行频次，严控粉尘，并强化在线监测定期校准。改造后，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物持续稳定满足超低排放限值，系统抗波动能力显著增强，电耗、药剂与燃料成本明显降低，为同类活性炭法烧结烟气超低排放治理工程提供技术参考。
关键词：烧结烟气；活性炭；脱硫脱硝；超低排放；多污染物协同治理；工况模型；在线监测校准
1 引言
烧结工序是钢铁企业大气污染物排放的核心单元，烧结烟气具备烟气量大、组分复杂、SO₂与NOₓ浓度波动频繁、粉尘含量高等特点，是工业烟气治理的重点与难点。活性炭一体化脱硫脱硝技术可同步脱除SO₂、NOₓ、颗粒物等多种污染物，副产硫酸可实现资源化利用，无二次污染，目前已成为国内大型烧结机烟气超低排放治理的主流工艺。
陕钢集团汉钢公司烧结厂活性炭一体化烟气治理系统总投资4.8亿元，配套2台265㎡烧结机，设计烟气污染物执行超低排放限值：颗粒物≤10mg/Nm³、SO₂≤35mg/Nm³、NOₓ≤50mg/Nm³，系统于2021 年7月正式投运。受原料市场行情影响，企业逐步提高高硫国产矿配入比例，导致烧结烟气入口硫含量升至 1500~2000mg/m³，远超系统 600~1300mg/m³的设计处理上限。烟气负荷超标引发一系列治理难题：SO₂穿透吸附层干扰脱硝单元运行，造成NOₓ排放波动；烟气温度、吸附塔压力异常叠加，增大活性炭飞温、粉尘逃逸风险；传统参数调控模式依据单一，工况适配性较差；在线监测设备长期未规范校准，监测数据失真，无法真实反映排放现状。
为保障烟气全指标稳定达标，破解高负荷烟气下治理系统运行瓶颈，项目团队以烟气全流程管控、多污染物协同脱除、参数模型化调控、监测数据精准溯源为核心，开展工艺参数优化、设备改造、操作标准化、监测体系完善等工作，最终形成一套适配高硫、高波动烧结烟气的活性炭法超低排放治理技术体系。
2 烟气治理系统概况及现存问题
2.1 烟气治理工艺流程
烧结烟气经主抽风机汇集后，由增压风机送入活性炭治理系统。烟气首先进入一级吸附塔，完成脱硫、颗粒物捕集；随后进入二级吸附塔，借助喷氨反应实现高效脱硝；净化后的烟气经由统一排气筒达标外排。吸附饱和的活性炭输送至解析塔完成高温再生，解析产生的高浓度SO₂烟气送入制酸系统生产工业硫酸，再生活性炭回流至吸附系统循环使用，形成“烟气净化—活性炭再生—副产利用”的闭环治理工艺。整套系统具备脱硫、脱硝、除尘一体化治理能力，两套烧结机烟气共用一套末端排放设施。
2.2 高负荷烟气下治理系统突出问题
结合现场长期运行数据，高硫、高波动烧结烟气对治理系统造成多重冲击，同时设备运维、参数调控、监测管理短板进一步放大运行风险，主要问题如下：第一，SO₂超标穿透，连锁影响脱硝效果。当混匀矿硫含量＞0.12%，烟气入口 SO₂浓度突破设计上限，大量 SO₂穿透一级吸附塔进入二级脱硝单元，与氨水反应生成硫酸铵并堵塞活性炭微孔，造成活性炭吸附性能劣化，不仅脱硫效率下降，还会阻碍脱硝反应，导致 NOₓ排放升高、氨水消耗量大幅增加。第二，烟气温度、塔压双重异常，威胁排放与设备安全。系统未设置烟气换热装置，仅依靠补冷风调节烟温，烟气温度每升高1℃，增压风机负荷同步上升，系统电耗增加；当吸附塔内烟温＞150℃且升温速率＞0.2℃/min时，活性炭易发生“飞温”自燃。同时吸附塔格栅积灰、筛网选型不合理，造成塔内压差偏高，进一步加剧烟温集聚与粉尘逃逸问题。第三，粉尘多级管控缺失，颗粒物超标风险突出。前端电除尘出口粉尘浓度波动、吸附塔格栅堵塞、筛网孔径匹配不当、吸附塔各区域物料运行频率未精细化区分，形成“前端携尘 + 塔内二次产尘”双重隐患，颗粒物难以稳定控制在超低排放限值内。第四，参数调控依据单一，运行模型不完善。原有模式仅依靠烟气入口硫含量调整运行参数，未结合活性炭硫容、pH 值、床层温升等核心指标，活性炭循环量、喷氨量、解析温度调整缺乏量化标准，系统应对烟气负荷波动的能力不足。第五，喷氨匹配性差，脱硝效率低且氨逃逸突出。两套烟气治理系统共用一套氨水蒸发器，管路阻力不均，喷氨量分配失衡。人工手动调氨响应滞后，烟气NOₓ负荷变化时，易出现喷氨过量引发氨逃逸，或喷氨不足导致NOₓ超标，烟气脱硝稳定性较差。第六，在线监测设备运维不到位，数据失真。粉尘仪、烟气分析仪、烟气流速仪、除氨柱等在线监测设备未定期校准、更换，总排口未开展全流程示值误差检测，监测数据存在偏差，无法为环保管控提供有效依据。第七，解析烟气余热直排，间接抬高治理能耗。解析塔冷却段排出170℃高温烟气直接放空，余热未回收利用。热风炉仅采用常温空气助燃，需消耗大量煤气维持解析温度，间接提升烟气治理系统的燃料消耗与运行成本。
3 烧结烟气多污染物协同治理优化技术
本次优化以源头控烟气工况、过程提脱除效率、模型化精准调控、全设备运维保障、监测数据溯源为总体思路，针对SO₂、NOₓ、颗粒物三类核心污染物，结合塔压、粉尘、活性炭理化指标、在线监测等多维度条件，实施全方位技术升级。
3.1 吸附塔压力与粉尘协同管控，格栅清理及筛网升级
结合吸附塔入塔压力、电除尘出口粉尘浓度两项关键指标，建立常态化设备运维机制，从硬件层面降低塔阻与粉尘逃逸风险。依托系统停机检修窗口期，对吸附塔内部格栅网开展全面清灰作业，重点清理格栅缝隙附着的粉尘、活性炭细粉及结块物料，解决长期积灰造成的烟气流通受阻、塔压升高等问题。检修完成后，吸附塔系统压差由最高 3.2kPa稳定控制在1.8kPa以内，有效降低增压风机运行负荷，同时避免粉尘堆积引发局部高温现象。
根据塔压及粉尘运行数据，将原有1.5mm 筛网统一更换为2.0mm 筛网，并执行 1.5mm与2.0mm 筛网周期性交替使用制度。大孔径筛网可有效提升塔内烟气流通性，减少活性炭粉末滞留，从源头降低二次粉尘产生量；结合电除尘出口粉尘浓度变化动态调整筛网使用周期，在粉尘捕集与烟气流通之间实现最优平衡。
3.2 多参数联动建模，构建三大工况调控体系
以烟气入口硫含量为基础，每周取样检测吸附塔内活性炭硫容、pH 值，同步监测吸附塔入口至床层的温升幅度，结合三项检测指标建立活性炭循环量、喷氨量、解析塔温度三套量化控制模型，实现全工况精准调控。
3.2.1 活性炭循环量模型
综合烟气入口SO₂浓度、活性炭硫容、床层温升幅度动态调整活性炭循环速度：一级吸附塔后室活性炭全硫≥4.5%、二级吸附塔前中室全硫≥2.8%，或床层温升幅度＞3℃/min时，以2-4t/h幅度加大活性炭循环量，加快饱和炭再生；一级吸附塔后室活性炭全硫＜3%、二级吸附塔前中室全硫＜2.2%，且床层温升稳定、活性炭pH值处于正常区间时，以2t/h幅度减小循环量，延长活性炭吸附时长；烟气总量每增加10万m³/h，同步上调活性炭循环速度1.2~1.8t/h，匹配烟气负荷变化。
3.2.2 喷氨量调控模型
结合入口NOₓ浓度、烟气硫含量、活性炭pH值、床层温升综合设定喷氨参数。高硫工况下，活性炭微孔易被硫酸盐堵塞，脱硝活性下降，在氨氮摩尔比0.8~1.0基准区间内小幅上调喷氨量；当活性炭pH值偏低、床层温升异常时，及时优化喷氨分布，避免局部氨过量引发结晶与氨逃逸。依托模型实现喷氨量自动化匹配烟气负荷，替代传统人工经验调节模式。
3.2.3 解析塔温度调整模型
根据活性炭硫容检测结果反向调控解析段温度：活性炭平均硫容偏高时，将解析温度由常规430℃提升至440~445℃，强化解析再生效果；硫容处于正常区间时，维持430℃基础温度，避免高温造成活性炭过度损耗。运行过程中严格控制解析后活性炭硫容＜2.0%，保障循环炭的吸附、脱硝性能。
3.3 分区调节吸附塔前中后室频率，精细化控制粉尘含量
针对吸附塔不同区域物料运行特性，差异化调整前、中、后室圆辊运行频率，利用活性炭料层形成多级过滤屏障，实现粉尘梯级拦截。
常规工况下，将二级吸附塔后室圆辊频率稳定设置为5Hz，匹配系统带料量16~20t，依靠后室活性炭料层深度拦截烟气粉尘，保障出口颗粒物稳定＜10mg/Nm³；适度提高前室、中室运行频率，加快表层含尘炭更新，防止粉尘堆积。
当电除尘出口粉尘浓度瞬时升高时，降低吸附塔前、中室圆辊频率，增厚料层延长烟气接触时间，强化粉尘捕集；极端高粉尘工况下，临时停止一级吸附塔中室、二级吸附塔后室圆辊给料，最大化发挥活性炭过滤作用，确保颗粒物小时均值满足超低排放要求。同时结合吸附塔入塔压力变化同步修正各室频率，兼顾粉尘控制与烟气流通性，避免单一调频造成塔阻骤升。
3.4 在线监测设备常态化运维校准，保障数据真实有效
建立第三方运维监督机制，对烟气在线监测系统全链条设备开展定期校准、更换与误差检测，筑牢环保数据管控底线。
定期监督第三方运维单位，对粉尘仪、除氨柱、烟气分析仪、烟气流速监测设备进行现场校准，根据设备使用寿命及运行状态及时更换老化、故障部件，确保SO₂、NOₓ、颗粒物、流速、温度等实时监测数据误差符合国家标准。
制定月度、季度检测计划，定期在烟气总排口开展全流程示值误差比对检测，将现场手工监测数据与在线监测数据交叉核验，及时修正数据偏差，杜绝数据失真、数据漂移问题。同时建立设备校准、部件更换、误差检测专项台账，记录时间、人员、检测结果、整改措施，实现在线设备全生命周期可追溯，保障烟气排放数据合法、准确、有效。
3.5 烟气温度精准管控，稳定污染物脱除工况
烟温是影响活性炭吸附、反应效率的核心参数，也是烟气治理系统安全稳定运行的基础。本次建立烧结工序与烟气治理系统温度联动管控体系，实行区间化精准控温。
常态工况下，将烧结大烟道烟气温度稳定控制在130±5℃，治理系统入塔烟气温度控制在120~130℃，吸附塔床层温度维持132±5℃。该温度区间可保证活性炭对SO₂、粉尘的吸附活性，同时规避高温自燃风险。
遇到烧结生产计划性异常时，提前将吸附塔床层温度下调3±2℃；出现突发烟气高温冲击时，立即关小主抽风机风门、全开补风阀快速降温，阻断高温烟气对吸附单元的冲击。经实测，入塔烟气温度每降低1℃，系统电单耗下降0.2kWh/t，通过前端精准控温，可减少补风阀开启幅度，在保障污染物脱除效率的同时，有效降低烟气输送设备电耗。
3.6 划定烟气硫负荷管控红线，强化 SO₂深度脱除
通过多组现场试验划定管控红线：混匀矿硫含量不得长期超过0.18%。单次配用6万吨高硫矿后，系统需要8~10天物料循环才能恢复正常状态，此期间加密监测进出口 SO₂浓度、活性炭硫容与pH值，严防超标排放。通过解析温度、活性炭循环量联动调整，持续恢复活性炭脱硫性能，避免活性炭“中毒”失效引发SO₂超标。
3.7 脱硝系统硬件升级，提升 NOₓ脱除效率、控制氨逃逸
针对烟气脱硝环节喷氨不均、效率偏低、氨逃逸等问题，对喷氨系统进行硬件改造与智能调控。将原单台蒸发器供两套烟气系统的模式，改造为一对一独立供氨，保留应急联用功能，解决两路烟气管道阻力不均、喷氨量失衡的问题。
依托PLC系统接入烟气在线监测数据，搭建自动喷氨程序，结合喷氨模型实现智能调氨，消除人工操作滞后性。同时建立管路定期吹扫、喷嘴疏通制度，防止结晶堵塞；严格把控进厂氨水品质，执行“先检测、后卸车”原则，保证氨水浓度≥20%。优化完成后，烟气出口NOₓ稳定控制在42mg/Nm³以下，氨逃逸浓度＜3ppm。
3.8 解析烟气余热回收，降低治理系统综合能耗
利用热风炉助燃风机自身负压，新增耐高温输送管路与双阀隔断阀门，将解析塔冷却段180℃高温烟气引入助燃风管道，与常温空气混合后，助燃风温度稳定提升至 100~150℃。
本次改造依托现有设备完成，无大型土建及设备投入，不影响烟气治理主体工艺运行。改造后热风炉无需消耗大量煤气加热助燃空气，有效降低烟气治理系统燃料消耗，同时减少高温烟气直排带来的热污染，实现烟气资源化梯级利用。
3.9 全流程应急管控，保障烟气排放连续稳定
编制烟气治理系统开停机操作规范、高负荷烟气应急处置预案。针对不同停机时长，分级管控增压风机、喷氨系统、活性炭循环及解析温度；出现活性炭飞温、塔压骤升、粉尘瞬时超标、SO₂异常穿透等异常工况时，立即执行切断烟气、充氮保护、调整物料频率、加大活性炭循环等操作。通过标准化应急流程，杜绝短时工况波动造成的烟气污染物超标。
4 治理效果分析
4.1 烟气污染物排放指标
经过全流程优化治理，烧结烟气SO₂、NOₓ、颗粒物三大核心污染物实现长期稳定超低排放，治理效果提升显著。颗粒物方面，通过格栅清理、筛网升级、吸附塔分区频率调节、前端除尘优化，吨烧结矿粉尘排放量由49g/t降至8g/t，烟气出口浓度持续稳定在8mg/Nm³以内，粉尘逃逸问题彻底解决。二氧化硫方面，依托多参数联动循环模型、解析温度优化，吨烧结矿SO₂排放量由106g/t降至12g/t，烟气SO₂达标率100%，高硫原料工况下未发生穿透超标现象。氮氧化物方面，喷氨模型与智能喷氨系统协同运行，吨烧结矿NOₓ排放量由370g/t降至61g/t，烟气NOₓ达标率100%，氨逃逸控制在3ppm以内，消除次生污染。
整套烟气治理系统在线监测设备数据误差全部控制在规范范围内，数据真实有效，完全满足钢铁行业超低排放及环保监管要求。
4.2 设备运行工况改善
吸附塔格栅清理与2.0mm 筛网更换完成后，系统压差稳定控制在1.8kPa以内，彻底解决高压差导致的风机高负荷运行、局部飞温等问题。通过每周硫容、pH值检测与模型化调控，活性炭再生效率显著提升，未再出现吸附中毒、性能劣化等问题；筛网交替使用后，活性炭粉末产生量大幅下降，日均粉末产量由35t降至25~31t，设备运行稳定性全面提升。
4.3 烟气治理系统能耗与药剂消耗
脱硝氨水综合改造后，氨水单耗累计下降0.9kg/t，年节约脱硝运行成本340余万元；仅氨水蒸发器单项改造，年创效约300万元。解析塔烟气余热回收后，吨矿煤气成本下降0.27元，2025年实现直接创效81.68万元，年减少二氧化碳排放4664吨。烟气温度精准管控、塔阻下降后，增压风机日均节电3-4万kWh，烟气输送环节电耗明显下降。结合筛分优化、颗粒回收、循环量精准调控，活性炭吨矿单耗由2.7kg降至2.4kg，年回收利用活性炭200t，物料消耗大幅降低。
4.4 系统工况适应性与监测可靠性
优化后的烟气治理系统可稳定应对烟气SO₂浓度1500~2000mg/m³的高负荷工况，系统抗烟气负荷波动、原料波动的能力大幅提升。同时在线监测设备定期校准、全流程误差检测常态化开展，粉尘、烟气组分、流速等监测数据精准可靠，为烟气治理精细化管控提供坚实的数据支撑。
5 结论
第一，结合吸附塔入塔压力、电除尘出口粉尘浓度开展格栅清理与筛网升级，搭配吸附塔前中后室运行频率分区调节，是从硬件和运行层面协同管控颗粒物、降低系统阻力的有效手段，可全面提升烟气流通性与粉尘捕集效果。第二，以烟气入口硫含量为基础，耦合活性炭硫容、pH 值、床层温升等指标，建立活性炭循环量、喷氨量、解析温度三大量化模型，可有效解决高硫烟气治理参数调整盲目性的问题，保障SO₂、NOₓ高效稳定脱除。第三，严格落实在线监测设备第三方定期校准、部件更换与总排口示值误差检测，是保障烟气排放数据真实、合规的必要举措，为超低排放长效管控提供数据基础。第四，将烧结前端工况与烟气治理系统联动调控、低成本设备改造、智能化参数模型相结合，可在实现多污染物协同超低排放的同时，降低烟气治理系统综合运行成本，兼顾环保、安全与经济效益。
本套技术方案聚焦烧结烟气多污染物协同治理，适配国内钢铁企业高硫原料使用现状，技术成熟、落地性强，可为同行业活性炭法烧结烟气超低排放治理、烟气负荷优化、设备运维、在线监测管理提供完整的技术借鉴。后续可进一步推进风机变频改造、烟气温度全自动调控，持续挖掘烟气治理系统的优化潜力。