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逆流式活性炭煙氣脫硫脫硝技術(shù)特點及應(yīng)用

作者:韓健等  
評論: 更新日期:2022年04月21日

:對活性炭凈化燒結(jié)煙氣工藝(CSCR)分類進行了簡述,并對不同工藝的技術(shù)特點進行了對比分析。重點從工藝的選擇、運行效果以及技術(shù)特點等方面詳細介紹了應(yīng)用于河鋼集團邯鋼公司(簡稱河鋼邯鋼)的逆流式活性炭燒結(jié)煙氣脫硫脫硝工藝,同時闡述了保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)要求。

從實際運行效果來看,該工藝系統(tǒng)總體運行穩(wěn)定,煙氣凈化效果基本達到50mg/m3超低排放限值要求。最后,基于實踐經(jīng)驗,對活性炭凈化燒結(jié)煙氣工藝存在的問題和未來發(fā)展進行了總結(jié)和展望。

1 前 言

隨著環(huán)保標準的提高,作為鋼鐵行業(yè)SO2、NOx和二噁英等污染物的主要排放源頭,處理好燒結(jié)煙氣是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)綠色生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

燒結(jié)廢氣具有含塵量高、水含量大、有害物質(zhì)多、強腐蝕性以及SO2濃度波動大等特性,因此要想實現(xiàn)對污染物的高效脫除需要選擇與燒結(jié)煙氣特征相適應(yīng)的凈化工藝[1-4]。

傳統(tǒng)半干法和濕法燒結(jié)煙氣治理技術(shù)會產(chǎn)生大量廢棄物,并且煙氣凈化水平難以進一步提升。與傳統(tǒng)煙氣凈化工藝相比,活性炭凈化燒結(jié)煙氣具有凈化程度高、深度節(jié)水、資源回收以及沒有固體廢棄物等優(yōu)點,并且能在一個系統(tǒng)中去除SO2、NOx、顆粒物、二噁英、重金屬等多組分污染物,自2008年首次大型工程化應(yīng)用于太鋼以來,國內(nèi)已有多家單位采用了該技術(shù)[5-10]。

之前國內(nèi)活性炭處理燒結(jié)煙氣均采用交叉流工藝,煙氣凈化程度雖然能夠達到國家標準,但是距離超低排放限值要求仍有一定差距,尤其是脫硝水平與超低排放要求差距較大。

通過對國內(nèi)各種燒結(jié)煙氣凈化工藝和發(fā)達國家垃圾焚燒領(lǐng)域煙氣治理技術(shù)的考察比較,河鋼邯鋼在國內(nèi)率先選用了逆流式活性炭選擇性催化還原(CSCR)凈化燒結(jié)煙氣工藝。該工藝于2017年應(yīng)用于邯鋼東區(qū)燒結(jié)機以來,實現(xiàn)了長周期穩(wěn)定順行,達到了較高的煙氣凈化水平。

鑒于其良好的運行效果,2018年2月又于邯鋼西區(qū)燒結(jié)機投運了第二套逆流式CSCR工藝。文中對該工藝的工藝選擇、運行效果以及技術(shù)特點等方面進行了詳細的闡述,以供同行借鑒與參考。

2逆流式工藝特點和優(yōu)勢

2.1活性炭脫硫脫硝工藝分類

活性炭脫硫脫硝工藝從煙氣和活性炭運動方式看可分為兩大類,即交叉流(垂直流)和逆流。交叉流工藝中活性炭和煙氣分別作垂直運動和水平運動,兩者在運動方向垂直接觸,交叉流工藝在國內(nèi)應(yīng)用相對較早,典型有太鋼、日照等[8,10],在有色領(lǐng)域應(yīng)用也比較廣泛。

逆流式工藝活性炭自上而下、煙氣自下而上,兩者逆流相向接觸,在發(fā)達國家垃圾焚燒領(lǐng)域和電廠等應(yīng)用較多,在國內(nèi)河鋼邯鋼將逆流式工藝首次應(yīng)用于燒結(jié)煙氣處理。

2.2不同工藝對比

在河鋼邯鋼逆流式CSCR系統(tǒng)中,煙氣自下而上、活性炭自上而下,兩者逆流接觸,活性炭連續(xù)地從吸附塔底部排出,輸送到解析塔進行解析,解析后的活性炭再進入系統(tǒng)循環(huán)使用(工藝流程見圖1)。

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圖1逆流式CSCR工藝流程

SO2通過活性炭的吸附、解析作用,再經(jīng)過觸媒的催化氧化制成濃硫酸,實現(xiàn)了資源回收利用。通過脫硫段后,在上升的煙氣中進行噴氨,進入脫硝段后在活性炭的催化作用下NOx轉(zhuǎn)化為氮氣和水進行脫硝。

性炭飽和程度不一致,活性炭的吸附能力沒有得到充分發(fā)揮。逆流式工藝中活性炭與煙氣做相向運動、兩者均勻接觸,在吸附塔頂部活性炭裝入后,隨著向下運動,飽和程度逐漸升高,在水平方向活性炭飽和程度一致,運動至吸附塔底部即煙氣入口處活性炭飽和程度達到最大后排出。從整體反應(yīng)器設(shè)計分析,逆流式工藝具有更好的動力學優(yōu)勢。

交叉流工藝在同一活性炭床層進行脫硫和脫硝,在SO2濃度未低至一定范圍時噴氨容易出現(xiàn)床層板結(jié),影響系統(tǒng)運行。

逆流式工藝將系統(tǒng)脫硫和脫硝功能分開,脫硫段在下、脫硝段在上,煙氣首先進行脫硫處理,確保硫含量低至一定范圍后,在脫硫段和脫硝段的中間噴氨,煙氣進入脫硝段后再進行脫硝,杜絕了噴氨后出現(xiàn)的活性炭板結(jié)問題。

由于上部只承擔脫硝任務(wù),因而氮氧化物凈化效率得到了有效提升。另外通過優(yōu)化設(shè)計,脫硫段和脫硝段共用一套裝料和排料裝置,與單層結(jié)構(gòu)相比裝備復雜程度增加很少,日常維護上工作量增加有限。

3應(yīng)用實踐

3.1煙氣凈化指標

逆流式CSCR系統(tǒng)投產(chǎn)后實現(xiàn)了長周期穩(wěn)定順行和較高的煙氣凈化效率,其主要污染物凈化數(shù)據(jù)見表1。

表1 2018年上半年主要污染物凈化數(shù)據(jù)(mg/Nm3)

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可見,其中NOx排放濃度低于50mg/Nm3,SO2排放濃度低于10mg/Nm3,固體顆粒物排放濃度低于15mg/Nm3,NOx脫除水平在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

此外,結(jié)合現(xiàn)場實況與表1數(shù)據(jù)可知:

(1)4~6月份生產(chǎn)秩序基本正常,顆粒物、SO2以及NOx排放濃度基本達到超低排放限值要求。5月份由于活性炭階段性供應(yīng)短缺,系統(tǒng)多個模塊活性炭不足,因而NOx排放濃度比超低排放限值高了1mg/m3,其他時間基本在40mg/m3以下,滿足超低排放限值要求的50mg/m3指標。

(2)1~3月份屬于采暖季,由于受環(huán)保減

排政策約束高爐和燒結(jié)過程產(chǎn)生的除塵灰不能外排出廠,只能全部進入燒結(jié)過程,使得混勻料結(jié)構(gòu)中廢雜灰比例由1.5%~2%左右提高到5%~6%左右,廢雜灰比例提高后燒結(jié)煙氣污染物濃度明顯提高。廢雜灰顆粒較細比較容易隨煙氣飛散,受其影響系統(tǒng)出口顆粒物濃度比非采暖季有所升高,達到了12mg/m3左右。

SO2和NOx濃度提高后,系統(tǒng)出口濃度并未出現(xiàn)異常,采暖季煙氣凈化指標驗證了系統(tǒng)的煙氣凈化能力可以滿足工藝運行的要求。

3.2設(shè)備穩(wěn)定運行情況

系統(tǒng)投運以來隨機作業(yè)率達到100%,未出現(xiàn)因CSCR系統(tǒng)故障影響燒結(jié)機停車事故。主要是由于系統(tǒng)的設(shè)計方式具備了離線檢修功能。

系統(tǒng)由多個互相獨立的模塊組成,每個模塊均有獨立的進氣、出氣切斷閥門,各個模塊工作狀態(tài)不會互相影響。當某一模塊出現(xiàn)問題后,通過將閥門切斷,可進行離線檢修,不會影響其他模塊正常運行。逆流式CSCR系統(tǒng)煙氣凈化能力較高,因而即使在個別模塊離線檢修時也能保證系統(tǒng)的煙氣凈化效果。

3.3投資及運行成本

首套CSCR系統(tǒng)共投資3.1億元,其中固定設(shè)備投資2.5億元,購買初裝活性炭花費0.6億元。

系統(tǒng)投運后,主要運行成本包括電費、氮氣、活性炭、氨水、高爐煤氣、蒸汽等方面,其中電費、氮氣和活性炭占總運行成本70%以上。氮氣成本較高主要是由于其作為系統(tǒng)保護氣,為確保系統(tǒng)安全,用量較大,隨著工藝操作水平逐步提高,該項成本有較大降低空間。其詳細的運行成本構(gòu)成如圖2所示。

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圖2逆流式CSCR系統(tǒng)運行成本構(gòu)成

折合噸燒結(jié)礦,以上各項運行成本合計達到16.19元。另外由于系統(tǒng)可回收濃硫酸,同時產(chǎn)生的活性炭粉可作為燒結(jié)燃料,兩項可分別降低噸燒結(jié)礦成本1.1元和0.85元。綜合考慮最終噸燒結(jié)礦運行成本為14.24元。

3.4二次污染物零排放

逆流式CSCR系統(tǒng)二次污染物循環(huán)如圖3所示。

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圖3逆流式CSCR系統(tǒng)二次污染物循環(huán)

常規(guī)燒結(jié)煙氣凈化工藝會產(chǎn)生大量固體廢氣物,形成二次污染。隨著環(huán)保要求越來越嚴格,脫硫灰的外排和存放也將會成為困擾企業(yè)的重要問題。

由圖3可知,逆流式CSCR系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物主要是活性炭粉和制酸廢水,活性炭粉可作為燒結(jié)燃料使用。制酸廢水經(jīng)過簡單處理可加入一混制粒過程,制酸過程產(chǎn)生的尾氣全部引入解析塔處理,實際應(yīng)用中未發(fā)現(xiàn)不良影響。逆流式CSCR系統(tǒng)沒有任何二次污染物外排,實現(xiàn)了二次污染物的零排放。

4關(guān)鍵技術(shù)及運行要求

逆流式CSCR系統(tǒng)的正常運行涉及到活性炭、吸附塔、解析塔、活性炭輸送系統(tǒng)、排料系統(tǒng)以及安全保護程序等多方面軟硬件因素,任何一方面的薄弱環(huán)節(jié)都會影響到整個系統(tǒng)的運行效果。根據(jù)實踐經(jīng)驗,以下三方面因素對系統(tǒng)的運行情況影響較為突出。

4.1活性炭質(zhì)量

選擇合適的活性炭是煙氣治理效果和成本控制的基礎(chǔ)。國內(nèi)應(yīng)用于燒結(jié)煙氣脫硫脫硝的活性炭種類繁多,較為通用的標準包括山西新華制定的GB/T302101-2013、上??肆蚬局贫ǖ臉藴室约皧W地利英特佳標準。在以上標準基礎(chǔ)上,經(jīng)過前期調(diào)研和實踐中的摸索,針對實際情況,提出了更有針對性的活性炭標準,具體見表2。

表2活性炭標準

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4.2活性炭床層高度

活性炭吸附層床層高度是煙氣凈化效率的關(guān)鍵參數(shù)之一。床層高度過低煙氣污染物脫除率難以達標,床層高度過高不僅浪費活性炭使用量,而且還會增加活性炭之間的內(nèi)部作用力,增加磨損量,造成需要更高強度的活性炭才能滿足要求,勢必會增加原料成本。因此只有在合適的床層高度下才能實現(xiàn)兼顧脫除效率和成本。由于脫硫效果較好,因而在設(shè)計時重點考慮脫硝效果。

為了實現(xiàn)在最經(jīng)濟的條件下去除高達99%的SO2和其他有害物質(zhì),并通過選擇性催化還原反應(yīng)去除85%的NOx,通過先導試驗確定床層高度?;钚蕴看矊痈叨葘Ox脫除率以及脫除率增加量的影響分別如圖4(圖中H2O含量為其體積分數(shù))和圖5所示。

QQ截圖20190730093653.jpg

圖4 活性炭床層高度對NOx脫除率的影響

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圖5 NOx脫除率變化與活性炭床層高度的關(guān)系

在煙氣含水蒸汽12.5%、氨水濃度飽和的條件下,采用滿足指標要求的活性炭,當床層高度超過3m時,NOx脫除率超過80%,如圖4所示。

然而當活性炭床層高度超過2m時,NOx脫除率雖然隨著床層高度增加而提高,但是其提高的幅度越來越小,即隨著床層高度增加活性炭對NOx脫除率的貢獻逐步下降,如圖5所示。兼顧脫除效果和經(jīng)濟性,確定正常工作時活性炭床層高度。

4.3活性炭輸送系統(tǒng)

活性炭循環(huán)輸送依靠鏈斗輸送機,鏈斗輸送機和各排料裝料閥門需耦合控制,控制不當會引起集中排料,使鏈斗輸送機某一段小斗中排料過多溢出散落,增加活性炭浪費和人工清理工作量。同時在其他因素確定的情況下,只有活性炭循環(huán)輸送量達到一定值才能確保煙氣凈化效果。

鏈斗輸送機設(shè)計方面,在調(diào)試階段、裝炭期間,因為程序漏洞和設(shè)計缺陷,多點卸料的鏈斗輸送機出現(xiàn)鏈斗掛壞現(xiàn)象。通過優(yōu)化完善程序和更改鏈斗機尾部結(jié)構(gòu)形式,解決了鏈斗異常翻轉(zhuǎn)問題,杜絕了鏈斗被掛壞的事故發(fā)生。整個系統(tǒng)共有1條主鏈斗輸送機和4條分鏈斗輸送機,每條分鏈斗輸送機上有8個活性炭排料點,系統(tǒng)共有32個。

從排料點排出的活性炭落入分鏈斗輸送機,然后倒入主鏈斗輸送機,由于各個鏈斗輸送機小斗容量一致,所以主鏈斗機上已經(jīng)接料后的點后續(xù)不能再接料,否則將導致活性炭溢出。

為提升活性炭的循環(huán)輸送量,要綜合設(shè)計32個排料點的排料順序,首先要確保主鏈斗輸送機上各點不能重復接料,在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗依據(jù)主鏈斗輸送機上空料點位置和斷流寬度調(diào)整排料點排料順序,提升活性炭循環(huán)輸送量。

5待解決問題及未來發(fā)展

逆流式CSCR系統(tǒng)經(jīng)過一年多的持續(xù)運行積累了許多經(jīng)驗,但仍存在很多待解決的問題:

(1)二噁英、NH3逃逸等尚無在線檢測,在線檢測技術(shù)升級后能夠更有效地對其進行監(jiān)控并探索如何控制。

(2)二噁英脫除機理尚未徹底明確,生成及脫除因素有待進一步探索,更多機理性研究才能實現(xiàn)二噁英的有效控制。

(3)廢雜灰大量入燒后,煙氣顆粒物濃度升高較多,堵塞活性炭空隙,影響凈化效果。采暖季廢雜灰不能外排,控制措施有待探索。

(4)當前活性炭評價標準、參數(shù)較多,影響系統(tǒng)運行效果的關(guān)鍵參數(shù)有待進一步確定。

(5)隨著活性炭脫硫脫硝工藝的應(yīng)用推廣,活性炭市場供不應(yīng)求,需積極開拓活性炭生產(chǎn)新工藝,拓展供應(yīng)源頭。

(6)系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的余熱僅部分被利用,可進一步開發(fā)余熱利用技術(shù)以達到更高的節(jié)能降耗效果。

6結(jié)語

逆流式活性炭燒結(jié)煙氣脫硫脫硝工藝屬于國內(nèi)首創(chuàng),可借鑒經(jīng)驗少,經(jīng)過前期摸索實現(xiàn)了長周期的穩(wěn)定運行,煙氣凈化效果基本達到超低排放限值要求。文中詳細介紹了該工藝的技術(shù)優(yōu)勢、煙氣凈化效果以及運行關(guān)鍵技術(shù)要求,并基于實踐經(jīng)驗對未來發(fā)展提出了一些看法,希望能為廣大同行提供一些參考。

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