周英貴

(江蘇世清環(huán)保科技有限公司，江蘇南京，210012)

隨著國(guó)家對(duì)大氣污染的環(huán)保排放要求越來(lái)越嚴(yán)格，鋼鐵冶金行業(yè)的煙氣治理越來(lái)越受到重視，其SO2、NOx和粉塵顆粒物在2015年的排放量分別達(dá)到173.6萬(wàn)噸、104.3萬(wàn)噸和357.2萬(wàn)噸，占全國(guó)重點(diǎn)調(diào)查工業(yè)企業(yè)的排放量的比例分別為12.4%、9.6%和32.2%[1]。為減少煙氣中污染物質(zhì)的排放量，使其排放指標(biāo)滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)為改善當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境，很多高效的脫硫脫硝除塵技術(shù)已被應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)外煙氣脫硫技術(shù)可以分為干法脫硫、半干法脫硫和濕法脫硫三大類。其中濕法脫硫主要有石灰石石膏法，會(huì)產(chǎn)生廢水和腐蝕；半干法煙氣脫硫主要有循環(huán)流化床脫硫、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫硫、NID脫硫等，系統(tǒng)故障點(diǎn)多，達(dá)到超低排放難度大；干法脫硫主要有電子束干法脫硫、活性炭吸附脫硫等常規(guī)方法，設(shè)備投資大[2,3]；為減少回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣中的二氧化硫、氮氧化物、粉塵污染物的排放，滿足國(guó)家環(huán)保政策的嚴(yán)格要求，太鋼集團(tuán)在鎂鈣砂回轉(zhuǎn)窯煙氣環(huán)保處理項(xiàng)目上應(yīng)用了高效的SCR脫硝技術(shù)和SDS(Sodium bicarbonate dry powder spray)碳酸氫鈉干粉噴射脫硫技術(shù)，該工藝無(wú)廢水排放，經(jīng)SCR脫硝反應(yīng)和SDS脫硫反應(yīng)后，煙氣進(jìn)入高效布袋除塵器，除塵器出口二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放濃度達(dá)到排放指標(biāo)。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的脫硝脫硫除塵工藝是利用SCR脫硝+SDS脫硫工藝對(duì)一條鎂鈣砂Φ2.5×110m回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線的窯尾煙氣進(jìn)行脫硝脫硫除塵達(dá)標(biāo)排放處理。

1 脫硫脫硝原理及流程

1.1 SCR脫硝原理

利用氨對(duì)NOx的還原功能，在催化劑的作用下將NOx(主要是NO)還原為對(duì)大氣沒有影響的N2和水。還原劑氨水，轉(zhuǎn)換方法為蒸發(fā)塔內(nèi)熱空氣直接接觸式蒸發(fā)，生成氨氣、水蒸氣和空氣的混合物，且其氨氣體積濃度控制在5%以下。

SCR工藝主要反應(yīng)方程式如下：

4NO+4NH3+O2→3N2+6H2O

(1)

4NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

當(dāng)煙氣中有氧氣時(shí)，氨消耗量與氮氧化物還原量有一對(duì)一的關(guān)系[2]。鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度350℃，可選用常用中高溫催化劑溫度，NOX脫除效率高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOX反應(yīng)。

1.2 SDS脫硫原理

從SCR反應(yīng)器脫除氮氧化物的煙氣進(jìn)入空冷塔冷卻降溫，煙氣溫度從350℃降至200℃左右，達(dá)到SDS脫硫和布袋除塵器的工藝溫度要求，進(jìn)入SDS反應(yīng)器的煙溫在180-220℃之間。在SDS脫硫反應(yīng)器內(nèi)噴入高活性的碳酸氫鈉超細(xì)粉，在熱煙氣環(huán)境加熱激活，顆粒發(fā)生爆米花效應(yīng)的爆漲，比表面積增加，生成活性很強(qiáng)的像海綿一樣的多孔微通道結(jié)構(gòu)，同時(shí)分解成Na2CO3、CO2和水，具有很高的反應(yīng)活性和吸附活性，激活前后的顆粒物理尺寸變化如圖1所示。

小蘇打激活前 小蘇打激活后

新產(chǎn)生的Na2CO3在生成瞬間有高度的反應(yīng)活性，可自發(fā)地與煙氣中的酸性污染物進(jìn)行下列反應(yīng)：

2NaHCO3(S)=Na2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g)

(3)

SO2(g)+Na2CO3(s)=Na2SO3(s)+CO2(g)

(4)

部分反應(yīng)：

SO2(g)+Na2CO3(s)+O2=Na2SO4(s)+CO2(g)

(5)

副反應(yīng)：

SO3(g)+Na2CO3(s)=Na2SO4(s)+CO2(g)

(6)

2HCl(g)+Na2CO3(s)=2NaCl(s)+CO2(g)

(7)

2HF(g)+Na2CO3(s)=2NaF(s)+CO2(g)

(8)

1.3 脫硝脫硫工藝流程

鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯窯尾排出的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐換熱后，送入SCR反應(yīng)器，在催化劑的作用下，煙氣中氮氧化物與噴入的氨氣發(fā)生還原反應(yīng)，氮氧化物達(dá)標(biāo)排放。未反應(yīng)的二氧化硫和未脫除的粉塵隨煙氣經(jīng)空冷塔降溫后，引出與SDS脫硫反應(yīng)器進(jìn)口煙道相連接。在SDS脫硫塔進(jìn)口水平總煙道上，通過(guò)干式噴射器將研磨器磨制好的碳酸氫鈉超細(xì)顆粒噴入煙道內(nèi)。均布器設(shè)置在噴射器下游，使得碳酸氫鈉在噴入煙道內(nèi)被熱煙氣迅速加熱活化激活，生成的碳酸鈉顆粒同時(shí)完成充分均勻混合。進(jìn)入脫硫塔反應(yīng)器后，活性和比表面積均增大的碳酸鈉與煙氣中污染物充分接觸，發(fā)生物理吸附、化學(xué)反應(yīng)，煙氣中的SO2，HCL等酸性氣體被高效吸收凈化。脫硫副產(chǎn)物隨煙氣進(jìn)入布袋除塵器脫除凈化，布袋上的粉塵層含有未反應(yīng)器的碳酸鈉成分進(jìn)行進(jìn)一步的脫硫反應(yīng)和煙塵凈化。整套脫硫脫硝除塵系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 SCR脫硝+SDS脫硫除塵系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)

2.1 項(xiàng)目概況

煙氣的參數(shù)如表1所示。單套回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)配置一套SCR反應(yīng)器、一套空冷降溫塔、一套SDS脫硫反應(yīng)器裝置和一套布袋除塵器。系統(tǒng)裝置的窯尾煙氣處理能力達(dá)到60000Nm3/h。煙氣經(jīng)凈化處理后，NOx≤150mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3，粉塵顆粒排放濃度≤10mg/Nm3。

表1 鎂礦砂窯尾煙氣參數(shù)條件

2.2 SCR脫硝系統(tǒng)組成

SCR脫硝系統(tǒng)構(gòu)成包括如下內(nèi)容：

(1)煙氣系統(tǒng)：包括SCR反應(yīng)器、催化劑、整流格柵、導(dǎo)流板、噴氨格柵、煙道。

(2)氨水蒸發(fā)系統(tǒng)：包括氨水蒸發(fā)塔、空氣/煙氣換熱器、聯(lián)箱、氨氣分配系統(tǒng)。

(3)催化劑吹掃系統(tǒng)：包括聲波吹灰器和壓縮空氣管路及附件。

(4)氨水儲(chǔ)存供應(yīng)系統(tǒng)：包括卸氨模塊、氨水罐、呼吸罐、輸送模塊、計(jì)量模塊和霧化噴槍。

2.3 SDS脫硫除塵系統(tǒng)組成

SDS脫硫系統(tǒng)構(gòu)成包括如下：

(1)高效研磨系統(tǒng)：包含碳酸氫鈉儲(chǔ)倉(cāng)、星型給料器、中間粉倉(cāng)、螺旋輸送計(jì)量裝置、高效研磨器、離心風(fēng)機(jī)、氣力輸送管道等。

(2)脫硫煙氣系統(tǒng)：包括煙道、文丘里噴射段、導(dǎo)流板、脫硫反應(yīng)器、布袋除塵器等。

(3)碳酸氫鈉噴射裝置：噴射器、均布器。

煙氣經(jīng)余熱鍋爐降溫后進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器，氨水蒸發(fā)器的熱源是利用SCR出口煙道內(nèi)的管式換熱器升溫加熱，在蒸發(fā)塔內(nèi)熱空氣與氨水直接接觸式蒸發(fā)稀釋，產(chǎn)生的氨氣經(jīng)噴氨格柵均勻和煙氣混合后，在催化劑作用下，與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)生成氮?dú)夂退?，脫硝后的煙氣?jīng)過(guò)空冷塔降溫后引接至SDS脫硫塔入口煙道。

SDS系統(tǒng)中所用的脫硫劑經(jīng)超細(xì)粉磨機(jī)研磨制成<10um的細(xì)粉(通過(guò)率97%)，且其中小于3um的細(xì)粉占40%左右，比表面積大。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的脫硫劑用量為150kg/h,脫硫劑的過(guò)量系數(shù)為1.05。

進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)一步脫硫和除塵，煙氣速度降低到0.7m/min以下。在布袋除塵器內(nèi)，吸附在濾料表面未反應(yīng)的脫硫劑繼續(xù)同煙氣中的酸性污染物發(fā)生反應(yīng)，煙氣中的酸性污染物成分含量進(jìn)一步降低。最后，經(jīng)過(guò)布袋除塵過(guò)濾后的凈煙氣被引風(fēng)機(jī)引出，送入煙囪排放。

3 運(yùn)行效果分析

3.1 脫硝的影響因素分析

脫硝用催化劑采用的是中高溫催化劑，具有反應(yīng)溫度窗口寬、二氧化硫轉(zhuǎn)化率和氨的逃逸率低、抗硫性好、脫硝效率高、比表面積大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)窯煙氣溫度為320℃-350℃，處于催化劑窗口溫度區(qū)間的高效區(qū)，在入口煙氣中氮氧化物濃度為4300mg/Nm3的條件下，SCR反應(yīng)器出口氮氧化物濃度以接近100mg/Nm3的高效脫除。反應(yīng)器空塔設(shè)計(jì)煙氣流速不大于3.5m/s，保證了催化劑小孔通道的沖刷跑灰能力，同時(shí)也控制了催化劑層的壓力損失，單層催化劑壓差損失不大于180Pa。

3.2 煙氣溫度對(duì)脫硫的影響

煙氣溫度是SDS脫硫過(guò)程是一個(gè)重要的影響因素。一般情況下，NaHCO3在50℃以上開始逐漸分解，生成Na2CO3、CO2和水，270℃時(shí)完全分解，煙氣溫度在140℃和250℃窗口區(qū)間具有高度活性[4]，通常略微過(guò)量的碳酸氫鈉就能自發(fā)完全地與煙氣中的酸性污染物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)窯尾煙氣上升到140℃以上時(shí)，脫硫效率達(dá)到96%，煙氣溫度在200℃左右時(shí)，脫硫效率達(dá)到97%以上，當(dāng)溫度小于140℃，脫硫效率下降明顯。

3.3 煙氣負(fù)荷對(duì)SDS脫硫的影響

進(jìn)入脫硫塔的煙氣量降低，塔內(nèi)的煙氣流速降低，脫硫劑在塔內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，強(qiáng)化了低負(fù)荷工況下煙氣中的二氧化硫的脫硫反應(yīng)效果，脫硫效率相對(duì)提高，根據(jù)測(cè)試分析，在煙氣負(fù)荷為55%時(shí)，脫硫效率接近98%；煙氣負(fù)荷為82%時(shí)，脫硫效率接近97.2%；在煙氣負(fù)荷為100%時(shí)，脫硫效率接近97%。

3.4 不同噴射位置對(duì)脫硫的影響

碳酸氫鈉通過(guò)壓縮空氣噴入煙道內(nèi)，在均布裝置的湍流強(qiáng)混下，與煙氣均勻混合，使得脫硫塔截面上的顆粒濃度分布偏差在合理范圍內(nèi)。同時(shí)為了對(duì)比在脫硫塔體上噴射加入脫硫劑的脫硫效果，本項(xiàng)目脫硫塔裝置在脫硫塔體的文丘里擴(kuò)散出口段設(shè)計(jì)脫硫劑加料接口，如圖3所示。

圖3 不同脫硫劑加料位置示意圖

圖3中列出2種方案，第一種為在塔入口水平煙道設(shè)置加料口和均布器；第二種為在脫硫塔文丘里出口段塔體上設(shè)置加料口。在煙氣負(fù)荷接近100%時(shí)，脫硫效率分別為98.1%、和83%。結(jié)果表明，在脫硫塔體上加入碳酸氫鈉，脫硫效率低；在塔入口煙道上加入脫硫劑，脫硝效率高；主要原因是：(1)在塔入口煙道噴入脫硫劑，因均布器、塔底文丘里段的紊流和噴射作用，強(qiáng)化了脫硫劑與煙氣的均勻混合，脫硫效率更高；(2)在塔體上噴入脫硫劑，在塔內(nèi)紊流擴(kuò)散和混合不強(qiáng)，分布均勻性較差，即使出脫硫塔后，未反應(yīng)完的脫硫劑顆粒在布袋除塵器的不同區(qū)域布袋上，沉積的灰分中脫硫劑含量也有差異性，導(dǎo)致脫硫效率降低。

3.5 布袋除塵器對(duì)脫硫的影響

脫硫副產(chǎn)物隨煙氣進(jìn)入布袋除塵器，大量的粉塵聚集粘附在布袋上，形成一層粉塵層，粉塵層中含有未反應(yīng)完的脫硫劑，煙氣在經(jīng)布袋除塵器過(guò)濾的過(guò)程中，吸附在濾料表面的脫硫劑繼續(xù)同煙氣中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，煙氣中的酸性物質(zhì)含量進(jìn)一步降低。

4 項(xiàng)目實(shí)施問(wèn)題分析

4.1 催化劑使用應(yīng)注意的問(wèn)題

堿金屬與催化劑表面接觸，會(huì)使催化劑活性降低。本項(xiàng)目還原劑為氨水，氨水中含有堿金屬鹽成分，應(yīng)選用堿金屬含量低的合格品質(zhì)氨水；脫硝裝置內(nèi)應(yīng)避免水蒸氣凝結(jié)，凝結(jié)在催化劑上的水會(huì)將飛灰中的有毒物(堿金屬，鈣，鎂)轉(zhuǎn)移到催化劑上，從而導(dǎo)致催化劑失活[5]，在運(yùn)行過(guò)程中需保持氨水蒸發(fā)后溫度高，避免不利因素；飛灰沉積會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)惡化，需優(yōu)化煙氣流程，設(shè)置導(dǎo)流板和煙氣整流格柵，安裝吹灰設(shè)備，催化劑入口頂端采用硬化技術(shù)，改善催化劑磨損；硫及硫銨鹽是造成催化劑堵塞的另一個(gè)主要原因，煙溫250℃以下，很容易形成硫銨鹽，不僅堵塞催化劑微孔，而且會(huì)造成下游換熱設(shè)備的粘污，本方案設(shè)計(jì)最低運(yùn)行溫度280℃。

4.2 節(jié)能氨水蒸發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行

常規(guī)氨水蒸發(fā)熱源一般用蒸汽或電加熱，空氣加熱至180℃-200℃后，與霧化氨水液滴直接接觸式加熱蒸發(fā)，本項(xiàng)目在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)計(jì)了盤管換熱裝置，節(jié)省能耗和降低故障率，離心風(fēng)機(jī)把空氣升壓后送入下部聯(lián)箱管，煙氣在盤管內(nèi)加熱后匯集于上部聯(lián)箱管后送至蒸發(fā)塔蒸發(fā)氨水，產(chǎn)生的氨氣和水蒸氣，經(jīng)熱空氣稀釋后送入噴氨格柵。

圖4 新型氨水蒸發(fā)系統(tǒng)

4.3 脫硫劑的研磨

SDS干法脫硫系統(tǒng)要保證有比較高的脫硫效率，碳酸氫鈉的顆粒粒徑是關(guān)鍵，經(jīng)超細(xì)粉磨機(jī)研磨制成<10um的細(xì)粉(通過(guò)率97%)，可達(dá)到比較高的脫硫效率，超細(xì)的粉塵研磨，對(duì)研磨機(jī)的要求比較高，本項(xiàng)目選擇了進(jìn)口品牌帕爾曼高效研磨機(jī)，并設(shè)計(jì)了防止研磨板結(jié)的加藥自動(dòng)沖洗系統(tǒng)，連續(xù)加入一定量的潤(rùn)滑藥劑，保證了研磨機(jī)穩(wěn)定連續(xù)工作。

4.4 脫硫劑的均勻分布

由3.3節(jié)可知，脫硫劑在塔入口水平煙道段噴入，且在其下游段設(shè)置均布裝置，脫硫效果最好。脫硫劑顆粒在脫硫塔截面上的均勻分布與噴射器、均布裝置有關(guān)，為了獲得較好的效果，借鑒了專利號(hào)CN201949798[6]設(shè)計(jì)思路并做了優(yōu)化，開發(fā)了多組X型渦流混合器，如圖5所示。

圖5 多組分布X型渦流混合器示意圖

4.5 脫硫灰的有效處理

與其他干法脫硫方法相比，SDS系統(tǒng)的脫硫劑用量少，因此脫硫副產(chǎn)物少。副產(chǎn)物中Na2SO4所占比例很高，便于綜合利用[7]。副產(chǎn)物為干態(tài)粉狀料，其中，Na2SO4質(zhì)量約占總質(zhì)量的90%，Na2CO3質(zhì)量約占總質(zhì)量10%?？捎梅秶ǎ?1)摻入水泥作添加劑;(2)在玻璃生產(chǎn)中代替純堿;(3)用作尾礦固化劑的生產(chǎn)原料；(4)在造紙工業(yè)中用于制造硫酸鹽紙漿時(shí)的蒸煮劑;(5)在化學(xué)工業(yè)中用作制造硫化鈉的原料;(6)在紡織工業(yè)中用于調(diào)配維尼綸紡絲凝固劑等。這些應(yīng)用中，除(1)和(3)項(xiàng)對(duì)純度要求不高，其他各項(xiàng)應(yīng)用均需要比較好的脫硫副產(chǎn)物純度，因此進(jìn)入SDS脫硫塔反應(yīng)器入口的煙氣粉塵濃度越低，脫硫副產(chǎn)物利用價(jià)值越高。

5 結(jié)論

SCR脫硝+SDS脫硫除塵能同時(shí)使系統(tǒng)達(dá)到NOx、SO2和粉塵達(dá)標(biāo)排放。在SCR反應(yīng)器內(nèi)布置空氣/煙氣換熱器加熱空氣，不僅節(jié)能，且運(yùn)行簡(jiǎn)單。脫硫塔底部煙道布置脫硫劑噴射口和均布器，保證了碳酸氫鈉在熱煙氣中激活的同時(shí)，也有利于提高碳酸鈉顆粒在脫硫塔截面上的分布均勻性，提高脫硫效率；同時(shí)布袋上的粉塵層有未反應(yīng)的脫硫劑，在除塵過(guò)濾的過(guò)程中，吸附在濾料表面的脫硫劑繼續(xù)同煙氣中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步提高脫硫效率，獲得如下結(jié)論：

(1)SCR脫硝+SDS脫硫工藝效率高，能夠滿足目前的超低排放限值要求，且系統(tǒng)全干態(tài)運(yùn)行，無(wú)需防腐，沒有廢水排放問(wèn)題。

(2)新型氨水蒸發(fā)器利用了煙氣余熱，降低了系統(tǒng)中空冷塔的負(fù)荷，降費(fèi)節(jié)能，且運(yùn)行簡(jiǎn)單。

(3)煙氣溫度對(duì)脫硫效率有直接影響，當(dāng)溫度低于140℃，脫硫效率下降明顯，當(dāng)溫度上升到200℃左右時(shí)，脫硫效率高。

(4)脫硫劑加料最佳位置在脫硫塔入口煙道設(shè)置，加料口下游煙道安裝均布器，脫硫效率高。