靖汪建 鄭啊團(tuán) 孫軍軍

（中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖北武漢 430205）

0 引言

在干法或半干法脫硫的脫硫灰研究和應(yīng)用方面，除用于制作加氣混凝土砌塊、復(fù)配礦渣微粉、瀝青混合料、防水卷材填料等之外［1］，將脫硫灰制備陶粒作為建筑材料、水處理濾料、吸附劑以及無(wú)土栽培的培養(yǎng)基等，也有前人進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)和研究［2-4］，并逐漸得到推廣。

與常規(guī)建筑陶瓷行業(yè)的廢氣不同，對(duì)于采用脫硫灰作為原料的陶粒燒制回轉(zhuǎn)窯工藝，其窯后廢氣采用集中處理的方式，同時(shí)煙氣還具有含SO2、灰塵、NOx等污染物濃度高的特點(diǎn)。雖然在多種行業(yè)，脫硫脫硝除塵技術(shù)有成熟的經(jīng)驗(yàn)和工程應(yīng)用，但是針對(duì)脫硫灰燒制陶粒回轉(zhuǎn)窯的煙氣處理工藝，目前尚未有相關(guān)的文獻(xiàn)和公開(kāi)技術(shù)提供參考。因此，在其煙氣處理過(guò)程中，如工藝路線選擇不合理、選材不當(dāng)?shù)葐?wèn)題發(fā)生，容易造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

為解決此類工程煙氣環(huán)保處理問(wèn)題，本文針對(duì)脫硫灰燒制陶粒的煙氣特點(diǎn)，結(jié)合陶粒燒制的主生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)并提出了一套合理的煙氣處理工藝，以期為類似工程提供重要的參考價(jià)值。

1 概述

新疆某企業(yè)擬以循環(huán)流化床鍋爐的脫硫灰作為原料，并配以一定比例的黏土、頁(yè)巖等其他材料，采用天然氣作為燃料，以回轉(zhuǎn)窯的方式進(jìn)行陶粒燒制。該窯尾排放煙氣具有以下特點(diǎn)：

1）污染物SO2濃度很高。亞硫酸鈣在陶粒燒制過(guò)程中二次分解，與燃燒廢氣混合后，導(dǎo)致煙氣中SO2質(zhì)量濃度偏高，最高時(shí)可達(dá)4×104mg/m3。

2）粉塵顆粒物濃度高，灰塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)3×104mg/m3。

3）采用的燃料為天然氣，其污染物NOx質(zhì)量濃度最高可達(dá)600 mg/m3。

4）排煙溫度高。窯尾煙氣出口煙氣溫度最高可達(dá)850 ℃。

5）煙氣中SO3含量較高，最高時(shí)達(dá)到775 mg/m3。當(dāng)煙溫低于酸露點(diǎn)以下時(shí)，將對(duì)煙道以及與煙氣接觸的設(shè)備造成腐蝕。

除達(dá)到環(huán)保指標(biāo)外，煙氣余熱回收再利用于生產(chǎn)過(guò)程中的烘干需求；且環(huán)保裝置不設(shè)煙氣旁路，能適應(yīng)主廠不同負(fù)荷的工況，能夠在最大和最小污染物濃度之間的任何值下運(yùn)行。

2 煙氣處理工藝路線的合理性選擇

根據(jù)前述，環(huán)保裝置要具備更高的可利用率和穩(wěn)定性，在環(huán)保工藝路線選擇方面需要考慮以下幾點(diǎn)：

1）考慮煙氣中污染物濃度高的特點(diǎn)，慎重選擇合理高效的環(huán)保工藝，達(dá)到環(huán)保指標(biāo)要求的同時(shí)能夠節(jié)能降耗。

2）考慮煙氣的高硫、高灰易造成設(shè)備腐蝕、堵塞、磨損等問(wèn)題，在設(shè)備選型方面宜慎重選擇或采取措施，以避免或降低此類影響。

3）利用煙氣溫度高的特點(diǎn)，合理采用余熱回收方式，同時(shí)兼顧生產(chǎn)和環(huán)保裝置等各處理段的溫度需求，從而保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，根據(jù)煙氣的特點(diǎn)，首先對(duì)煙氣中SO2的脫除首選高效率的石灰（石）-石膏濕法脫硫工藝；其次，在煙氣處理過(guò)程中，選用合適的煙氣溫度段，采用高效的SCR脫硝工藝；對(duì)于高溫?zé)煔獾某龎m，采用耐高溫的除塵器。

根據(jù)企業(yè)需求，煙氣余熱回收采用對(duì)新鮮冷空氣進(jìn)行換熱，用于陶粒燒制工段料球、黏土烘干的熱源，以節(jié)能降耗。因此，烘干用空氣因當(dāng)?shù)囟膬杉緲O端溫度的變化，將會(huì)影響到生產(chǎn)和煙氣處理工藝的運(yùn)行穩(wěn)定性。

在煙氣處理工藝路線中，SCR 裝置的穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)關(guān)鍵。為保證脫硝效率，SCR 裝置的入口煙氣溫度控制在370℃以上。因此，結(jié)合煙氣余熱利用，煙氣治理路線設(shè)計(jì)時(shí)，在陶粒窯出口處加裝第一級(jí)換熱器（高溫?fù)Q熱器）用于冷空氣的二次加熱，陶粒窯的出口煙溫850 ℃經(jīng)過(guò)高溫?fù)Q熱器降溫至約370 ℃送入SCR 裝置?？紤]到系統(tǒng)的除塵要求及煙氣的性質(zhì)，將除塵器布置在SCR裝置之前，避免除塵器受低溫腐蝕的同時(shí)，可以凈化SCR 運(yùn)行環(huán)境。煙氣經(jīng)過(guò)除塵脫硝后進(jìn)入第二級(jí)換熱器（中溫?fù)Q熱器）用于冷空氣的一次加熱，換熱后的煙氣溫度控制在酸露點(diǎn)以上，最后進(jìn)入濕法脫硫裝置達(dá)標(biāo)排放。煙氣處理工藝的基本流程如下：陶粒窯→高溫?fù)Q熱器→除塵裝置→脫硝裝置→中溫?fù)Q熱器→增壓風(fēng)機(jī)→脫硫裝置→煙囪?？諝鈧?cè)流程如下：冷風(fēng)機(jī)→中溫?fù)Q熱器→高溫?fù)Q熱器→烘干設(shè)施?？偭鞒倘鐖D1 所示。

圖1 陶粒燒制窯煙氣處理系統(tǒng)

3 設(shè)備的合理性選擇

3.1 換熱系統(tǒng)的設(shè)備選型

換熱系統(tǒng)是將煙氣余熱回收將空氣加熱后用于黏土、陶粒燒制烘干段。為保證烘干效果，其中料球烘干的溫度控制在220 ～250 ℃，黏土的烘干溫度控制在220 ℃以上。正常情況下，空氣和煙氣的溫度波動(dòng)可通過(guò)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)調(diào)整，從而保證運(yùn)行穩(wěn)定。但在生產(chǎn)過(guò)程中，煙氣溫度的波動(dòng)有時(shí)會(huì)隨著物料的投入量而變化，空氣溫度則受到環(huán)境溫度變化的影響。因此，為降低回轉(zhuǎn)窯不同負(fù)荷工況以及環(huán)境氣溫對(duì)生產(chǎn)的影響，分別在中溫?fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器設(shè)置空氣旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，同時(shí)空氣冷風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)。

將空氣旁路分級(jí)溫度調(diào)控和空氣冷風(fēng)機(jī)變頻調(diào)控相結(jié)合，在滿足料球和黏土烘干的溫度條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)高、中低溫?fù)Q熱器煙氣側(cè)的溫度，以控制除塵脫硝脫硫煙溫條件，保證環(huán)保裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，設(shè)備選型方面需要注意以下事項(xiàng)：

1）冷風(fēng)機(jī)的選型要充分考慮到不同工況和極端大氣條件下能夠滿足空氣流量和系統(tǒng)風(fēng)壓的運(yùn)行需求。

2）高溫?fù)Q熱器要考慮高溫、高硫、高塵的煙氣工作環(huán)境，采用耐高溫、防磨、防腐的材料；材料的選用要考慮在高溫工況下的膨脹而引起的變形，并采取有效措施避免換熱器因熱脹冷縮受損；為有效防止內(nèi)部的“串煙”現(xiàn)象，換熱器煙氣和空氣在各自獨(dú)立的通道中通行；高溫?fù)Q熱器同時(shí)考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的堵灰及清灰問(wèn)題。

3）由于中溫?fù)Q熱器放置在SCR 脫硝后，需要考慮冬季極端溫度或生產(chǎn)低負(fù)荷狀況下煙氣溫度過(guò)低時(shí)的硫酸氫銨堵塞；同時(shí)材質(zhì)上要考慮煙氣酸露點(diǎn)以下時(shí)對(duì)煙氣接觸部位的腐蝕。

針對(duì)以上情況，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，換熱系統(tǒng)和設(shè)備的選型采取的措施如下：

1）冷風(fēng)機(jī)的選型以當(dāng)?shù)囟酒骄鶜鉁貫榭諝馊肟跍囟?，以料球和黏土烘干裝置均運(yùn)行情況下的氣量為設(shè)計(jì)空氣量；同時(shí)兼顧當(dāng)?shù)貥O端氣溫下，能夠單獨(dú)滿足料球或黏土的烘干需求。

2）正常情況下，空氣調(diào)節(jié)旁路的設(shè)計(jì)可滿足不同工況和氣候變化的溫控要求。但通過(guò)核算，該系統(tǒng)的熱量較為富裕。因此，特殊情況下，在保證環(huán)保裝置安全運(yùn)行的同時(shí)，也可增設(shè)空裝置將空氣排空處理作為一種調(diào)節(jié)手段。

3）高溫?fù)Q熱器選型中，與煙氣接觸的換熱板材質(zhì)選擇耐高溫、耐腐蝕的不銹鋼310 S；結(jié)構(gòu)上采用26 mm 的大通道板間距；布置上采用煙氣流向從上向下直通，空氣側(cè)采用水平進(jìn)出，雙流程的方式。換熱板片采用表面光滑的板片形式以減低積灰結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)；板片厚度略高于常規(guī)選擇，選擇1.5 mm 的厚度，以應(yīng)對(duì)煙氣的高溫變形、磨損等問(wèn)題；為防止高塵煙氣對(duì)本體及焊縫的磨損，在煙氣側(cè)進(jìn)口處設(shè)置防磨損夾條；為吸收高溫工況下膨脹引起的變形，換熱板采用彈性管板。同時(shí)在高溫?fù)Q熱器的煙氣側(cè)上下段均設(shè)置吹灰裝置，防止換熱器積灰。

4）不同于高溫?fù)Q熱器，由于中溫?fù)Q熱器處于除塵器后，其煙氣中灰塵顆粒質(zhì)量濃度低于20 mg/m3，灰塵對(duì)換熱器的堵塞和磨損狀況較輕。但中溫?fù)Q熱器設(shè)置在SCR 脫硝后端，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮到硫酸氫銨的堵塞以及煙溫低于酸露點(diǎn)以下時(shí)對(duì)設(shè)備的腐蝕。

根據(jù)中溫?fù)Q熱器的入口煙氣成份，其中煙氣中水蒸汽體積分?jǐn)?shù)為13.14%；SO3質(zhì)量濃度最高達(dá)到775 mg/m3；根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［5］，通過(guò)計(jì)算，換熱器出口煙氣酸露點(diǎn)溫度約160℃。對(duì)于SCR 脫硝，硫酸氫銨的沉積在230℃以下較為明顯［6］。因此，為保證換熱器及增壓風(fēng)機(jī)等后端設(shè)備在酸露點(diǎn)及硫酸氫銨的露點(diǎn)以上運(yùn)行，降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，中溫?fù)Q熱器出口煙溫設(shè)計(jì)時(shí)控制在250℃以上。

系統(tǒng)運(yùn)行操作上，脫硝裝置在保證脫硝達(dá)標(biāo)的同時(shí)，通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)控制噴氨量，以減少硫酸氫銨生成量；同時(shí)考慮定時(shí)或定期通過(guò)換熱器空氣側(cè)的旁路調(diào)節(jié)，提高煙氣溫度對(duì)硫酸氫銨進(jìn)行熱解。其采用的措施是利用黏土烘干工段結(jié)束的時(shí)間段，將中溫?fù)Q熱器出口煙氣溫度提高至360 ℃以上，對(duì)硫酸氫銨進(jìn)行加熱分解處理。

考慮以上因素，結(jié)構(gòu)上中溫?fù)Q熱器采用全焊接式大通道板式換熱器；材質(zhì)上為降低腐蝕隱患，中溫?fù)Q熱器采用分段設(shè)計(jì)，前端高溫段（310 ℃以上）采用2205 不銹鋼材質(zhì)的板式，后端低溫段（310 ℃以下）采用耐防腐的碳化硅管式。

3.2 除塵系統(tǒng)的設(shè)備選型

根據(jù)前述，煙氣除塵設(shè)置在高溫?fù)Q熱器之后，采用的高溫除塵器，設(shè)計(jì)出口粉塵質(zhì)量濃度≤10 mg/m3，粉塵過(guò)濾效率高達(dá)99.97%。該段煙氣溫度約380℃，除塵器采用金屬濾袋，濾袋材質(zhì)選用耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、性價(jià)比較高的316L 不銹鋼。結(jié)合系統(tǒng)需要和除塵器本體結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性要求，設(shè)計(jì)耐壓±6 kPa，采用獨(dú)特的箱梁框架結(jié)構(gòu)+壓型板方式，并具有抗震、抗風(fēng)雪載和承載能力。輸灰系統(tǒng)方式采用連續(xù)排灰。由于灰斗中的灰溫度較高，先通過(guò)水冷螺旋輸送機(jī)對(duì)灰進(jìn)行預(yù)冷卻，然后通過(guò)倉(cāng)泵輸送至鋼灰?guī)靸?chǔ)存待用。

3.3 煙氣脫硝

為避免灰塵顆粒物對(duì)催化劑造成堵塞和磨損，從而影響到催化劑的使用壽命，煙氣脫硝設(shè)置在除塵后。脫硝裝置采用SCR 脫硝工藝，催化劑采用釩鈦系催化劑，溫度適應(yīng)范圍310 ～400 ℃。本脫硝段煙氣設(shè)計(jì)溫度控制在催化劑的反應(yīng)最佳段370℃左右。采用高性能的聲波吹灰器定時(shí)清灰，防止催化劑的堵塞。

脫硝還原劑采用氨水作為還原劑，采用氨水噴射汽化設(shè)計(jì)，根據(jù)SCR反應(yīng)器進(jìn)出口NOx、煙氣溫度及煙氣流量等計(jì)算氨的注入量，通過(guò)噴氨流量閥調(diào)節(jié)。此外，根據(jù)反應(yīng)器出口NOx濃度作為反饋參數(shù)，對(duì)噴氨量進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)噴氨量閉環(huán)控制。

如前所述，通過(guò)操作中的SCR 噴氨量精準(zhǔn)控制和定期提高中溫?fù)Q熱器出口煙溫對(duì)硫酸氫銨進(jìn)行熱解處理等方式，以降低硫酸氫銨對(duì)后續(xù)設(shè)備的堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 煙氣脫硫

由于脫硫前煙氣中的SO2質(zhì)量濃度高達(dá)4×104mg/m3，吸收塔采用特殊的單塔三級(jí)脫硫工藝，煙氣經(jīng)脫硫后通過(guò)塔頂煙囪排放。結(jié)合企業(yè)需求，濕法脫硫的脫硫劑采用電石渣。

脫硫前為保證煙氣溫度高于酸露點(diǎn)以上，脫硫前入口煙溫為250℃左右。為防止生產(chǎn)過(guò)程中煙氣溫度波動(dòng)或前端換熱器故障造成煙氣溫度過(guò)高對(duì)脫硫塔的損害，脫硫塔前設(shè)置一套降溫水噴淋系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 單塔三級(jí)吸收塔

該脫硫塔的設(shè)計(jì)特點(diǎn)有以下幾方面：

1）從布置上，該脫硫塔相當(dāng)于將3 座吸收塔整合在一起，保證脫硫效率的同時(shí)，節(jié)約了占地面積和投資。

2）設(shè)計(jì)上，可以通過(guò)每級(jí)脫硫?qū)拥耐斜P(pán)和漿液收集器做到協(xié)同除塵，提高除塵效率，滿足煙囪出口的粉塵達(dá)標(biāo)要求。

3）操作上，吸收劑采用電石渣漿液，可視為氫氧化鈣溶解液，漿液加入漿池后會(huì)迅速提高pH 值，為了確保石膏漿液的氧化（低pH 值范圍氧化效率最高）和SO2的吸收（高pH 值范圍吸收效率高），設(shè)計(jì)時(shí)將一級(jí)吸收塔漿池和二、三級(jí)吸收塔漿液箱分開(kāi)設(shè)置。一級(jí)吸收塔漿池設(shè)置在吸收塔本體底部，設(shè)置相應(yīng)的攪拌和氧化設(shè)施。漿池同時(shí)接收一級(jí)塔吸收酸性氣體后的漿液和二、三級(jí)吸收塔漿液箱的溢流漿液，pH 值控制在4.8 ～5.5，利于石膏漿液的氧化。二、三級(jí)吸收塔漿池合并設(shè)置一個(gè)塔外漿液箱，同樣設(shè)置相應(yīng)的攪拌和氧化設(shè)施，接收二、三級(jí)吸收塔循環(huán)泵漿液吸收酸性氣體后的漿液、除霧器沖洗水和補(bǔ)充的新鮮電石渣漿液，pH值維持在5.5 ～6.2，以保證與煙氣接觸的漿液為高pH值范圍，大幅提高了吸收效果。

4 結(jié)論

1）國(guó)內(nèi)對(duì)于脫硫灰陶粒燒制窯的煙氣處理工藝尚未有可參考的工程和工藝，該煙氣處理工藝對(duì)類似的煙氣治理提供了重要而有意義的參考價(jià)值。

2）采用空氣與煙氣換熱方式，用于主生產(chǎn)的黏土和料球干燥。充分實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的，為企業(yè)節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)考慮到環(huán)境溫度和生產(chǎn)負(fù)荷的變化，設(shè)置多級(jí)空氣溫度調(diào)節(jié)控制，做到精細(xì)調(diào)節(jié)，保證穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，節(jié)能降耗。

3）煙氣余熱利用中，采用高、中溫?fù)Q熱器二級(jí)方式，結(jié)合各段的煙氣特點(diǎn)，在設(shè)備選型、操作運(yùn)行、工藝流程上進(jìn)行改進(jìn)，降低設(shè)備腐蝕、磨損、酸露腐蝕、硫酸氫銨堵塞等對(duì)設(shè)備帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

4）根據(jù)其煙氣SO2濃度高的特點(diǎn)，采用獨(dú)特的單塔三級(jí)吸收工藝，達(dá)到脫硫效率的同時(shí)，節(jié)約占地面積，降低了投資成本。