吳 靜 聶宜文 顏世廣 李 蕾

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司 裝備公司, 北京 100038;2.北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司, 北京 100142)

0 前言

隨著電力行業(yè)超低排放的大范圍實(shí)現(xiàn),目前國內(nèi)的大氣污染防治重點(diǎn)已經(jīng)由電力行業(yè)轉(zhuǎn)向了非電行業(yè),燒結(jié)機(jī)、焦?fàn)t煙氣是關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格,國家對焦化企業(yè)制定了更高的排放要求,部分地區(qū)相繼發(fā)布焦化行業(yè)的超低排放標(biāo)準(zhǔn),如河北的《煉焦化學(xué)工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 13/2863—2018)。部分企業(yè)在國家和地方標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定了更為嚴(yán)格的排放要求:唐山某年產(chǎn)144萬t焦電一體化項(xiàng)目,出口指標(biāo)要求粉塵≤5 mg/Nm3,SO2≤35 mg/Nm3,NOx≤30 mg/Nm3。本文就此焦化廠焦?fàn)t廢氣凈化處理工藝路線的選擇、主要設(shè)備的配置以及實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行闡述,為相關(guān)企業(yè)提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

唐山某焦化廠新建搗固式熱回收焦?fàn)t20座,每座18孔,共計(jì)360孔,年產(chǎn)焦炭144萬t,同時配套建設(shè)備煤、干熄焦和余熱鍋爐及發(fā)電機(jī)組。2臺焦?fàn)t合建一套煙氣處理系統(tǒng),采用CFB半干法脫硫除塵+GGH+補(bǔ)燃SCR脫硝工藝,確保焦?fàn)t煙氣中的SO2、NOx、粉塵滿足排放指標(biāo)要求。

焦?fàn)t燃料主要為荒煤氣,不同于常規(guī)焦?fàn)t,煙氣中SO2濃度高達(dá)2 000 mg/Nm3,NOx含量低于常規(guī)焦?fàn)t煙氣,另外焦?fàn)t出口煙氣溫度較低,為180～192 ℃(表1)。

表1 單套煙氣處理系統(tǒng)原煙氣設(shè)計(jì)參數(shù)

焦?fàn)t煙氣經(jīng)脫硫脫硝除塵設(shè)施處理后,其二氧化硫、氮氧化物及煙塵的排放濃度需滿足表2的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表2 煙氣污染物排放濃度設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 工藝路線選擇

焦?fàn)t煙氣的脫硫脫硝組合工藝主要分為脫硝前置、脫硝后置兩大類。本項(xiàng)目原煙氣溫度為180～192 ℃,處于低溫脫硝催化劑下限,很難保證脫硝效率;且本項(xiàng)目焦?fàn)t煙氣SO2含量較高,在此溫度區(qū)間時,易和氨氣反應(yīng)生成硫酸氫銨,生成的銨鹽和原煙氣中的焦油會吸附占位在催化劑表層,不僅會增加催化劑阻力,還會導(dǎo)致其活性喪失,因此本項(xiàng)目焦?fàn)t煙氣處理裝置采用先脫硫后脫硝的技術(shù)路線。

2.1 脫硫工藝選擇

焦?fàn)t煙氣中SO2來源包括焦?fàn)t加熱用煤氣中的H2S、有機(jī)硫燃燒生成的SO2以及炭化室荒煤氣串漏進(jìn)入燃燒室燃燒生成的SO2[1]。

焦化行業(yè)常見的幾種煙氣脫硫技術(shù)有濕法脫硫、半干法脫硫、干法脫硫。

濕法脫硫具有脫硫效率高的優(yōu)勢,但系統(tǒng)復(fù)雜,排煙溫度較低,外排煙氣中含有大量水蒸氣,另外有外排廢水問題[2],適用于高含硫煙氣(≥3 000 mg/Nm3)的脫硫處理。本項(xiàng)目采用先脫硫后脫硝的技術(shù)路線,濕法脫硫后煙氣溫度較低,升溫至脫硝適宜溫度所需耗能較高,且本項(xiàng)目不允許外排廢水,因此濕法脫硫技術(shù)不適合本項(xiàng)目。

干法脫硫技術(shù)中,碳酸氫鈉干法脫硫技術(shù)(SDS)適用于SO2≤800 mg/Nm3的情況,且部分項(xiàng)目將鈉基SDS副產(chǎn)物定義為危廢,需進(jìn)行二次處理;固定床脫硫技術(shù)適用于低硫工況,且占地面積較大;活性焦一體化脫硫脫硝技術(shù)抗波動能力差,運(yùn)行不穩(wěn)定,投資和運(yùn)行成本均較高,對溫度控制要求高,煙氣溫度高時易著火[3]。因此干法脫硫亦不適合本項(xiàng)目。

半干法脫硫技術(shù)中,旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法(SDA)半干法脫硫受溫度、煙氣量影響波動較大,且國內(nèi)霧化器技術(shù)不夠成熟,仍主要依賴進(jìn)口的旋轉(zhuǎn)霧化器,運(yùn)行成本較高;循環(huán)流化床脫硫(CFB)技術(shù)是焦化行業(yè)脫硫脫硝聯(lián)合工藝中應(yīng)用較多的技術(shù),適應(yīng)煙氣量較小、SO2含量3 000 mg/Nm3以下的場景,無廢水產(chǎn)生,脫硫后煙氣無白煙產(chǎn)生,排煙溫度一般高于75 ℃,煙囪無需防腐,該技術(shù)具有占地小、設(shè)備少、維護(hù)簡單,運(yùn)行費(fèi)用低,鈣硫比較低,脫硫效率較高的特點(diǎn)。因此綜合考慮,本項(xiàng)目選用CFB半干法脫硫技術(shù)。

2.2 脫硝工藝選擇

脫硝的主要技術(shù)有選擇性非催化還原(SNCR)、選擇性催化還原(SCR)、活性焦法、氧化法、低氮燃燒技術(shù)等[4]。

SNCR脫硝效率較低,且需要合適的高溫溫度窗口(800～1 150 ℃),不適合本項(xiàng)目[5];氧化法及活性焦脫硝效率均較低,無法滿足本項(xiàng)目88%的脫硝效率要求。SCR技術(shù)具有脫硝效率高、氨水消耗少、脫硝性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),是目前世界上應(yīng)用最多的脫硝技術(shù)之一,因此綜合考慮本項(xiàng)目選用SCR脫硝技術(shù)。

SCR脫硝技術(shù)需配置催化劑,目前常用的催化劑為中高溫催化劑,反應(yīng)溫度為280～420 ℃。隨著技術(shù)的進(jìn)步,低溫催化劑逐步投入應(yīng)用。低溫催化劑可在180～280 ℃起到催化作用,但在180～230 ℃條件下氨氣與SO3反應(yīng)生成黏性物質(zhì)硫酸氫氨,易黏附在催化劑表面,堵塞催化劑孔道,嚴(yán)重影響催化劑脫硝效率。另外低溫催化劑仍然需要采用煙氣加熱系統(tǒng)定期對脫硝催化劑熱解吸。綜合對比,中高溫催化劑能更有效地保證催化劑的活性,另外配套GGH、熱風(fēng)爐,煙氣經(jīng)循環(huán)利用熱量后,僅需升溫30 ℃左右即能滿足中高溫催化劑的溫度區(qū)間。因此本項(xiàng)目選擇中高溫SCR脫硝工藝,同時可考慮在適當(dāng)時機(jī)替換為低溫催化劑,以減少系統(tǒng)能源消耗。

3 技術(shù)原理

3.1 CFB半干法脫硫除塵技術(shù)

CFB半干法以循環(huán)流化床為原理,通過噴霧干燥方法,使脫硫劑進(jìn)入吸收塔后與煙氣中的SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),不斷形成固態(tài)聚團(tuán)物向下沉淀,同時煙氣自身所攜帶的熱量使形成的聚團(tuán)物不斷干燥,最后形成固態(tài)粉末。反應(yīng)后的氣固混合煙氣經(jīng)脫硫塔頂部出口側(cè)向排出后進(jìn)入除塵器進(jìn)行除塵處理,最后凈化后的煙氣通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)入煙囪排放,除塵器捕捉下來的固態(tài)顆粒,通過再循環(huán)系統(tǒng)重新返回到脫硫塔內(nèi)繼續(xù)參加化學(xué)反應(yīng),從而進(jìn)入反復(fù)循環(huán)流程。

CFB半干法脫硫工藝路線如圖1所示。

圖1 CFB半干法脫硫工藝路線示意圖

從焦?fàn)t出來的煙氣從底部進(jìn)入循環(huán)流化床反應(yīng)塔,通過反應(yīng)塔底部的文丘里管加速后進(jìn)入流化床床體。氣固兩相由于氣流的作用,產(chǎn)生激烈的湍動與混合,充分接觸,在上升的過程中,不斷形成聚團(tuán)物向下返回,而聚團(tuán)物在激烈湍動中又不斷解體重新被氣流提升,氣固兩相間的滑移速度高達(dá)單顆?；扑俣鹊臄?shù)十倍。這樣的兩相流機(jī)制極大地強(qiáng)化了氣固兩相間的傳質(zhì)與傳熱,為實(shí)現(xiàn)高脫硫率提供了保證。在文丘里的出口擴(kuò)管段設(shè)噴水霧化裝置,噴入霧化水使煙氣溫度降至高于煙氣露點(diǎn)20 ℃左右,從而使SO2與Ca(OH)2的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可以瞬間完成的離子型反應(yīng)。吸收劑、循環(huán)脫硫灰在文丘里段以上的塔內(nèi)進(jìn)行充分反應(yīng),生成副產(chǎn)物CaSO3·1/2H2O;此外,Ca(OH)2還與SO3、HF和HCl反應(yīng)生成相應(yīng)的副產(chǎn)物CaSO4·1/2H2O、CaF2、CaCl2·Ca(OH)2·2H2O等。

煙氣在上升過程中,顆粒一部分隨煙氣被帶出反應(yīng)塔,一部分因自重重新回流到循環(huán)流化床內(nèi),進(jìn)一步增加了流化床的床層顆粒濃度和延長吸收劑的反應(yīng)時間,從而有效地保證了脫硫效率。

CFB半干法脫硫系統(tǒng)由煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、布袋除塵器系統(tǒng)、生石灰存儲及輸送系統(tǒng)、消石灰制備系統(tǒng)、吸收劑存儲供應(yīng)系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、物料循環(huán)系統(tǒng)、終產(chǎn)物灰輸送系統(tǒng)、灰?guī)煜到y(tǒng)、流化風(fēng)系統(tǒng)、灰斗伴熱系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等組成。

3.2 補(bǔ)燃SCR脫硝技術(shù)

SCR脫硝是利用催化劑在適宜的溫度區(qū)間使用NH3將NOx還原為N2的技術(shù)。

SCR適宜的溫度區(qū)間通常高于脫硫除塵出口煙氣溫度,而補(bǔ)燃SCR脫硝則是將低溫?zé)煔庋a(bǔ)燃加熱后,送入SCR反應(yīng)器內(nèi)完成脫硝。為節(jié)省能源消耗,可采用氣氣換熱器將SCR反應(yīng)后煙氣熱量轉(zhuǎn)移到入口煙氣中。

本項(xiàng)目采用GGH+熱風(fēng)爐的形式,補(bǔ)燃SCR脫硝工藝路線如圖2所示。

圖2 補(bǔ)燃SCR脫硝工藝路線示意圖

脫硫除塵后溫度約80 ℃的煙氣進(jìn)入換熱器(GGH),GGH通過換熱元件的轉(zhuǎn)動,將脫硝反應(yīng)后高溫?zé)煔獾臒崃哭D(zhuǎn)移給進(jìn)入脫硝系統(tǒng)的低溫?zé)煔?從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。GGH出口煙氣(溫度245～250 ℃)經(jīng)煙氣加熱系統(tǒng)補(bǔ)熱至280 ℃后進(jìn)行脫硝。脫硝后的高溫凈煙氣流經(jīng)GGH轉(zhuǎn)子時,將熱量釋放給換熱元件,煙氣溫度降低;當(dāng)換熱元件旋轉(zhuǎn)到原煙氣側(cè)時,又將熱量釋放給原煙氣使其溫度升高。如此周而復(fù)始地循環(huán),凈煙氣與原煙氣實(shí)現(xiàn)熱交換。

補(bǔ)燃脫硝系統(tǒng)由煙氣系統(tǒng)、GGH、熱風(fēng)爐、氨儲存及噴射系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器、吹灰及控制系統(tǒng)等組成。

4 煙氣處理系統(tǒng)組成

本項(xiàng)目焦?fàn)t煙氣采用CFB半干法脫硫+布袋除塵+GGH+補(bǔ)燃SCR脫硝組合工藝處理,工藝路線如圖3所示。主要設(shè)備清單見表3。

圖3 本項(xiàng)目焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝工藝路線

表3 主要設(shè)備清單

焦?fàn)t煙氣經(jīng)過余熱鍋爐降溫后進(jìn)入CFB脫硫,然后進(jìn)入布袋除塵器除塵,布袋除塵器下部循環(huán)灰返回脫硫塔循環(huán),多次循環(huán)后脫硫副產(chǎn)物經(jīng)除塵器下部排出。CFB脫硫除塵后溫度約80 ℃的煙氣進(jìn)入GGH,加熱至250 ℃左右,再經(jīng)煙氣補(bǔ)燃系統(tǒng)加熱至280 ℃左右,之后通過噴氨格柵與噴入的氨氣混合均勻后進(jìn)入中高溫脫硝反應(yīng)器,對煙氣中的氮氧化物進(jìn)行脫除。脫硝后的煙氣經(jīng)過GGH降溫至約115 ℃,由引風(fēng)機(jī)排入煙囪。為保證低負(fù)荷時吸收塔仍能正常穩(wěn)定地運(yùn)行,在引風(fēng)機(jī)出口煙道設(shè)置凈煙氣回流管至吸收塔進(jìn)口煙道上,利用進(jìn)口煙道的負(fù)壓引入一定量的凈煙氣至吸收塔,維持塔內(nèi)的正常流化。

5 運(yùn)行效果

本焦化廠煙氣綜合治理工程自2021年12月28日投入運(yùn)行,已順利通過了環(huán)保驗(yàn)收,目前整體效果平穩(wěn)。表4為2022年3—8月煙氣凈化裝置進(jìn)出口污染物成分?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)表4可知,經(jīng)過脫硫除塵脫硝后,裝置出口凈煙氣SO2濃度低于35 mg/Nm3,NOx濃度低于30 mg/Nm3,粉塵排放低于5 mg/Nm3,各項(xiàng)參數(shù)均已達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),優(yōu)于最新的當(dāng)?shù)亟範(fàn)t排放標(biāo)準(zhǔn)要求,實(shí)現(xiàn)了SO2、NOx和粉塵的超凈排放。

表4 煙氣凈化裝置進(jìn)出口污染物含量 mg/Nm3

6 結(jié)束語

本文結(jié)合某焦化廠煙氣特點(diǎn),對現(xiàn)有脫硫脫硝技術(shù)進(jìn)行分析,選擇CFB半干法脫硫+布袋除塵+GGH(原煙氣段)+熱風(fēng)爐升溫+中高溫SCR脫硝+GGH(凈煙氣段)+引風(fēng)機(jī)的組合工藝路線。項(xiàng)目自2021年投運(yùn)以來,煙氣中污染物排放濃度均低于《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB 16171—2012)以及《煉焦化學(xué)工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 13/2863—2018)中排放限值的要求。

此組合工藝具有工藝先進(jìn)、成熟可靠、一次性投資少、運(yùn)行成本低、不產(chǎn)生廢水等諸多優(yōu)點(diǎn),為高硫焦?fàn)t煙氣滿足更高環(huán)保政策要求及深度煙氣凈化提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn),具有良好的推廣價值。