劉龍海,楊百順,麥吉昌,饒梁洪,向成功,宋 俊

(1.四川德勝集團(tuán)釩鈦有限公司,四川 樂(lè)山 614900)

鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展,一方面促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng),另一方面也造成生態(tài)環(huán)境污染、產(chǎn)能過(guò)剩等問(wèn)題。2018年政府工作報(bào)告提出“推動(dòng)鋼鐵等行業(yè)超低排放改造”任務(wù)要求,打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn),共創(chuàng)綠水青山。生態(tài)環(huán)境部起草了《鋼鐵企業(yè)超低排放改造工作方案(征求意見(jiàn)稿)》,明確“燒結(jié)機(jī)頭煙氣、球團(tuán)焙燒煙氣在基準(zhǔn)含氧量16%條件下,顆粒物、二氧化硫、氮氧化物小時(shí)均值排放濃度分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。實(shí)施鋼鐵企業(yè)超低排放改造,對(duì)推動(dòng)鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、改善大氣環(huán)境質(zhì)量、化解鋼鐵行業(yè)過(guò)剩產(chǎn)能具有重要意義。

1 超低排改造技術(shù)路線論證及選擇

1.1 主流技術(shù)路線分析

針對(duì)德勝260 m2燒結(jié)煙氣中污染因子的特征:SO2濃度在5000 mg/Nm3、CO含量高、濕度大等,本項(xiàng)目若采用前置中高溫SCR脫硝,則煙氣中的SO2易氧化成SO3,使SO3與NH3反應(yīng)生產(chǎn)ABS(硫酸氫氨),其在低溫下以溶膠物質(zhì)形式在物體表面聚集或以液滴形式分散于煙氣中。當(dāng)催化劑運(yùn)行溫度低于ABS的凝聚溫度(230 ℃)時(shí),由于催化劑的微觀毛細(xì)管作用,易造成ABS沉積在催化劑的空隙里,造成催化劑活性下降。此外,還有以下缺點(diǎn):

(1)在采用中高溫SCR脫硝技術(shù)設(shè)計(jì)溫度需達(dá)到320 ℃以上,最佳運(yùn)行溫度范圍為:330～380 ℃,輔助加熱系統(tǒng)能耗較高。

(2)在300 ℃以上溫度二噁英分解受到抑制,不能被脫除。

(3)因中高溫SCR脫硝裝置用GGH氣氣換熱器進(jìn)行熱回收,在SCR脫硝裝置出口煙氣溫度經(jīng)換熱器后仍然有200 ℃左右,還需要降溫才能達(dá)到脫硫所需要的溫度。把脫硝放在脫硫前,還需要在脫硫裝置前、后加裝煙氣換熱裝置,設(shè)備占地面積大、投產(chǎn)成本高、故障點(diǎn)增加維修量增大、系統(tǒng)壓損增加、運(yùn)行費(fèi)用增加。

(4)由于燒結(jié)運(yùn)行工況變化大(包括煙氣量、煙氣溫度、污染物初始濃度等),SCR反應(yīng)器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行控制難度大。

(5)燒結(jié)煙氣粉塵含有較大量的堿性物、三氧化二鐵等,粉塵較粗且粘性較強(qiáng),容易造成催化劑堵塞。因此,本項(xiàng)目采用后置(相對(duì)脫硫)中高溫SCR脫硝工藝,脫硝溫度區(qū)間選擇280～300 ℃,避免二噁英被分解后再次合成。

1.2 技術(shù)工藝路線確定

1.2.1 除塵和脫硫

從2014年以來(lái)國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠要求進(jìn)行超標(biāo)放以來(lái),已運(yùn)行超排放案例99%以上均采用鈣基濕法脫硫工藝,其中98%均采用成熟可靠的石灰石/石膏濕法技術(shù)。本項(xiàng)目原煙氣SO2含量高、脫硫劑來(lái)源(周邊的造紙廠白泥)可靠,采用鈣基濕法技術(shù),脫硫劑可采用石灰石塊、粉狀生石灰、白泥。

1.2.2 脫硝和脫二噁英

SCR脫硝技術(shù)在火電廠運(yùn)用案例多,且成熟可靠;中溫催化劑已大量運(yùn)用于焦化煙氣脫硝;在燒結(jié)煙氣脫硝方面,行業(yè)內(nèi)已經(jīng)成熟應(yīng)用。采用成熟的SCR脫硝技術(shù),脫硫后的凈煙氣(55 ℃左右)由換熱器(GGFH)與加熱裝置加熱到280～300 ℃左右,再與尿素?zé)峤猱a(chǎn)生的氨氣充分混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器,脫硝后的熱煙氣經(jīng)換熱器冷卻至100 ℃以上后排入煙囪。

綜上所述,為確保本項(xiàng)目污染物治理目標(biāo)(粉塵、SO2、NOX)的實(shí)現(xiàn),同時(shí)遵循投資最省、占地最小、運(yùn)行最節(jié)約最可靠、改造停機(jī)時(shí)間最短的原則,采用石灰石-石膏濕法脫硫+濕式電除塵器+消白+GGH升溫+加熱爐補(bǔ)燃+SCR脫硝+GGH降溫協(xié)同處置工藝路線。

2 超低排改造實(shí)踐

綜合投資、運(yùn)行穩(wěn)定性、出口排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等考慮,本次四川德勝集團(tuán)燒結(jié)廠260 m2燒結(jié)煙氣脫硫超低排放改造在原有靜電除塵器基礎(chǔ)上拆除原有石灰-石膏濕法脫硫系統(tǒng)并升級(jí)新建石灰石(白泥)-石膏濕法脫硫系統(tǒng),同時(shí)增加濕式電除塵器系統(tǒng)、SCR脫硝系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 260m2燒結(jié)煙氣超低排放綜合治理升級(jí)改造項(xiàng)目工藝流程圖

2.1 脫硫穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放保證措施

2.1.1 吸收塔設(shè)計(jì)保證措施

吸收塔采用噴淋空塔,吸收塔漿液池與塔體為一體結(jié)構(gòu)。主要構(gòu)件包括吸收塔殼體、吸收塔攪拌器、噴淋管、氣液均布裝置、增效環(huán)、噴淋層及噴嘴、一體化除塵除霧器。煙氣進(jìn)口操作溫度為120～165 ℃(可以瞬間承受溫度170 ℃),吸收塔設(shè)計(jì)溫度為進(jìn)口160 ℃、出口55 ℃,塔體的殼體材質(zhì)選用碳鋼內(nèi)襯玻璃鱗片。

2.1.2 一體化除塵除霧器的可行性、先進(jìn)性設(shè)計(jì)

目前由于排放指標(biāo)的提高,要達(dá)到超低排放的要求,需要整個(gè)系統(tǒng)協(xié)同來(lái)完成。雖然采用了氣液均布裝置、增效環(huán)、高效的噴淋層及噴嘴等綜合措施來(lái)提高除塵效率,但仍然達(dá)不到粉塵低于10 mg/Nm3排放要求?？偟膩?lái)說(shuō),吸收塔流場(chǎng)的均布度至關(guān)重要,不管是噴淋層下部加氣液均布裝置,噴淋層中間塔壁上加增效環(huán),或者抬高塔的高度,都能使吸收塔的流場(chǎng)更加均布。為達(dá)到除霧器出口煙氣中液滴含量低于排放要求,在入口粉塵含量小于80 mg/Nm3條件下,保證總排放口粉塵含量不大于10 mg/Nm3(標(biāo)態(tài),干基,16%O2)的指標(biāo),結(jié)合CFD模擬結(jié)果和同類案例的運(yùn)行情況,在吸收塔的噴淋層上部布置一體化除塵除霧裝置,布置于吸收塔頂部最后一層噴淋層的上部。煙氣穿過(guò)噴淋層后,再連續(xù)流經(jīng)一體化除塵除霧器除去所含漿液霧滴和塵。在一體化除塵除霧器區(qū)域布置沖洗噴嘴,通過(guò)沖洗除塵器元件,帶走除塵除霧區(qū)域附著的塵粒。煙氣通過(guò)一體化除塵除霧器后,煙氣粉塵含量低于35 mg/Nm3。一體化除塵除霧器沖洗系統(tǒng)間斷運(yùn)行,采用自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式,保證一體化除塵除霧器無(wú)結(jié)垢。

2.1.3 吸收塔內(nèi)防腐的可行性、先進(jìn)性設(shè)計(jì)

吸收塔殼體材料采用碳鋼(材質(zhì)為Q235B),脫硫漿液呈酸性,脫硫漿液中含有Ca2+、SO42-、SO32-、Cl-、F-等物質(zhì),漿液PH值呈酸性(5～6),對(duì)吸收塔防腐要求高,吸收塔內(nèi)部構(gòu)件及塔壁防腐采用玻璃鱗片。

2.2 濕電穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放保證措施

本項(xiàng)目濕式電除塵器布置在吸收塔頂部,本體采用下進(jìn)上出型式,脫硫后濕煙氣從吸收塔出口均流后,在下氣室內(nèi)煙氣被氣流分布裝置均流后進(jìn)入濕式電除塵器本體內(nèi)除塵,除塵后的煙氣從頂部排出進(jìn)入后續(xù)工藝段。氣流分布的均勻程度直接關(guān)系到除塵效率,特別是在高粉塵濃度、高比電阻及高除塵效率的要求下,氣流分布的均勻性程度尤為重要。為了使流入電場(chǎng)的含塵氣體均勻經(jīng)過(guò)電場(chǎng),在電場(chǎng)入口前裝有進(jìn)口氣流分布板。本項(xiàng)目濕式電除塵器布置在吸收塔上部(脫硫后的濕煙氣經(jīng)過(guò)高效除霧器后直接進(jìn)入濕式電除塵器裝置段,吸收塔和濕式電除塵器的直徑分別為12.5 m和18.0 m);本項(xiàng)目濕式電除塵器首先是根據(jù)系統(tǒng)布置建立CFD流場(chǎng),通過(guò)模擬選擇不同氣流分布裝置的布置模擬確認(rèn)最佳氣流分布裝置的布置方式、進(jìn)出口煙道的角度,同時(shí)采用分布裝置采用分布板與氣流分格柵的組合模式確保進(jìn)、出濕式電除塵器的氣流在整個(gè)截面積上均勻。氣流分布板、分格柵均采用的是耐腐蝕的高強(qiáng)度玻璃鋼,保證能使用30年。

2.3 脫硝穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放保證措施

本項(xiàng)目從催化劑選型、吹灰方式、GGH氣氣換熱器的選型、加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

2.3.1 氣氣換熱器(GGH)

采用高通透性傳熱元件,封閉流道、吹灰疏通良好。同時(shí)為防止硫酸氫氨沉積在傳熱元件上,在設(shè)計(jì)時(shí)換熱元件總層數(shù)不超過(guò)兩級(jí)組件模式,更有利于吹灰和沖洗。另外GGH換熱器配置在壓縮空氣(0.8 MPa以上)吹灰、高壓水沖洗系統(tǒng),吹灰方式采用定時(shí)吹掃,每8小時(shí)吹1時(shí);設(shè)置在線或定期清洗確保在仍和情況下系統(tǒng)不堵塞。

2.3.2 催化劑

本項(xiàng)目煙氣粉塵含量低于10 mg/Nm3,結(jié)合其他類似項(xiàng)目案例及實(shí)際投運(yùn)情況決定選用20孔蜂窩式催化劑,催化劑單元尺寸為150 mm×150 mm×975 mm,模塊外形尺寸為1900 mm×960 mm×1165 mm,單層催化劑模塊數(shù)為88塊,本項(xiàng)目所需脫硝催化劑共278 m3(SCR反應(yīng)器布置三層,初裝催化劑兩層,備用一層)。本項(xiàng)目選用的20孔蜂窩式催化劑具有通流面積大、壓降小、耐堵塞等優(yōu)點(diǎn)。此催化劑中加有稀有金屬氧化物,可以耐煙氣中的砷(As)中毒。由于蜂窩式催化劑具有的特殊結(jié)構(gòu),在高灰煙氣條件表現(xiàn)出耐堵塞、耐磨損、抗中毒、低SO2/SO3轉(zhuǎn)化率等優(yōu)點(diǎn),是一種特別適合燒結(jié)煙氣脫硝的催化劑類型。

2.3.3 吹灰系統(tǒng)

本工程催化劑表面結(jié)灰主要是細(xì)灰塵搭橋引起,采用聲波吹灰器很難將其清除,故采用耙式吹灰器(每層布置12臺(tái)耙式吹灰器,采用對(duì)側(cè)布置,可避免吹灰死區(qū))進(jìn)行吹灰,耙式吹灰器具有清灰能力強(qiáng)的特點(diǎn),每隔一小時(shí)進(jìn)行一次吹灰,可徹底的清除催化劑表面的積灰,從而保證脫硝系統(tǒng)的連續(xù)正常運(yùn)行。本項(xiàng)目新建壓縮空氣站為耙式吹灰器提供氣源。SCR區(qū)控制和吹灰控制納入本次DCS進(jìn)行控制。

3 超低排技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)與應(yīng)用

3.1 釩鈦燒結(jié)高硫煙氣的高效率脫除

四川德勝集團(tuán)燒結(jié)廠260 m2燒結(jié)煙氣使用攀西地區(qū)的高硫釩鈦精礦粉,燒結(jié)生產(chǎn)進(jìn)口SO2常態(tài)保持>3000 mg/m3,對(duì)比濕法、干法、半干法的優(yōu)缺點(diǎn)最終選擇石灰石(白泥)-石膏濕法作為超低排放的脫硫工藝。配套建設(shè)脫硫劑系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)。石膏脫水系統(tǒng)采用帶式真空壓濾,通過(guò)調(diào)整PH、漿液密度等工藝控制及定期更換濾布、旋流子確保脫硫石膏水分<14%。脫硫廢水處理系統(tǒng)采用三聯(lián)箱工藝;脫水后的石膏和濾餅運(yùn)至水泥廠綜合利用。

3.2 高效濕式電除塵器與脫硫一體化協(xié)同

四川德勝集團(tuán)燒結(jié)廠260 m2燒結(jié)超低排放升級(jí)改造選用濕式電除塵器做為除塵工藝,采用立式管式布置,濕電裝置布置于吸收塔頂部,濕電陽(yáng)極管采用蜂窩式導(dǎo)電玻璃鋼。自2020年投運(yùn)至今出口粉塵排放達(dá)標(biāo)率100%(<10 mg/m3)。

3.3 高效率、低能耗SCR脫硝工藝技術(shù)應(yīng)用

四川德勝集團(tuán)燒結(jié)廠260 m2燒結(jié)超低排放升級(jí)改造脫硝系統(tǒng)采用SCR選擇性催化還原工藝(280～300 ℃),采用尿素?zé)峤庵瓢?選用蜂窩式催化劑,催化劑按2+1方式布置;反應(yīng)器系統(tǒng)配套回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器、熱風(fēng)爐、熱解爐等裝置。運(yùn)行期間經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試改進(jìn),目前在脫硝系統(tǒng)熱風(fēng)爐日常維護(hù)采用外部耐材填充、噴氨格柵增加一套壓縮空氣在線清灰裝置,大大減少檢修時(shí)間及周期需求。

4 結(jié)論

本次改造在原有靜電除塵器、石灰-石膏濕法脫硫系統(tǒng)基礎(chǔ)上新建石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)并增加濕式電除塵器系統(tǒng)、SCR脫硝系統(tǒng)。自2020年10月完成改造后投運(yùn)至今煙氣綜合治理系統(tǒng)及配套在線裝置運(yùn)行良好,主要污染物二氧化硫、氮氧化物、粉塵已全面達(dá)到國(guó)家冶金行業(yè)煙氣“35-50-10”的超低排放標(biāo)準(zhǔn),同步率在99.5%以上,出口排放二氧化硫濃度在10 mg/m3左右,氮氧化物在30 mg/m3左右,粉塵在5 mg/m3左右。改造前后對(duì)比如表1所示。

表1 260 m2燒結(jié)燒結(jié)超低排放改造前后對(duì)比

(1)采用石灰石-石膏濕法脫硫+濕式電除塵器+消白+GGH升溫+加熱爐補(bǔ)燃+SCR脫硝+GGH降溫協(xié)同處置技術(shù)。該技術(shù)具有如下特點(diǎn):A、濕法脫硫效率99.5%以上,采用白泥作為主要脫硫劑,脫硫效率高、運(yùn)行成本低;B、濕電除塵效率75%以上,技術(shù)成熟、穩(wěn)定;C、煙氣消白結(jié)合中高溫SCR脫硝有效控制排煙濕度和溫度,達(dá)到消白效果。D、SCR脫硝技術(shù)成熟、穩(wěn)定,脫硝效率80%以上。

(2)白泥作為造紙廠固廢,處理難度大,對(duì)環(huán)境污染重。本次超低排放改造首選白泥作為脫硫劑進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè),運(yùn)行至今出口SO2均穩(wěn)定達(dá)標(biāo),每年為造紙廠處理固廢白泥4.5萬(wàn)噸,白泥作為石灰石、石灰粉的替代物,運(yùn)行至今完全滿足脫硫需求,極大的降低運(yùn)行成本,并形成固廢資源化協(xié)同循環(huán)利用,對(duì)行業(yè)及區(qū)域環(huán)境具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。