燒結(jié)煙氣脫硫脫硝技術(shù)綜述

燒結(jié)煙氣脫硫脫硝技術(shù)綜述

1燒結(jié)廠煙氣除塵聯(lián)合鋼和富氏公司的特點是物流量大、能耗高、污染嚴重。固體殘渣、香煙、噪聲等環(huán)境變化引起了社會的廣泛關(guān)注。多年來,我國燒結(jié)廠在煙氣除塵方面做了大量的工作,成果顯著。但是對于煙氣中的有害組分,如SO2、NOx、二英等的脫除有些尚處于起步階段,而有的至今沒有采取任何措施而直接排放。分析結(jié)果顯示,在鋼鐵冶煉過程中約有48%的NOx,及51%～62%的SOx來自鐵礦燒結(jié)工藝,可見燒結(jié)廠已是SO2和NOx的最大產(chǎn)生源。隨著鋼鐵企業(yè)的快速發(fā)展,燒結(jié)礦產(chǎn)量大幅度增加,SO2和NOx排放量隨之增大,燒結(jié)廠環(huán)境保護的壓力也隨之增加。2燒結(jié)煙氣主要體現(xiàn)在固體燃料中,與其他工業(yè)爐窯等3個月和5.燒結(jié)過程是一個高溫燃燒條件下的復(fù)雜物理化學過程,被抽入料層的空氣與混合料中的燃料發(fā)生燃燒反應(yīng),燃燒釋放的熱量保證燒結(jié)物理化學過程的進行,燃燒的煙氣作為廢氣排放。鐵礦石中通常會含有以化合物和含氧酸式鹽存在的硫和氮,以硫化物形式存在的礦物有:FeS2、CuFeS2、CuS、ZnS、PbS等,以硫酸鹽形式存在的有BaSO4、CaSO4和MgSO4等;而固體燃料(如焦粉)帶入的硫則以單質(zhì)硫或者有機硫的形式存在。氮主要以硝酸鹽和有機氮的形式存在,硝酸鹽主要來自于鐵礦粉,而有機氮則主要來自于固體燃料。在燒結(jié)過程中以單質(zhì)或化合物形式存在的硫和氮通常在氧化反應(yīng)中以氣態(tài)氧化物的形式釋放,而以酸式鹽形式存在的硫和氮則在分解反應(yīng)中以氣態(tài)氧化物的形式釋放。燒結(jié)煙氣相比于其他工業(yè)爐窯產(chǎn)生的煙氣有如下特點:1)煙氣量大。每生產(chǎn)1t燒結(jié)礦大約產(chǎn)生1500～3000m3需要脫硫脫硝的煙氣。2)煙氣溫度較高。隨工藝操作狀況波動,煙氣溫度一般在120～150℃范圍變化。3)煙氣攜帶粉塵多。煙氣中粗顆粒粉塵較多,粒徑大于50μm的占30%以上,且琢磨性強。4)含濕量大,露點較高。按體積比計算,含濕量在10%左右,露點一般在65～80℃。5)煙氣中含有腐蝕性和有毒氣體。如HF,HCl,CO氣體等等。6)SO2和NOx濃度隨鐵礦原料和燃料的差異變化,SO2濃度一般在300～800ppm范圍內(nèi),高的可以達到2000～4000ppm;NOx濃度一般在150～300ppm范圍內(nèi)變化,最高可以達到500ppm左右。3燒結(jié)煙氣脫硫脫硝對鐵礦石燒結(jié)過程中SO2和NOx排放的控制主要有三種方法:原料控制,燒結(jié)過程控制和燒結(jié)煙氣脫硫脫硝。其中,原料控制是基礎(chǔ)條件,燒結(jié)過程控制是有效手段,燒結(jié)煙氣脫硫脫硝是最終保障。由于燒結(jié)原料往往受到客觀因素的限制,不可能完全實現(xiàn)選用低硫原料,而燒結(jié)過程又要以保證燒結(jié)礦質(zhì)量為第一目標,所以煙氣聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)被認為是控制SO2及NOx污染最實際可行的手段。目前,煙氣聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)主要有活性炭法、循環(huán)流化床聯(lián)合脫硫脫硝法、半干噴霧脫硫脫硝法、高能輻射—化學脫硫脫硝法、奧鋼聯(lián)的MEROS煙氣凈化技術(shù)等。3.1脫硫脫氮與so2的反應(yīng)該方法由德國Bergbau-Forschung公司開發(fā),主要原理為在一個活性炭吸附器中,用活性炭吸附SO2,并在氨還原NOx過程中起催化作用,實現(xiàn)同時脫硫脫氮,消耗的吸附劑可在高溫下再生。德國和日本一些公司已將該技術(shù)投入到工業(yè)應(yīng)用中。據(jù)報道,脫硫率可達98%,脫氮率達80%,并且能除去廢氣中的HCl、HF、砷、硒、汞等有害物質(zhì)。但因SO2的脫除反應(yīng)優(yōu)先于NOx的脫除反應(yīng),所以大多數(shù)工藝須采取二級吸收塔。如果煙氣中SO2濃度較高,則活性炭消耗大,投資將增加。為降低成本,日本電力能源公司(EPDC)利用空氣流化床燃燒鍋爐的SO2排放量低的特點,于1995年在350MW的AFBC鍋爐中安裝了單一移動床活性炭脫硫脫氮設(shè)備,用于SO2和NOx的脫除,脫除率分別可達98%和80%。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)活性炭綜合強度低,用于移動床,因吸附、再生往返使用損耗大,于是EkehardRichter等用強度較高的活性焦炭,經(jīng)活化、浸漬Na2CO3處理后用于煙氣的脫硫脫氮,SO2與Na2CO3反應(yīng)生成Na2SO4,從而降低了吸附劑的消耗,進而降低了投資成本。新日鐵于1987年在名古屋第三燒結(jié)廠的3號燒結(jié)機中設(shè)置了利用活性炭的燒結(jié)排煙脫硫、脫硝設(shè)備,處理能力90萬Nm3/h,這是一種干法排煙脫硫脫硝裝置,將燒結(jié)機排煙的除塵、脫硫、脫硝三種功能集于一身,使燒結(jié)排煙脫硫技術(shù)提高到新的階段。3.2煙氣循環(huán)流化床cfb脫硫脫氮-雙環(huán)已發(fā)酵劑-n循環(huán)流化床傳熱效率高,溫度分布均勻,氣固相有很大的接觸面積,因此人們將其應(yīng)用到煙氣的凈化處理中。在循環(huán)流化床內(nèi)循環(huán)流化狀態(tài)(氣速4～6m/s)下可獲得相當于單顆?；渌俣葦?shù)十至上百倍的氣固滑落速度。由于SO2與氫氧化鈣的顆粒在循環(huán)流化床中的反應(yīng)過程,是一個外擴散控制的化學反應(yīng)過程,通過氣固間大的滑落速度,強化了氣固間的傳質(zhì)、傳熱速率和氣固混合,從而滿足了二氧化硫與氫氧化鈣高效反應(yīng)的條件要求。流化床中巨大表面積的、激烈湍動的顆粒,為水的快速汽化和快速可控的降溫提供了根本保證,從而創(chuàng)造了良好的化學反應(yīng)溫度條件(露點以上20～30℃),使酸性氧化物與氫氧化鈣的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為瞬間完成的離子型反應(yīng)。德國Lurgi公司研究開發(fā)了煙氣循環(huán)流化床(CFB)脫硫脫氮技術(shù),該方法用消石灰作為脫硫的吸收劑,氨作為脫氮的還原劑,FeSO4·7H2O作為脫氮的催化劑,該系統(tǒng)已在德國投入運行。結(jié)果表明,在Ca/S比為1.2～1.5、NH3/NOx比為0.7～1.03時,脫硫率為85%左右,脫氮率為60%左右。國內(nèi)有一些學者也研究開發(fā)粉煤灰脫硫脫氮技術(shù),該技術(shù)是將熟石灰、活性物質(zhì)和粉煤灰加水在一定條件下消化,制成高活性吸收劑,放入具有獨特內(nèi)、外循環(huán)結(jié)構(gòu)的煙氣循環(huán)流化床中進行脫硫脫氮。實驗證明,該方法可獲得90%左右的脫硫率和63%左右的脫氮率,運行溫度和煙氣濕度是影響脫硫脫氮的主要因素。該方法運行可靠,工藝簡單,投資成本和運行費用低。3.3干法石灰噴霧脫硫脫氮噴霧干燥煙氣脫硫技術(shù)是一種比較成熟的脫硫技術(shù),該煙氣脫硫系統(tǒng)一般由石灰漿制備、噴霧干燥塔和布袋除塵器(或靜電除塵器)三部分組成。該系統(tǒng)通過高速旋轉(zhuǎn)噴霧頭將石灰漿噴入噴霧干燥塔,與煙氣中酸性物充分接觸并起中和反應(yīng),利用煙氣中的余熱使石灰漿液中的水分蒸發(fā),脫硫后的煙氣經(jīng)除塵器除塵后排放,但是其脫氮效果有限。但美國匹茲堡能源技術(shù)中心研究表明,提高噴霧干燥溫度,并在石灰中添加NaOH,可以顯著提高脫氮率。1987年,美國Argonne國家實驗室在此研究的基礎(chǔ)上發(fā)展了干法噴霧(干石灰)聯(lián)合脫除SO2和NOx技術(shù)。Sang-Kwun等發(fā)現(xiàn)亞氯酸鈉是干法石灰噴霧脫硫脫氮工藝中最好的添加劑,在此工藝中亞氯酸鈉可脫除75%NOx。實驗還證明,提高溫度可以促進NOx凈化,但會抑制SO2的捕集,因此,該方法很難實現(xiàn)SO2和NOx的同時高度凈化。3.4煙氣凈化技術(shù)發(fā)展概況脈沖電暈等離子體脫硫脫氮技術(shù)是二十世紀80年代由Masuda等首先提出的。它是用納秒級高壓脈沖電暈放電產(chǎn)生等離子體,裂解煙氣中的O2、H2O等分子,產(chǎn)生大量的氧化性粒子,氧化SO2和NOx成為SO3和NO2,并注入NH3氣體,產(chǎn)生硫酸銨、硝酸銨及其復(fù)鹽的微粒,再用電除塵器收集。氨的加入可以提高脫硫率,但會使運行費用增加,且易造成二次污染。Masuda等在正脈沖電暈放電脫硫脫氮實驗中發(fā)現(xiàn)增加煙氣水含量可顯著提高脫除效率。3.5奧鋼聯(lián)的MEROS煙氣凈化技術(shù)奧鋼聯(lián)工程技術(shù)公司在煙氣凈化方面的技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了AIRFINE、WETFINE、和MEROS三個發(fā)展階段。20世紀90年代開發(fā)了WETFINE濕法煙氣凈化系統(tǒng),進入21世紀,隨著歐洲環(huán)保要求的不斷提高,加之濕式氣體清洗系統(tǒng)的高運行成本,奧鋼聯(lián)又從對濕法除塵的研究轉(zhuǎn)向了干法,開發(fā)了MEROS煙氣凈化技術(shù),并于2004年在奧鋼聯(lián)林茨鋼廠實驗廠實驗成功。2006年在林茨鋼廠實地進行建設(shè),系統(tǒng)處理風量為620000Nm3/h,于2007年7月份正式投產(chǎn)。Meros(maximizedemissionreductionofsintering)即最大化降低燒結(jié)污染物排放。它是一種干式氣體清洗系統(tǒng),主要由將燒結(jié)煙氣冷卻到低于100℃的工藝溫度氣體調(diào)節(jié)反應(yīng)器、用于粉塵分離的高效脈沖噴射布袋過濾器、吸附劑計量和噴吹設(shè)備及粉塵控制回收系統(tǒng)組成。可將燒結(jié)廢氣中的粉塵、有害金屬和有機物經(jīng)過一系列處理步驟降低到較低水平,滿足日益嚴格的環(huán)境保護要求。其系統(tǒng)的操作過程包括:(1)脫硫物、活性炭的逆向噴入;(2)在雙旋流噴嘴處噴入水分以調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度;(3)脈沖布袋除塵器脫去脫硫產(chǎn)物及粉塵顆粒;(4)活性炭及脫硫物的重復(fù)再利用。奧鋼聯(lián)開發(fā)的MEROS煙氣凈化技術(shù)確有很好的效果,無論是在工藝設(shè)備投資、運行成本還是在除塵效率、脫硫效率以及廢水、廢棄物的處理方面都具有較強的優(yōu)勢,在世界鋼鐵廠的燒結(jié)生產(chǎn)中引起了廣泛的關(guān)注和興趣。4主要經(jīng)濟指標國內(nèi)外都十分重視煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)的經(jīng)濟評價工作,以上提及的各種技術(shù)中有些已經(jīng)投入工業(yè)運行,現(xiàn)將所知的投入工業(yè)運行的各工藝的主要經(jīng)濟指標列于表1。從表1中數(shù)據(jù)可見,在投資費用上,半干噴霧脫硫脫氮技術(shù)與循環(huán)流化床聯(lián)合脫硫脫氮技術(shù)具有一定的優(yōu)勢,而活性炭和活性焦吸附脫硫脫氮技術(shù)在運行費用上有一定的優(yōu)勢。5燒結(jié)聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)煙氣聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)的研究已成為當今煙氣凈化技術(shù)的發(fā)展趨勢。然而,現(xiàn)有的聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)存在設(shè)備投資大、運行費用高、運行不穩(wěn)定等缺點。就我國而言,SO2、NOx的治理已成為十分迫切的問題。然而由于SO2、NOx分段脫除設(shè)備造價昂貴,運行費用高,現(xiàn)有技術(shù)的大規(guī)模普及還存在很多問題,因此,開發(fā)符合我國國情的投資較少、運行費用較低的聯(lián)合脫除技術(shù)將是大氣污染控制領(lǐng)域里的重點課題。針對鋼鐵聯(lián)合企業(yè)燒結(jié)煙氣開展聯(lián)合脫硫脫硝,我們必須結(jié)合我國鋼鐵企業(yè)燒結(jié)實際情況,綜合考慮環(huán)境效益、技術(shù)要求及經(jīng)濟成本等因素,筆者認為以下幾條應(yīng)是我們開發(fā)脫硫、脫硝技術(shù)的指導(dǎo)原則:1)盡量減少投資成本和運行費用;2)工藝過程簡單,占地面積小,技術(shù)成熟;3)脫硫脫硝劑來源方便,價格低廉,盡量使用鋼鐵生產(chǎn)工序產(chǎn)生的堿性副產(chǎn)物;4)脫硫脫硝率高,進一步削減排放總量;5)副產(chǎn)品能回收利用,對環(huán)境不造成二次污染,可出售的副產(chǎn)品能被市場接受。為了我國鋼鐵事業(yè)可持續(xù)發(fā)展,鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟效益的獲得再不能