燒結煙氣濕法脫硫配套煙氣脫硝技術

燒結煙氣濕法脫硫配套煙氣脫硝技術摘要查找高效、穩(wěn)定的適合配套燒結煙氣濕法脫硫的煙氣脫硝技術是鋼鐵企業(yè)面臨的重大難題之一。通過分析比較，總結出在濕法脫硫裝置下游增加濕式電除塵器和SCR脫硝裝置的煙氣凈化系統(tǒng)綜合解決方案。通過對煙氣進行先脫硫除塵，降低了進入脫硝裝置的SO2濃度和粉塵濃度，有效消退了脫硝系統(tǒng)形成硫酸氫銨堵塞的風險，保證了脫硝催化劑性能的長期穩(wěn)定。通過設置煙氣再熱系統(tǒng)，提高了煙囪排煙溫度。經過在常州東方特鋼有限公司300m2燒結煙氣凈化系統(tǒng)進行實施及效果驗證，此種燒結煙氣綜合凈化系統(tǒng)用于燒結煙氣凈化過程中，可以長期穩(wěn)定運行，并滿意排放煙氣中污染物濃度SO2不高于35mg/m3(標準)、NOx不高于50mg/m3(標準)、粉塵不高于10mg/m3(標準)的超低排放標準要求。同時，此SCR脫硝工藝可以同步脫除二噁英，并且提高排放煙氣溫度，即可以消退排放煙氣白霧或煙囪雨問題。關鍵詞：燒結；煙氣；濕法脫硫；煙氣脫硝；煙氣除塵；超低排放1前言隨著我國電力行業(yè)煙氣脫硫、脫硝、除塵工程的全面實施，燃煤電力行業(yè)煙氣污染已得到了有效掌握，鋼鐵、水泥、工業(yè)窯爐等行業(yè)煙氣污染受到了人們更多的關注。燒結煙氣中的SO2、氮氧化物(NOx)和二噁英(DXN)等污染物是鋼鐵行業(yè)的主要污染源，目前已經成為我國鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的主要領域之一，而燒結、球團單元NOx排放量占鋼鐵廠排放總量的50%~60%(不含自備電廠)[1~3]。對此，國家環(huán)保部門于2012年出臺了針對燒結機、球團煙氣排放的GB28662—2012《鋼鐵燒結、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》；2017年對GB28662—2012進行修改，進一步提高了排放標準；2018年5月生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《鋼鐵企業(yè)超低排放改造工作方案》(征求看法稿)；2019年推出《關于推動實施鋼鐵行業(yè)超低排放的看法》(環(huán)大氣[2019]35號)，推動實施燒結煙氣超低排放標準：粉塵濃度不高于10mg/m3(標準)，SO2濃度不高于35mg/m3(標準)，NOx濃度不高于50mg/m3(標準)，正式推行超越國際上任何國家的“史上最嚴”燒結煙氣排放標準。目前我國大部分燒結機、球團窯爐都實施了煙氣脫硫改造工程，并且多數燒結機采納濕法脫硫工藝，排放的SO2基本可以實現超低排放，但是對于NOx和DXN等污染物暫未實行有效的措施。NOx已成為繼SO2之后主要的大氣污染物之一，其溫室效應約為CO2的310倍。NOx還可以導致臭氧層破壞、光化學煙霧等，甚至會導致人類呼吸系統(tǒng)疾病等多種危害。DXN是一種無色無味、毒性嚴峻的脂溶性物質，其毒性相當于人們熟知的劇毒物質氰化物的1000倍、砒霜的900倍，這類物質特別穩(wěn)定，熔點較高，極難溶于水，可以溶于大部分有機溶劑，特別簡單在生物體內積累，所以對人體危害嚴峻。因此，與燒結煙氣濕法脫硫技術相匹配的脫硝脫二噁英技術是燒結煙氣進一步凈化的最佳方法。本文結合常州東方特鋼有限公司300m2燒結煙氣凈化工程技術和運行狀況，進行燒結煙氣濕法脫硫配套煙氣脫硝凈化技術的分析和爭論。2常州東方特鋼300m2燒結煙氣凈化工程介紹常州東方特鋼有限公司2號燒結機為300m2燒結機，原建有濕法脫硫裝置，脫硫后排放煙氣中SO2濃度低于35mg/m3(標準)，但排放煙氣中粉塵濃度和NOx濃度分別在35mg/m3(標準)和250mg/m3(標準)以上，無法達到目前的排放標準。為滿意國家超低排放標準要求，在不拆除現有煙氣脫硫裝置而降低投資的基礎上，常州東方特鋼有限公司領先提出了增加煙氣除塵和脫硝裝置的構想，并通過溝通和比較，選擇了寶鋼工程技術集團有限公司供應的增加濕式電除塵器和SCR脫硝裝置的工程方案：燒結煙氣首先經過靜電除塵系統(tǒng)除塵后，通過鎂法濕法脫硫裝置進行脫硫，再經過濕式電除塵器深度除塵，最終通過SCR脫硝裝置進行煙氣脫硝脫二噁英，凈化后的煙氣通過SCR脫硝系統(tǒng)后溫度達到100℃左右，遠離煙氣露點溫度，從而實現煙氣的消白作用(即消退煙囪雨現象)。最終煙囪出口煙氣中污染物排放狀況為：SO2排放小于35mg/m3(標準)，NOx排放小于50mg/m3(標準)，粉塵排放小于10mg/m3(標準)，即達到了最嚴格的燒結煙氣污染物超低排放要求。2.1鎂法脫硫工藝2.1.1技術原理采納亞硫酸鎂清液法煙氣脫硫工藝，此工藝屬于堿性清液運行體系。依據氧化鎂再生反應的特性，通過外部再生誘導結晶工藝，生成高pH值、高汲取活性的亞硫酸鈉亞硫酸鎂混合汲取清液，并采納與循環(huán)汲取清液特性相適應的低液氣比的高效霧化噴淋汲取技術來提高汲取效率，從而達到高脫硫率、高運行牢靠性、低投資、低運行成本的目的。工藝流程示意如圖1所示。其主要反應如下：汲取單元：<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009041623568271.png”alt=“1.png”width=“247”height=“63”/再生單元：<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009041623598039.png”alt=“2.png”width=“317”height=“58”/脫硫產物處置：<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009041623597909.png”alt=“3.png”width=“253”height=“82”/<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009041623595528.png”alt=“4.png”width=“637”height=“252”/圖1燒結煙氣鎂法脫硫流程示意圖2.1.2技術優(yōu)勢①高汲取活性亞硫酸鎂汲取清液生成技術：連續(xù)生成高pH值(pH值≥8)，低固含量(固含量≤0.1%)、高有效汲取介質濃度([SO32-]≥0.3mol/L)的高活性汲取液；②低液氣比、低壓損、高效霧化空塔噴淋技術：在液氣比≤2L/m3、脫硫系統(tǒng)壓損≤600Pa條件下脫硫效率即能大于95%；③可以實現在低成本的前提下，通過脫硫產物回收生產工業(yè)級硫酸鎂；④基于清液運行體系的特點，噴淋液固含量低，為選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)催化劑的穩(wěn)定使用制造了良好的運行環(huán)境，避開了催化劑堵塞。2.2濕式電除塵技術2.2.1技術原理與干式電除塵器除塵原理相同，濕式電除塵器也是靠高壓電暈放電，將其四周氣體電離，使粉塵或霧滴粒子外表荷電，荷電后的粉塵在電場力的作用下到達集塵板/管，然后通過噴淋水流從集塵板頂端流下，在集塵板上構成一層勻稱平穩(wěn)的水膜，將板上的粉塵顆粒帶走。干式電收塵器主要處理含水很低的干氣體，濕式電除塵器主要處理含水較高乃至飽和的濕氣體，因此是濕法脫硫后煙氣除塵的最佳選擇。燒結煙氣濕電除塵流程見圖2。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009041623591816.png”alt=“5.png”width=“606”height=“269”/圖2燒結煙氣濕電除塵流程示意圖2.2.2技術優(yōu)勢濕式電除塵器結構和工作原理，打算了其具有干式電除塵無可比擬的優(yōu)勢：①除塵效率高，粉塵排放濃度可達到5mg/m3(標準)以下；②對于亞微米大小的顆粒，包括微細顆粒物(PM2.5等，去除率80%以上)、SO3酸霧(氣溶膠，去除率60%以上)、重金屬(汞等)都有較好的收集性能，大幅削減了煙囪白煙現象；③收塵性能與粉塵特性無關，對黏性大或高比電阻粉塵能有效收集，特殊適用于處理高濕煙氣；④電除塵器內的電場氣流速度較高及灰斗傾斜角減小，設備布置可以更緊湊；⑤避開反電暈現象，抑制二次揚塵，由于沒有如錘擊設備的運動部件，牢靠性較高。2.3SCR脫硝技術經濕法脫硫和濕式電除塵器除塵裝置凈化后的燒結煙氣，首先通過煙氣換熱器(GGH)與脫硝后的凈煙氣換熱升溫至約245℃，然后進入脫硝反應器入口煙道，與加熱爐送來的高溫煙氣混合升溫至約280℃，升溫后的煙氣繼而與氨系統(tǒng)送入的氨空氣混合氣充分勻稱混合，再經過整流器整流后進入脫硝反應器。氨與煙氣中的NOx在催化劑表面發(fā)生NOx還原反應，反應后的凈煙氣由脫硝出口煙道送至煙氣換熱器，與原煙氣換熱降溫至約95℃，最終由脫硝系統(tǒng)引風機送至煙囪排放。流程示意圖如圖3所示。2.3.1技術原理SCR脫硝技術是在250~300℃煙氣溫度和催化劑作用下，氣態(tài)氨基還原劑(氨水氣化制備成氣態(tài)氨)與煙氣中的NOx發(fā)生催化還原反應，生成無害的N2和H2O的過程，主要的化學方程式如下：<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009041623591063.png”alt=“6.png”width=“231”height=“163”/由以上反應方程式可以看出，SCR煙氣脫硝技術在脫除NOx的同時，可以深度氧化二噁英，具有肯定的脫除二噁英污染物的功能。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009041624001938.png”alt=“7.png”width=“386”height=“286”/圖3燒結煙氣SCR脫硝流程示意圖2.3.2技術優(yōu)勢SCR脫硝技術是一種成熟的深度煙氣NOx后處理技術，具有如下特點：①可同時脫除二噁英，脫除率可達85%以上，二噁英可完全分解，無二次衍生污染物的產生；②敏捷性強，可依據已建/未建脫硫裝置進行敏捷組合，實現脫硫脫硝脫二噁英一體化煙氣綜合凈化系統(tǒng)；③脫硝效率最高可以達到95%以上，NOx排放濃度可掌握到50mg/m3(標準)以下；④系統(tǒng)簡潔，操作便利，催化劑在與煙氣接觸過程中，受到氣態(tài)化學物質毒害、飛灰堵塞與沖蝕磨損等因素的影響，其活性漸漸降低，通常3～4a增加或更換一層催化劑即可連續(xù)保證系統(tǒng)性能；⑤脫硝裝置占地小，脫硝反應器豎向布置，系統(tǒng)阻力小，可依據項目現狀考慮是否需要提高引風機壓頭甚至增設脫硝系統(tǒng)引風機；⑥平安性高，無塵爆的風險。2.4工程效果及現狀常州東方特鋼有限公司2號即300m2燒結機增加煙氣除塵/脫硝裝置工程，于2018年11月開工建設，2019年5月1日建成投產，最終形成了燒結煙氣濕法脫硫+濕式電除塵器+SCR脫硝的綜合煙氣凈化系統(tǒng)。2019年6月1日~6月7日，常常州市環(huán)保局技術人員現場數據比對分析，168h性能驗收平均數據如下：顆粒物排放濃度7.6mg/m3(標準)、二氧化硫排放濃度21.2mg/m3(標準)、氮氧化物排放濃度37.3mg/m3(標準)，遠低于國家要求的燒結煙氣超低排放標準要求。同時，煙囪出口煙氣溫度102.5℃，遠高于煙氣露點溫度，即同步實現了消退煙囪雨的產生。目前該新增燒結煙氣除塵、脫硝裝置已連續(xù)穩(wěn)定運行近一年，系統(tǒng)運行高效、牢靠，得到了環(huán)保部門及同行的普遍認可，估計每年可以削減顆粒物排放超過250t，削減氮氧化物排放約2000t。3濕法脫硫系統(tǒng)配套煙氣脫硝技術分析由于我國大部分燒結機已配套建有煙氣濕法脫硫裝置，為實現國家對煙氣超低排放要求，必需增加煙氣脫硝裝置。目前，可以工程應用并且有實際工程業(yè)績的燒結機、球團煙氣NOx治理技術主要有活性炭吸附和選擇性催化還原SCR兩種技術。活性炭吸附技術是在20世紀50年月由德國Berg-bau-Forschung公司開發(fā)的，其主要原理是在活性炭汲取塔中，用活性炭(焦)吸附DXN和SO2，并用NH3還原NOx，可以實現同時脫硫脫硝脫二噁英的功能，在我國以及日本新日鐵、JFE，韓國浦項及澳大利亞博思格(BHP)等企業(yè)已有多套裝置在運行，但存在以下問題：脫硝效率低[即使設置兩級活性炭脫硝裝置，可以實現將NOx排放濃度掌握在100mg/m3(標準)以下，但很難實現低于50mg/m3(標準)的超低排放要求]；投資費用高[5](活性炭吸脫附工程需要較低的空速，因此凈扮裝置體積浩大、掌握系統(tǒng)簡單、占地面積大，導致投資成本高，比單純SCR脫硝裝置高出數倍以上)；運行成本高(活性炭高溫再生的氮氣愛護、自身高溫氧化燃燒、輸送過程的磨損消耗等因素導致運行成本高)；氨逃逸率高[6][達30mg/m3(標準)，低反應溫度導致脫硝效率較低，活性炭體積大導致夾帶氨逃逸量大等因素；氨逃逸與冬季霧霾具有肯定關系，因此，將來氨逃逸率必將成為環(huán)保掌握指標之一]；同時，活性炭吸附凈化技術還存在二噁英無法徹底凈化、產生廢水、存在塵暴風險等問題。另外最重要的一點是在現有脫硫裝置基礎上增加活性炭煙氣凈扮裝置存在投資高、無施工場地等問題。總之，活性炭吸附凈化技術無法適應現有燒結煙氣凈化市場的需要，而SCR脫硝技術是與現有濕法脫硫裝置協(xié)作最佳的煙氣脫硝技術。3.1脫硝+脫硫凈化系統(tǒng)為適應SCR脫硝系統(tǒng)反應溫度高而脫硫出口煙氣溫度較低的要求，SCR脫硝裝置可建于脫硫裝置前，也可建于現有脫硫裝置后。若脫硝裝置建于現有的濕法脫硫裝置之前，則形成SCR脫硝+濕法脫硫綜合凈化系統(tǒng)，工藝流程示意圖如圖4所示。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009041624003018.png”alt=“8.png”width=“624”height=“171”/圖4燒結煙氣SCR脫硝+濕法脫硫流程示意圖由于SCR脫硝需要較高的反應溫度，煙氣含濕量越低越好，將脫硝裝置布置在濕法脫硫裝置之前的工藝路線是比較簡單接受的。并且這種系統(tǒng)配置進入脫硝系統(tǒng)的煙氣溫度較高，換熱器易選型，更為重要的是煙氣為干煙氣(溫度高于露點溫度，不存在液態(tài)水汽)，脫硝設備和煙道不需要考慮防腐，但此種配置具有以下缺點或不足：①提高了進入脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度，影響脫硫效率，導致脫硫系統(tǒng)水耗增加，運行費用增高；②濕法脫硫裝置即使設置了高效除霧器，也很難實現粉塵的超低排放，因此還需要增加濕式電除塵裝置；③濕法脫硫后排放煙氣為濕煙氣(溫度等于甚至小于露點溫度，存在液態(tài)水汽)，煙囪雨及其腐蝕問題無法解決；④進入脫硝系統(tǒng)的煙氣含SO2濃度較高，為避開較低的反應溫度而形成硫酸銨/硫酸氫銨堵塞催化劑的風險，脫硝反應溫度要求較高，并且不行避開地對催化劑性能和壽命產生肯定的影響；⑤最嚴峻的是，進入脫硝系統(tǒng)的煙氣含有較高濃度的粉塵，并且為含有各種金屬元素的細粉塵，簡單導致脫硝催化劑中毒和堵塞，特殊是堵塞問題，是目前已投運此類工程的最頭痛問題，即使設置了耙式吹灰器，多數此類脫硝催化劑也需要定期(一到三個月)停機清理堵灰。另外，催化劑的壽命和穩(wěn)定性也受到嚴峻損害。3.2脫硫+脫硝凈化系統(tǒng)依據現有濕法脫硫裝置建設的位置，通常燒結機與脫硫裝置之間場地緊湊。SCR脫硝裝置也可建于脫硫裝置后，同時為保證排放粉塵濃度達到超低排放標準的要求，需在脫硫和脫硝裝置之間增加濕式電除塵器，從而形成SCR脫硝+濕法脫硫的綜合凈化系統(tǒng)。與常州東方特鋼有限公司300m2燒結煙氣綜合凈化系統(tǒng)相同，工藝流程示意圖如圖5所示。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009041624002837.png”alt=“9.png”width=“630”height=“154”/圖5燒結煙氣濕法脫硫+濕電除塵+SCR脫硝流程示意圖由于濕法脫硫后煙氣溫度較低，且為飽和濕煙氣，因此，會導致脫硝系統(tǒng)用煙氣換熱器換熱量增大，設備體積較大，且入口煙道及部分換熱器與煙氣接觸面需要做防腐，但由于煙氣已完成脫硫，結合常州東方特鋼燒結煙氣凈化系統(tǒng)運行狀況，此種配置具有以下優(yōu)勢：①脫硫后煙氣中SO2濃度特別低，對脫硝系統(tǒng)來說形成硫酸銨/硫酸氫銨等堵塞的風險明顯降低，催化劑脫硝效率和化學壽命等性能顯著提高；②本脫硝工藝存在煙氣再加熱系統(tǒng)，使最終排放煙氣溫度提高，從而可以消退煙