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烧结烟气脱硫脱硝超低排放治理工艺综述

  来源:山东化工 | 发布时间:2020-07-27

  北斗智库环保管家网讯:本文介绍了国内主流的烧结烟气脱硫、脱硝技术方法,依据烧结烟气特性提出相应的脱硫脱硝超低排放工艺路线,并结合我公司工程实例,探讨了实现钢铁行业烧结烟气超低排放的可能性。
 
  我国是世界上最大的钢铁生产国,年产量可达十几亿吨,但污染物排放量大,据统计钢铁行业已成为我国仅次于燃煤电厂的第二大工业烟气污染物排放源。2019年4月,生态环境部会同有关部委研究发布了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》,逐步要求钢铁行业的超低排放要求,其中烧结机烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物平排放浓度小时均值分别不高于10,35,50mg/。本文主要介绍了国内烧结烟气主流的脱硫脱硝技术方法,以及针对烧结烟气超低排放提出相应的脱硫脱硝工艺技术方案。
 
  烧结烟气脱硫脱硝技术
 
  1.1 烧结烟气特点
 
  所谓烧结烟气就是烧结矿等混合料经高温烧结成型过程中产生的气体,具有以下特点:烟气量大,1T烧结矿可产生4000~6000?烟气;烟气不稳定,成分随烧结矿料配比的变化而变化;烟气温度低、湿度大、粉尘含量高等。
 
  1.2 烧结烟气脱硫技术
 
  针对烧结烟气的特点,常用的脱硫工艺根据脱硫剂形态的不同可分为湿法、半干法和干法。其中湿法脱硫石灰石/石灰-石膏法,半干法脱硫循环流化床法(CFB)、旋转喷雾干燥法(SDA)应用最为广泛,占比可达86.9%(按面积计算)。
 
  石灰石/石灰-石膏法
 
  石灰石/石灰-石膏法是目前技术最成熟、应用最为广泛的烧结烟气脱硫工艺,其原理是:采用石灰石或石灰作为脱硫剂,经消化处理后制成浆液,在吸收塔上部经喷淋后与烟气中SO2发生反应生成CaSO3,在吸收塔底部被鼓入的空气氧化成CaSO4,达到脱硫的目的。该工艺运行稳定、脱硫效率高,副产物可制成石膏回收再利用;但前期投入大、系统复杂、占地面积大,且会产生大量废水。
 
  循环流化床法(CFB)
 
  循环流化床烟气脱硫技术是德国鲁奇公司20世纪80年代末开发的一种新型半干法烟气脱硫工艺,其原理是:烟气从底部进入吸收塔,与加入的消石灰脱硫剂、循环灰充分混合,经吸收塔下端的文丘里管加速,在气流作用下形成流化床,使烟气与消石灰充分接触,从而去除烟气中的SO2。该方法Ca/S高达40~50,消石灰利用率高,脱硫效率高;吸收塔无内件且无需防腐;后续设备无粘结、堵塞和腐蚀风险。
 
  旋转喷雾干燥法(SDA)
 
  所谓旋转喷雾干燥法烟气脱硫,就是将生石灰加水配置成消石灰乳,在自流状况下通过高速旋转雾化器雾化成细小液滴,液滴在塔内与烟气中的SO2充分反应,达到去除SO2的目的。该工艺核心设备旋转雾化器主要从国外进口,前期投入较大;排烟温度高于烟气酸露点,是设备无需防腐处理。
 
  1.3 烧结烟气脱硝技术
 
  国内外主流的烟气脱硝工艺主要有选择性非催化还原法(SNCR)和选择性催化还原法(SCR)。选择性非催化还原法(SNCR)是氨或尿素在1000℃左右的温度下将烟气中NOx还原成N2,达到脱硝的目的,主要应用于锅炉等领域,不适用于烧结烟气;结合烧结烟气温度和特点其脱硝一般采用SCR,所谓SCR就是在催化剂的作用下,以氨作为还原剂脱除烟气中的NOx;催化剂的存在可以大幅降低NOx分解所需的活化能,使其反应温度降至300℃左右,该技术NOx脱除率可达95%以上。
 
  烧结烟气脱硫脱硝工艺
 
  随着钢铁行业超低排放要求的提出,近年来大量钢厂开始对烧结烟气进行脱硫脱硝超低改造,根据调研及我公司已有运行业绩,其主要工艺路线有:湿法脱硫+冷凝+SCR脱硝+布袋除尘、CFB脱硫+布袋除尘+SCR脱硝、SCR脱硝+湿法脱硫+湿电。
 
  2.1 路线一:SCR脱硝+湿法脱硫+湿电
 
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  Fig.1 ultra low emission process route one of sintering flue gas
 
  该路线流程是:经烧结主抽送过来的高温烟气通过SCR脱硝后再依次经过湿法脱硫和湿电除尘达标后从烟囱排放。该工艺适用于烟气中粉尘含量相对较小的烧结厂,否则烟气中颗粒物会堵塞催化剂表面和烟气换热器(GGH),增加系统阻力,影响系统的运行;为了尽可能减小粉尘对脱硝系统的影响,设计中烟气换热器增加了高压水冲洗系统,催化剂层增加耙式吹灰系统,保证系统的正常运行。
 
  我公司负责的河北兴华钢铁有限公司200m2烧结烟气超低改造工程采用该工艺路线,业主已建湿法脱硫,本次改造在脱硫前增加SCR脱硝,脱硫后增设湿法电除尘,于2018年12投产使用,至今系统运行稳定;其中烟气量80万N?/h,SCR反应温度≥320℃,采用20%氨水作为还原剂,NOx从250mg/?降至45mg/?以下,实现超低排放。
 
  2.2 路线二:湿法脱硫+冷凝+SCR脱硝+布袋除尘
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  Fig.2 ultra low emission process route two of sintering flue gas
 
  该路线主要针对现有烧结烟气已建湿法脱硫,在其后增加冷凝器,析出烟气中过量饱和水,再次经烟气换热器(GGH)和热风炉加热后达到脱硝反应所需温度,最后经过布袋除尘、烟囱排放。该工艺在湿法脱硫后增加冷凝器,在脱除烟气中水分的同时也可去除部分颗粒物,减少颗粒物对后面工序的影响;但烟气经脱硫水洗和冷凝后温度在50℃左右,而SCR脱硝反应温度区间在250~320℃,需要消耗大量的能量对烟气进行加热;烟气中湿度相对较大,对后续设备存在腐蚀的风险。
 
  丹阳龙江1×100㎡+1×180㎡烧结机烟气超低排放由我公司采用该工艺路线进行改造,已达标排放稳定运行3月有余。设计参数如下:烟气量:126万m3/h、脱硝反应温度:≥280℃、还原剂:20%氨水,NOx从300mg/?降至40mg/?以下,脱硝效率:86.7%。
 
  2.3 路线三:CFB脱硫+布袋除尘+SCR脱硝
 
  烧结烟气超低排放工艺流程路线见图3。
 
  该工艺是目前烧结烟气超低排放最成熟的工艺之一,其路线是:经烧结机机头除尘的烟气通过主抽送至CFB脱硫和布袋除尘后,再依次流经SCR脱硝,达标后经增压风机从烟囱排放。该工艺采用CFB半干法脱硫,与湿法脱硫相比,不会产生脱硫废水,无二次污染;经脱硫和布袋后烟气温度可达100℃左右,相对湿法工艺SCR脱硝能耗较小;后续设备无腐蚀风险;在运行过程中受烧结机负荷波动影响较大,负荷较低时需通过增压风机和循环烟道及时调整通过CFB脱硫塔烟气量,否则会出现踏床现象,对操作人员要求较高。
 
  中新钢铁2×198㎡烧结烟气超低排放采用该工艺路线,我公司负责其中的SCR脱硝部分,2条线均已投产达标排放。具体参数如下:烟气量:114万?/h、脱硝反应温度:≥280℃、脱硝还原剂:20%氨水、脱硫剂:消石灰;总排口参数:SO2<30mg/?、NOx<50mg/?、粉尘<5mg/?、氨逃逸<3ppm。
 
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  Fig.3 ultra low emission process route three of sintering flue gas
 
  烧结烟气超低排放中存在的问题
 
  近年来随着烧结烟气超低排放改造项目的不断增加,技术和工艺路线也在不断完善,但SCR脱硝仍然面临亟需解决的问题,如能耗高和催化剂堵塞等。
 
  3.1 能耗高
 
  无论采用哪种超低烟气处理工艺,在SCR脱硝过程中均需将烟气温度加热至300℃左右,虽然采用烟气换热器(GGH)可回收一部分热量,但仍需采用加热炉将烟气温升40℃左右,需要消耗大量的能量。
 
  为了解决能耗高问题,大量的学者将精力主要集中在低温催化剂研究上,通过对催化剂性能的优化和改进,降低SCR脱硝反应所需的温度,进而降低能耗。乔南利等从活性组分和载体两方面介绍了低温NH3-NOx催化剂,提出研究和开发低温NH3-NOx脱硝技术的必要性,并探讨了低温NH3-NOx催化剂抗水、抗硫及失活的原因。
 
  3.2 催化剂堵塞
 
  SCR脱硝过程中催化剂会将部分烟气中的SO2氧化成SO3,并与过量未参与反应的氨气生成硫酸氢铵,硫酸氢铵是一种黏性很强且具有腐蚀性的物质,易黏附烟气中的飞灰颗粒,堵塞催化剂表面,造成催化剂失活和设备腐蚀等影响。目前主要通过减少氨逃逸量、优化喷氨流场、及控制SO2氧化率等方面来控制。倪建东等利用Fluent软件对某钢厂烧结烟气SCR脱硝系统进行数值模拟优化,通过优化设计,解决烟气回流问题,降低氨与NOx摩尔比的标准偏差系数。
 
  结束语
 
  目前煤电行业已逐步实现超低排放要求,减排的焦点已开始向化工、建材、冶金等行业转移,尤其冶金行业,近几年面临越来越严格的排放要求,河北地区已出台冶金行业相应的超低排放地方性标准。本文总结了现阶段国内主要的烧结烟气脱硫、脱硝技术工艺,提出几种不同的超低排放工艺路线,结合我公司已改造完成并运行的项目实际,为烧结烟气超低改造提供借鉴。

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关键词: 超低排放   环保技术   环保管家  

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