干式鈉基正交預(yù)附凈化鉍熔煉煙氣的應(yīng)用研究

朱永貴

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410014)

·環(huán) ?！?/p>

干式鈉基正交預(yù)附凈化鉍熔煉煙氣的應(yīng)用研究

朱永貴

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410014)

對(duì)正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)及正交預(yù)附過(guò)程進(jìn)行了分析,并通過(guò)對(duì)鉍熔煉爐煙氣的特性分析,提出了鉍熔煉爐煙氣采用干式鈉基正交預(yù)附脫硫技術(shù)的可行性,并從理論分析到實(shí)際應(yīng)用效果,詳細(xì)闡述了鉍熔煉爐煙氣應(yīng)用干式鈉基正交預(yù)附脫硫技術(shù)的有效性和實(shí)用性。

干式鈉基;正交預(yù)附;凈化;鉍熔煉煙氣

預(yù)附吸附過(guò)程包括物理吸附過(guò)程和化學(xué)吸附過(guò)程。物理吸附為分子之間范德華力引起的,對(duì)于預(yù)附粉料來(lái)說(shuō),物理吸附是單層吸附;化學(xué)吸附也稱(chēng)活性吸附,吸附粉料顆粒與有害氣體分子之間依靠化學(xué)鍵力造成的,是吸附粉料顆粒與有害氣體間化學(xué)作用的結(jié)果。一般來(lái)說(shuō),同一種氣體污染物可能在較低溫度下發(fā)生物理吸附,而在較高溫度下發(fā)生化學(xué)吸附。物理吸附發(fā)生在化學(xué)吸附之前,當(dāng)吸附顆粒逐漸具備足夠高的活化能后,就發(fā)生化學(xué)吸附,當(dāng)溫度較高時(shí),兩種吸附也可能同時(shí)發(fā)生。

預(yù)附過(guò)濾技術(shù)可使工業(yè)污染物有害氣體中的某一組分或某些組分通過(guò)分子引力和化學(xué)鍵的作用,達(dá)到有害氣體從工業(yè)廢氣混合物中分離出來(lái)。從理論和實(shí)際應(yīng)用中可知,吸附效果取決于吸附劑和吸附質(zhì)分子之間的激烈程度,包括吸附劑的物理化學(xué)活性、比表面積、吸附操作條件、吸附反應(yīng)器性能等,同時(shí),從運(yùn)行成本和吸附劑成本來(lái)分析,吸附效果也取決于吸附劑的用量、再生和循環(huán)利用,吸附劑輸入量多,吸附效果好,但成本高。吸附劑輸入量少,雖然成本低,但吸附效果差,最大限度地發(fā)揮吸附劑的效能是降低成本和運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵。

1 正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)及過(guò)程分析

1.1 正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)

正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)就是從過(guò)程的可控性、吸附的激烈程度、吸附效率、吸附劑成本及系統(tǒng)運(yùn)行能耗等方面進(jìn)行全方位、全過(guò)程的控制技術(shù),它的基本原理和吸附過(guò)程如下:預(yù)附粉料氣流從反應(yīng)器頂部垂直向下進(jìn)入,污染氣體從反應(yīng)器前面水平接入反應(yīng)器,在反應(yīng)器內(nèi)預(yù)附材料和污染氣體成90°的正交接觸和碰撞,預(yù)附材料和污染氣體經(jīng)過(guò)在反應(yīng)器內(nèi)正交碰撞接觸,進(jìn)行物理吸附和化學(xué)吸附過(guò)程,廢氣中有害氣體一部分得到吸附,這是預(yù)附粉料和污染氣流的第一次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程;然后,預(yù)附材料和污染氣體混合一起,經(jīng)煙氣管道進(jìn)入高效袋式除塵器,其中,預(yù)附顆粒和有害氣體在煙氣管道中的接觸吸附時(shí)間較長(zhǎng),煙氣中有害氣體一部分得到吸附,這是預(yù)附粉料和煙氣氣流的水平接觸吸附反應(yīng)過(guò)程;預(yù)附粉料和污染氣體進(jìn)入到高效布袋除塵器后,預(yù)附粉料被吸附到濾袋表面,在濾袋表面形成預(yù)附層粉料層,污染氣體經(jīng)過(guò)濾袋粉塵層時(shí),污染氣體與預(yù)附層粉料成90°的正面接觸和碰撞,廢氣中的有害氣體和預(yù)附粉料顆粒之間發(fā)生物理吸附和化學(xué)吸附過(guò)程,廢氣中有害氣體得到進(jìn)一步吸附,這是預(yù)附層粉料和污染氣流的第二次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程。

正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)使得預(yù)附層粉料和污染氣體有三次接觸吸附反應(yīng)過(guò)程,即煙氣管道中的水平接觸吸附反應(yīng)過(guò)程、反應(yīng)器內(nèi)的第一次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程、高效布袋除塵器內(nèi)的第二次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程。經(jīng)過(guò)以上三個(gè)接觸吸附反應(yīng)過(guò)程,廢氣中的某一組分或某些組分的有害氣體被預(yù)附粉料所吸附,并隨同煙塵經(jīng)高效布袋除塵器以固態(tài)的形式收集起來(lái),從而達(dá)到干法煙氣脫出有害氣體和煙塵的目的,以避免濕法脫除的二次污染。

為實(shí)現(xiàn)正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù),達(dá)到過(guò)程可控、吸附效率高、運(yùn)行穩(wěn)定和運(yùn)行費(fèi)用低的目的,必須滿(mǎn)足以下要求:(1)預(yù)附層材料必須為粉料,粉料粒徑≤50 μm,粉料活性好;(2)預(yù)附材料易取價(jià)廉,并可循環(huán)使用,對(duì)于有色冶金爐窯煙氣有害物的脫除,最好采用爐窯添加粉料,以便回收的預(yù)附粉料再回爐重用,以降低成本;(3)可靠的預(yù)附粉料添加裝置,粉料添加均勻,添加量可調(diào);(4)預(yù)附粉料與有害氣體之間物理吸附和化學(xué)吸附所要求的反應(yīng)吸附溫度、氣流速度、接觸時(shí)間等工況條件;(5)工業(yè)煙氣收塵工藝中配有預(yù)除塵裝置,一般采用的垂直擋板沉降室,可兼作預(yù)附反應(yīng)器,以保證預(yù)附粉料的添加;(6)車(chē)間或工段有廢熱利用熱源,以保證預(yù)附粉料熱氣流的供應(yīng)。

1.2 正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)過(guò)程分析

正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)的特點(diǎn)是有三次預(yù)附接觸反應(yīng)過(guò)程,其中正交預(yù)附接觸反應(yīng)過(guò)程有二次,即:預(yù)附粉料和煙氣氣流在反應(yīng)器中的第一次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程、預(yù)附粉料在濾袋上形成過(guò)濾粉塵層后與煙氣氣流的第二次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程。

1.2.1 預(yù)附粉料和煙氣氣流的第一次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程

正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)預(yù)附粉料和煙氣氣流的第一次正交接觸吸附反應(yīng)是在預(yù)處理反應(yīng)器中進(jìn)行,其原理如圖1所示。

圖1 第一次正交接觸吸附反應(yīng)示意圖

預(yù)附粉料和壓氣氣流通過(guò)文丘里引射器的引射,形成預(yù)附粉料引射氣流,預(yù)附粉料氣流從反應(yīng)器的頂部垂直向下導(dǎo)入反應(yīng)器,煙氣從反應(yīng)器的前面水平導(dǎo)入反應(yīng)器,預(yù)附粉料氣流與煙氣成90°正交接觸,并產(chǎn)生碰撞形成紊流狀態(tài),預(yù)附粉料顆粒與煙氣中有害氣體分子之間依靠分子引力和化學(xué)鍵作用,產(chǎn)生物理吸附和化學(xué)吸附,由于接觸比表面積大,接觸碰撞激烈,因此吸附活性顯著增大,這樣,煙氣中的某些有害氣體濃集到預(yù)附粉料顆粒表面或深入到其內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而,有害氣體從煙氣混合物中分離出來(lái)。有害氣體被預(yù)附粉料顆粒所吸附,一部分隨同預(yù)附粉料落入反應(yīng)器灰斗中(粉料回用),另一部分隨同煙氣氣流進(jìn)入高效布袋除塵器,在布袋表面形成粉塵層,經(jīng)清灰落入灰斗(粉料回用)。工業(yè)試驗(yàn)表明,第一次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程對(duì)某些有害物其脫除率為40%～50%左右。

1.2.2 預(yù)附粉料與煙氣氣流的第二次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程

正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)預(yù)附粉料與煙氣氣流的第二次正交接觸吸附反應(yīng)是在高效布袋除塵器中進(jìn)行,其原理如圖2所示。

圖2 第二次正交接觸吸附反應(yīng)示意圖

預(yù)附粉料通過(guò)預(yù)處理反應(yīng)器進(jìn)入到煙氣中,形成混合煙氣氣流,再經(jīng)過(guò)煙氣管道進(jìn)入到高效布袋除塵器。預(yù)附粉料在濾袋表面形成預(yù)附層材料粉塵層,即過(guò)濾層,煙氣進(jìn)入到高效布袋除塵器,一方面煙氣中的煙塵被濾袋收集,另一方面煙氣中的有害氣體通過(guò)預(yù)附材料粉塵過(guò)濾層時(shí),與預(yù)附粉料成90°正交接觸和碰撞,預(yù)附粉料顆粒和有害氣體分子依靠之間的分子引力和化學(xué)鍵作用,產(chǎn)生物理吸附和化學(xué)吸附,由于其接觸比表面積大,接觸碰撞激烈,因此,吸附活性顯著增大,這樣煙氣中的某些有害氣體濃集到預(yù)附粉料顆粒表面或深入到其結(jié)構(gòu)中,從而從煙氣混合物中分離出來(lái),有害氣體被預(yù)附層粉料顆粒所吸附,隨同顆粒形成粉塵層,經(jīng)過(guò)濾袋清灰,隨同過(guò)濾粉塵落入灰斗。工業(yè)試驗(yàn)表明:第二次正交接觸吸附反應(yīng)過(guò)程對(duì)某些有害物其脫除率為30%～40%左右。

2 干式鈉基正交預(yù)附凈化鉍熔煉煙氣的應(yīng)用

2.1 鉍熔煉爐煙氣的特性分析

鉍熔煉爐一般為反射爐,熔煉過(guò)程分裝料、燜燒、熔煉、放渣和出鉍等,鉍熔煉煙塵的化學(xué)成分見(jiàn)表1,鉍熔煉煙氣的化學(xué)組分見(jiàn)表2。

表1 鉍熔煉煙塵的化學(xué)成分%

表2 鉍熔煉煙氣的化學(xué)組分%

從表1、表2可看出:(1)煙塵含鉍大于27%,煙塵鉍含量略高于鉍精礦,煙塵屬有價(jià)物料,必須綜合回收;(2)煙氣含SO2的體積百分比為0.04%～0.06%,屬低濃度SO2煙氣。

根據(jù)上面煙氣的特點(diǎn),鉍熔煉煙氣必須進(jìn)行脫硫,并且為了鉍煙塵有價(jià)物料的回收,脫硫工藝應(yīng)優(yōu)先采用干式脫硫技術(shù)。

2.2 鉍熔煉煙氣應(yīng)用干式鈉基正交預(yù)附進(jìn)行脫硫的理論分析

對(duì)于鉍熔爐煙氣的脫硫,采用純堿作為煙氣脫硫吸附劑理論上是十分有效的。從化學(xué)反應(yīng)理論來(lái)說(shuō),利用鉍熔煉爐大于200℃的二次送風(fēng),通過(guò)噴射裝置把純堿噴入煙氣系統(tǒng),使得煙氣中的SO2與純堿在煙氣系統(tǒng)中充分接觸,迅速反應(yīng)而生成Na2SO3。Na2SO3隨煙塵被收塵設(shè)備收集下來(lái),未反應(yīng)的純堿、Na2SO3與煙塵一起返爐熔煉,其中Na2SO3進(jìn)入爐渣,純堿作為熔煉爐溶劑被再次利用。從脫硫產(chǎn)物的微觀形態(tài)可以看出,脫硫產(chǎn)物的表面不規(guī)則,具有較高的粗糙度、不規(guī)則形態(tài)和較大的比表面積,使得布袋除塵器能繼續(xù)提高脫硫效率和脫硫劑的利用率。當(dāng)純堿到達(dá)布袋除塵器時(shí),純堿和脫硫產(chǎn)物的顆粒聚集在布袋上形成致密的灰層,一方面增加了氣固的接觸時(shí)間,而且實(shí)際的Na/ S也比煙氣中的要大;另一方面,氣體穿過(guò)灰層的阻力較大,迫使SO2向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散,脫硫劑的粗糙表面使得SO2能較容易達(dá)到顆粒的內(nèi)部,與未反應(yīng)的脫硫劑繼續(xù)反應(yīng),因此布袋除塵器能使脫硫效率得以提高很多。

干式鈉基脫硫技術(shù)在鉍熔煉爐煙氣脫硫中實(shí)現(xiàn)了干式脫硫,有價(jià)煙塵得到了回收,同時(shí)大大減少了SO2的排放。

2.3 30 m2鉍熔煉爐煙氣應(yīng)用干式鈉基脫硫的理論計(jì)算

對(duì)于30 m2鉍熔煉爐來(lái)說(shuō),煙氣量為3 000～6 000 m3/h,實(shí)際工況煙氣量為13 000～29 000 m3/h,煙氣量的波動(dòng)是由冶煉工況過(guò)程決定的,也就是說(shuō)隨著冶煉工況要求而波動(dòng)。煙氣量實(shí)際上是由燃煤量的噴入多少來(lái)決定,因此根據(jù)冶金爐窯燃燒特性類(lèi)比,煙氣中的SO2的體積百分比為0.04%～0.06%,其理論鈉基消耗量計(jì)算如下:

1.確定煙氣中SO2的單位體積量。

最小值:3 000 m3/h×0.04%=1.2 m3/h

最大值:6 000 m3/h×0.06%=3.6 m3/h

2.確定純堿理論耗量。

經(jīng)計(jì)算,Na2CO3的消耗量為:5.68～17.04 kg/h,平均值為11.36 kg/h。按環(huán)境影響報(bào)告書(shū)提供的30 m2鉍熔煉爐SO2的排放量為6.68 kg/h(平均值),經(jīng)計(jì)算,Na2CO3的消耗量為11.06 kg/h。上述二種計(jì)算方法得出的理論純堿消耗量完全吻合。

2.4 30 m2鉍熔煉爐煙氣干式鈉基正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)工藝

30 m2鉍熔煉爐煙氣干式鈉基正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)工藝如圖3所示。

30 m2鉍熔煉爐煙塵凈化系統(tǒng)設(shè)備配置見(jiàn)表3。

從圖3可知,30 m2鉍熔煉煙氣凈化系統(tǒng)由干式鈉基正交預(yù)附過(guò)濾添加系統(tǒng)、管式換熱器、淋水冷卻器、空氣冷卻器、高效布袋除塵器、預(yù)除塵器(隔板沉降室)、變頻風(fēng)機(jī)、煙囪等組成,干式鈉基正交預(yù)附過(guò)濾添加系統(tǒng)包括貯料倉(cāng)、星形減速給料機(jī)(可調(diào))、文丘里引射器、氣量調(diào)節(jié)閥、管道。干式鈉基正交預(yù)附粉料添加采用噴入式,設(shè)二路純堿噴入系統(tǒng),一路是把帶純堿氣流從空氣冷卻器的前頂部垂直噴入空氣冷卻器,另一路是把帶純堿氣流從沉降室的前頂部垂直噴入預(yù)除塵器,以形成正交預(yù)附過(guò)濾模式。每路鈉基脫硫噴入純堿加入量為10～14 kg/h,并且為均勻連續(xù)供給,要求熔煉爐在冶煉階段,兩路噴入系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)啟,熔煉爐在燜燒階段開(kāi)啟一路噴入系統(tǒng)。輸送純堿氣流是采用管式換熱器出口空氣(熔煉爐一次送風(fēng)),該空氣溫度為200℃左右,輸送氣流量4 000～5 000 m3/h,空氣冷卻器的工況溫度為300℃左右,預(yù)除塵器工況溫度為220℃左右,高效布袋除塵器濾袋濾料為耐高溫的覆膜針刺氈材料,耐溫250℃,布袋除塵器工況溫度200℃左右。

圖3 30 m2鉍熔煉爐煙氣干式鈉基正交預(yù)附過(guò)濾技術(shù)工藝圖

2.5 30 m2鉍熔煉煙氣用干式鈉基正交預(yù)附技術(shù)進(jìn)行脫硫的應(yīng)用效果

由于鉍反射爐熔煉工藝分為加料、燜燒、熔煉、放渣和出鉍等幾個(gè)階段,每個(gè)階段系統(tǒng)所需的風(fēng)量和風(fēng)壓均不相同,因而煙氣中SO2的總含量也不相同。單爐熔煉周期排風(fēng)量變化見(jiàn)表4。

考慮到脫硫過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)的不完全性,在實(shí)際操作中采取在產(chǎn)生煙氣量大的階段(熔煉階段)二路噴入系統(tǒng)同時(shí)投入使用,在產(chǎn)生煙氣量少的階段(燜燒階段)投入一路噴入系統(tǒng)使用,每路噴入系統(tǒng)噴入純堿量為10～14 kg/h。

脫硫裝置投入運(yùn)行后,熔煉爐在燜燒階段投入一路噴入系統(tǒng)使用,測(cè)得煙氣中SO2的濃度由270 mg/m3下降到52 mg/m3(平均值),熔煉爐在熔煉階段,投入二路噴入系統(tǒng)使用,測(cè)得煙氣中SO2濃度由360 mg/m3下降到68 mg/m3(平均值),煙氣中SO2脫除率超過(guò)80%,這二個(gè)階段的煙氣SO2排放濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)850 mg/m3。同時(shí),經(jīng)測(cè)算30 m2鉍熔煉爐煙氣每年SO2的排放量可減少32 t。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5、表6、表7、表8。

表3 30 m2鉍熔煉爐煙塵凈化系統(tǒng)設(shè)備配置

表4 單爐熔煉周期排風(fēng)量變化表

表5 熔煉階段中未開(kāi)啟鈉基脫硫裝置的SO2濃度

表6 燜燒階段中未開(kāi)啟鈉基脫硫裝置的SO2濃度

表7 熔煉階段中開(kāi)啟二臺(tái)鈉基脫硫裝置的SO2濃度

表8 燜燒階段中開(kāi)啟一臺(tái)鈉基脫硫裝置的SO2濃度

3 結(jié) 論

干式鈉基正交預(yù)附脫硫技術(shù)在30 m2大型鉍熔煉爐煙氣凈化中得到了成功的應(yīng)用,該技術(shù)和裝置經(jīng)過(guò)二年的運(yùn)行具有如下特點(diǎn):

1.脫硫裝置簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,操作維護(hù)方便。

2.煙氣脫硫率大于80%,SO2排放濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.吸收劑——純堿取自鉍熔煉爐熔煉工藝的熔劑,多余純堿隨煙塵返爐二次使用,煙氣脫硫成本低。

4.鉍熔煉煙氣采用干式脫硫,脫硫產(chǎn)物返爐熔煉進(jìn)入爐渣,無(wú)二次污染。

5.鉍熔煉煙氣采用干式脫硫,有價(jià)鉍煙塵得到干法捕集,有效提高了貴重金屬的回收率。

[1] 沈恒根,蘇仕軍,鐘秦.大氣污染控制原理與技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.11.

[2] 北京有色冶金設(shè)計(jì)研究院.重有色金屬冶煉設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996.11.

[4] 熊天渝.完全回收副產(chǎn)物無(wú)廢棄物的鈉基或鎂基濕法煙氣脫硫裝置[P].中國(guó)專(zhuān)利:011449284,2001-12-14.

[5] 浙江天藍(lán)脫硫除塵有限公司.分段式鈉鈣雙堿法脫硫裝置[P].中國(guó)專(zhuān)利:2007201066181,2007-02-13.

[6] 長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院,湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司.湖南柿竹園鉍冶煉改擴(kuò)建工藝設(shè)計(jì)[J].有色金屬,2007,59 (3):75-79.

Abstract:The orthogonal pre-adhered filtering technology and process of orthogonal pre-attached were analyzed, together with the analysis of the characteristics of the flue gas in bismuth smelting furnace,feasibility of the application of dry sodium-based orthogonal pre-attached desulfurization technology in bismuth smelting furnace flue gas was proposed.With the analysis of theory and results of practical application,effectiveness and practicality of the application of dry sodium-based orthogonal pre-adhered desulfurization technology in bismuth melting furnace flue gas was described.

Key words:dry sodium-based;orthogonal pre-ahered;purification;flue gas in bismuth smelting furnace

The Study of the Application of Dry Sodium-based Orthogonal Pre-adhered Purification Technology in Bismuth Smelting Furnace Flue G as

ZHU Yong-gui
(Hunan L abor Protection Institute of Nonferrous Metals,Changsha410014,China)

X701

A

1003-5540(2012)05-0048-05

2012-07-13

朱永貴(1966-),男,高級(jí)工程師,主要從事環(huán)保、暖通研究工作。