回轉(zhuǎn)窯煙氣SCR脫硝耦合SDS干法脫硫系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)化

周英貴

(江蘇世清環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇南京，210012)

隨著國家對大氣污染的環(huán)保排放要求越來越嚴(yán)格，鋼鐵冶金行業(yè)的煙氣治理越來越受到重視，其SO2、NOx和粉塵顆粒物在2015年的排放量分別達到173.6萬噸、104.3萬噸和357.2萬噸，占全國重點調(diào)查工業(yè)企業(yè)的排放量的比例分別為12.4%、9.6%和32.2%[1]。為減少煙氣中污染物質(zhì)的排放量，使其排放指標(biāo)滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，同時為改善當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境，很多高效的脫硫脫硝除塵技術(shù)已被應(yīng)用。

目前國內(nèi)外煙氣脫硫技術(shù)可以分為干法脫硫、半干法脫硫和濕法脫硫三大類。其中濕法脫硫主要有石灰石石膏法，會產(chǎn)生廢水和腐蝕；半干法煙氣脫硫主要有循環(huán)流化床脫硫、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫硫、NID脫硫等，系統(tǒng)故障點多，達到超低排放難度大；干法脫硫主要有電子束干法脫硫、活性炭吸附脫硫等常規(guī)方法，設(shè)備投資大[2,3]；為減少回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣中的二氧化硫、氮氧化物、粉塵污染物的排放，滿足國家環(huán)保政策的嚴(yán)格要求，太鋼集團在鎂鈣砂回轉(zhuǎn)窯煙氣環(huán)保處理項目上應(yīng)用了高效的SCR脫硝技術(shù)和SDS(Sodium bicarbonate dry powder spray)碳酸氫鈉干粉噴射脫硫技術(shù)，該工藝無廢水排放，經(jīng)SCR脫硝反應(yīng)和SDS脫硫反應(yīng)后，煙氣進入高效布袋除塵器，除塵器出口二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放濃度達到排放指標(biāo)。

本項目設(shè)計的脫硝脫硫除塵工藝是利用SCR脫硝+SDS脫硫工藝對一條鎂鈣砂Φ2.5×110m回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線的窯尾煙氣進行脫硝脫硫除塵達標(biāo)排放處理。

1 脫硫脫硝原理及流程

1.1 SCR脫硝原理

利用氨對NOx的還原功能，在催化劑的作用下將NOx(主要是NO)還原為對大氣沒有影響的N2和水。還原劑氨水，轉(zhuǎn)換方法為蒸發(fā)塔內(nèi)熱空氣直接接觸式蒸發(fā)，生成氨氣、水蒸氣和空氣的混合物，且其氨氣體積濃度控制在5%以下。

SCR工藝主要反應(yīng)方程式如下：

4NO+4NH3+O2→3N2+6H2O

(1)

4NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

當(dāng)煙氣中有氧氣時，氨消耗量與氮氧化物還原量有一對一的關(guān)系[2]。鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度350℃，可選用常用中高溫催化劑溫度，NOX脫除效率高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOX反應(yīng)。

1.2 SDS脫硫原理

從SCR反應(yīng)器脫除氮氧化物的煙氣進入空冷塔冷卻降溫，煙氣溫度從350℃降至200℃左右，達到SDS脫硫和布袋除塵器的工藝溫度要求，進入SDS反應(yīng)器的煙溫在180-220℃之間。在SDS脫硫反應(yīng)器內(nèi)噴入高活性的碳酸氫鈉超細(xì)粉，在熱煙氣環(huán)境加熱激活，顆粒發(fā)生爆米花效應(yīng)的爆漲，比表面積增加，生成活性很強的像海綿一樣的多孔微通道結(jié)構(gòu)，同時分解成Na2CO3、CO2和水，具有很高的反應(yīng)活性和吸附活性，激活前后的顆粒物理尺寸變化如圖1所示。

小蘇打激活前 小蘇打激活后

新產(chǎn)生的Na2CO3在生成瞬間有高度的反應(yīng)活性，可自發(fā)地與煙氣中的酸性污染物進行下列反應(yīng)：

2NaHCO3(S)=Na2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g)

(3)

SO2(g)+Na2CO3(s)=Na2SO3(s)+CO2(g)

(4)

部分反應(yīng)：

SO2(g)+Na2CO3(s)+O2=Na2SO4(s)+CO2(g)

(5)

副反應(yīng)：

SO3(g)+Na2CO3(s)=Na2SO4(s)+CO2(g)

(6)

2HCl(g)+Na2CO3(s)=2NaCl(s)+CO2(g)

(7)

2HF(g)+Na2CO3(s)=2NaF(s)+CO2(g)

(8)

1.3 脫硝脫硫工藝流程

鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯窯尾排出的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐換熱后，送入SCR反應(yīng)器，在催化劑的作用下，煙氣中氮氧化物與噴入的氨氣發(fā)生還原反應(yīng)，氮氧化物達標(biāo)排放。未反應(yīng)的二氧化硫和未脫除的粉塵隨煙氣經(jīng)空冷塔降溫后，引出與SDS脫硫反應(yīng)器進口煙道相連接。在SDS脫硫塔進口水平總煙道上，通過干式噴射器將研磨器磨制好的碳酸氫鈉超細(xì)顆粒噴入煙道內(nèi)。均布器設(shè)置在噴射器下游，使得碳酸氫鈉在噴入煙道內(nèi)被熱煙氣迅速加熱活化激活，生成的碳酸鈉顆粒同時完成充分均勻混合。進入脫硫塔反應(yīng)器后，活性和比表面積均增大的碳酸鈉與煙氣中污染物充分接觸，發(fā)生物理吸附、化學(xué)反應(yīng)，煙氣中的SO2，HCL等酸性氣體被高效吸收凈化。脫硫副產(chǎn)物隨煙氣進入布袋除塵器脫除凈化，布袋上的粉塵層含有未反應(yīng)器的碳酸鈉成分進行進一步的脫硫反應(yīng)和煙塵凈化。整套脫硫脫硝除塵系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 SCR脫硝+SDS脫硫除塵系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)

2.1 項目概況

煙氣的參數(shù)如表1所示。單套回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)配置一套SCR反應(yīng)器、一套空冷降溫塔、一套SDS脫硫反應(yīng)器裝置和一套布袋除塵器。系統(tǒng)裝置的窯尾煙氣處理能力達到60000Nm3/h。煙氣經(jīng)凈化處理后，NOx≤150mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3，粉塵顆粒排放濃度≤10mg/Nm3。

表1 鎂礦砂窯尾煙氣參數(shù)條件

2.2 SCR脫硝系統(tǒng)組成

SCR脫硝系統(tǒng)構(gòu)成包括如下內(nèi)容：

(1)煙氣系統(tǒng)：包括SCR反應(yīng)器、催化劑、整流格柵、導(dǎo)流板、噴氨格柵、煙道。

(2)氨水蒸發(fā)系統(tǒng)：包括氨水蒸發(fā)塔、空氣/煙氣換熱器、聯(lián)箱、氨氣分配系統(tǒng)。

(3)催化劑吹掃系統(tǒng)：包括聲波吹灰器和壓縮空氣管路及附件。

(4)氨水儲存供應(yīng)系統(tǒng)：包括卸氨模塊、氨水罐、呼吸罐、輸送模塊、計量模塊和霧化噴槍。

2.3 SDS脫硫除塵系統(tǒng)組成

SDS脫硫系統(tǒng)構(gòu)成包括如下：

(1)高效研磨系統(tǒng)：包含碳酸氫鈉儲倉、星型給料器、中間粉倉、螺旋輸送計量裝置、高效研磨器、離心風(fēng)機、氣力輸送管道等。

(2)脫硫煙氣系統(tǒng)：包括煙道、文丘里噴射段、導(dǎo)流板、脫硫反應(yīng)器、布袋除塵器等。

(3)碳酸氫鈉噴射裝置：噴射器、均布器。

煙氣經(jīng)余熱鍋爐降溫后進入SCR脫硝反應(yīng)器，氨水蒸發(fā)器的熱源是利用SCR出口煙道內(nèi)的管式換熱器升溫加熱，在蒸發(fā)塔內(nèi)熱空氣與氨水直接接觸式蒸發(fā)稀釋，產(chǎn)生的氨氣經(jīng)噴氨格柵均勻和煙氣混合后，在催化劑作用下，與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)生成氮氣和水，脫硝后的煙氣經(jīng)過空冷塔降溫后引接至SDS脫硫塔入口煙道。

SDS系統(tǒng)中所用的脫硫劑經(jīng)超細(xì)粉磨機研磨制成<10um的細(xì)粉(通過率97%)，且其中小于3um的細(xì)粉占40%左右，比表面積大。系統(tǒng)運行過程中的脫硫劑用量為150kg/h,脫硫劑的過量系數(shù)為1.05。

進入布袋除塵器進一步脫硫和除塵，煙氣速度降低到0.7m/min以下。在布袋除塵器內(nèi)，吸附在濾料表面未反應(yīng)的脫硫劑繼續(xù)同煙氣中的酸性污染物發(fā)生反應(yīng)，煙氣中的酸性污染物成分含量進一步降低。最后，經(jīng)過布袋除塵過濾后的凈煙氣被引風(fēng)機引出，送入煙囪排放。

3 運行效果分析

3.1 脫硝的影響因素分析

脫硝用催化劑采用的是中高溫催化劑，具有反應(yīng)溫度窗口寬、二氧化硫轉(zhuǎn)化率和氨的逃逸率低、抗硫性好、脫硝效率高、比表面積大、結(jié)構(gòu)強度高、壽命長等特點。回轉(zhuǎn)窯煙氣溫度為320℃-350℃，處于催化劑窗口溫度區(qū)間的高效區(qū)，在入口煙氣中氮氧化物濃度為4300mg/Nm3的條件下，SCR反應(yīng)器出口氮氧化物濃度以接近100mg/Nm3的高效脫除。反應(yīng)器空塔設(shè)計煙氣流速不大于3.5m/s，保證了催化劑小孔通道的沖刷跑灰能力，同時也控制了催化劑層的壓力損失，單層催化劑壓差損失不大于180Pa。

3.2 煙氣溫度對脫硫的影響

煙氣溫度是SDS脫硫過程是一個重要的影響因素。一般情況下，NaHCO3在50℃以上開始逐漸分解，生成Na2CO3、CO2和水，270℃時完全分解，煙氣溫度在140℃和250℃窗口區(qū)間具有高度活性[4]，通常略微過量的碳酸氫鈉就能自發(fā)完全地與煙氣中的酸性污染物進行化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)窯尾煙氣上升到140℃以上時，脫硫效率達到96%，煙氣溫度在200℃左右時，脫硫效率達到97%以上，當(dāng)溫度小于140℃，脫硫效率下降明顯。

3.3 煙氣負(fù)荷對SDS脫硫的影響

進入脫硫塔的煙氣量降低，塔內(nèi)的煙氣流速降低，脫硫劑在塔內(nèi)的停留時間延長，強化了低負(fù)荷工況下煙氣中的二氧化硫的脫硫反應(yīng)效果，脫硫效率相對提高，根據(jù)測試分析，在煙氣負(fù)荷為55%時，脫硫效率接近98%；煙氣負(fù)荷為82%時，脫硫效率接近97.2%；在煙氣負(fù)荷為100%時，脫硫效率接近97%。

3.4 不同噴射位置對脫硫的影響

碳酸氫鈉通過壓縮空氣噴入煙道內(nèi)，在均布裝置的湍流強混下，與煙氣均勻混合，使得脫硫塔截面上的顆粒濃度分布偏差在合理范圍內(nèi)。同時為了對比在脫硫塔體上噴射加入脫硫劑的脫硫效果，本項目脫硫塔裝置在脫硫塔體的文丘里擴散出口段設(shè)計脫硫劑加料接口，如圖3所示。

圖3 不同脫硫劑加料位置示意圖

圖3中列出2種方案，第一種為在塔入口水平煙道設(shè)置加料口和均布器；第二種為在脫硫塔文丘里出口段塔體上設(shè)置加料口。在煙氣負(fù)荷接近100%時，脫硫效率分別為98.1%、和83%。結(jié)果表明，在脫硫塔體上加入碳酸氫鈉，脫硫效率低；在塔入口煙道上加入脫硫劑，脫硝效率高；主要原因是：(1)在塔入口煙道噴入脫硫劑，因均布器、塔底文丘里段的紊流和噴射作用，強化了脫硫劑與煙氣的均勻混合，脫硫效率更高；(2)在塔體上噴入脫硫劑，在塔內(nèi)紊流擴散和混合不強，分布均勻性較差，即使出脫硫塔后，未反應(yīng)完的脫硫劑顆粒在布袋除塵器的不同區(qū)域布袋上，沉積的灰分中脫硫劑含量也有差異性，導(dǎo)致脫硫效率降低。

3.5 布袋除塵器對脫硫的影響

脫硫副產(chǎn)物隨煙氣進入布袋除塵器，大量的粉塵聚集粘附在布袋上，形成一層粉塵層，粉塵層中含有未反應(yīng)完的脫硫劑，煙氣在經(jīng)布袋除塵器過濾的過程中，吸附在濾料表面的脫硫劑繼續(xù)同煙氣中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，煙氣中的酸性物質(zhì)含量進一步降低。

4 項目實施問題分析

4.1 催化劑使用應(yīng)注意的問題

堿金屬與催化劑表面接觸，會使催化劑活性降低。本項目還原劑為氨水，氨水中含有堿金屬鹽成分，應(yīng)選用堿金屬含量低的合格品質(zhì)氨水；脫硝裝置內(nèi)應(yīng)避免水蒸氣凝結(jié)，凝結(jié)在催化劑上的水會將飛灰中的有毒物(堿金屬，鈣，鎂)轉(zhuǎn)移到催化劑上，從而導(dǎo)致催化劑失活[5]，在運行過程中需保持氨水蒸發(fā)后溫度高，避免不利因素；飛灰沉積會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)流場惡化，需優(yōu)化煙氣流程，設(shè)置導(dǎo)流板和煙氣整流格柵，安裝吹灰設(shè)備，催化劑入口頂端采用硬化技術(shù)，改善催化劑磨損；硫及硫銨鹽是造成催化劑堵塞的另一個主要原因，煙溫250℃以下，很容易形成硫銨鹽，不僅堵塞催化劑微孔，而且會造成下游換熱設(shè)備的粘污，本方案設(shè)計最低運行溫度280℃。

4.2 節(jié)能氨水蒸發(fā)系統(tǒng)的運行

常規(guī)氨水蒸發(fā)熱源一般用蒸汽或電加熱，空氣加熱至180℃-200℃后，與霧化氨水液滴直接接觸式加熱蒸發(fā)，本項目在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)計了盤管換熱裝置，節(jié)省能耗和降低故障率，離心風(fēng)機把空氣升壓后送入下部聯(lián)箱管，煙氣在盤管內(nèi)加熱后匯集于上部聯(lián)箱管后送至蒸發(fā)塔蒸發(fā)氨水，產(chǎn)生的氨氣和水蒸氣，經(jīng)熱空氣稀釋后送入噴氨格柵。

圖4 新型氨水蒸發(fā)系統(tǒng)

4.3 脫硫劑的研磨

SDS干法脫硫系統(tǒng)要保證有比較高的脫硫效率，碳酸氫鈉的顆粒粒徑是關(guān)鍵，經(jīng)超細(xì)粉磨機研磨制成<10um的細(xì)粉(通過率97%)，可達到比較高的脫硫效率，超細(xì)的粉塵研磨，對研磨機的要求比較高，本項目選擇了進口品牌帕爾曼高效研磨機，并設(shè)計了防止研磨板結(jié)的加藥自動沖洗系統(tǒng)，連續(xù)加入一定量的潤滑藥劑，保證了研磨機穩(wěn)定連續(xù)工作。

4.4 脫硫劑的均勻分布

由3.3節(jié)可知，脫硫劑在塔入口水平煙道段噴入，且在其下游段設(shè)置均布裝置，脫硫效果最好。脫硫劑顆粒在脫硫塔截面上的均勻分布與噴射器、均布裝置有關(guān)，為了獲得較好的效果，借鑒了專利號CN201949798[6]設(shè)計思路并做了優(yōu)化，開發(fā)了多組X型渦流混合器，如圖5所示。

圖5 多組分布X型渦流混合器示意圖

4.5 脫硫灰的有效處理

與其他干法脫硫方法相比，SDS系統(tǒng)的脫硫劑用量少，因此脫硫副產(chǎn)物少。副產(chǎn)物中Na2SO4所占比例很高，便于綜合利用[7]。副產(chǎn)物為干態(tài)粉狀料，其中，Na2SO4質(zhì)量約占總質(zhì)量的90%，Na2CO3質(zhì)量約占總質(zhì)量10%。可用范圍包括：(1)摻入水泥作添加劑;(2)在玻璃生產(chǎn)中代替純堿;(3)用作尾礦固化劑的生產(chǎn)原料；(4)在造紙工業(yè)中用于制造硫酸鹽紙漿時的蒸煮劑;(5)在化學(xué)工業(yè)中用作制造硫化鈉的原料;(6)在紡織工業(yè)中用于調(diào)配維尼綸紡絲凝固劑等。這些應(yīng)用中，除(1)和(3)項對純度要求不高，其他各項應(yīng)用均需要比較好的脫硫副產(chǎn)物純度，因此進入SDS脫硫塔反應(yīng)器入口的煙氣粉塵濃度越低，脫硫副產(chǎn)物利用價值越高。

5 結(jié)論

SCR脫硝+SDS脫硫除塵能同時使系統(tǒng)達到NOx、SO2和粉塵達標(biāo)排放。在SCR反應(yīng)器內(nèi)布置空氣/煙氣換熱器加熱空氣，不僅節(jié)能，且運行簡單。脫硫塔底部煙道布置脫硫劑噴射口和均布器，保證了碳酸氫鈉在熱煙氣中激活的同時，也有利于提高碳酸鈉顆粒在脫硫塔截面上的分布均勻性，提高脫硫效率；同時布袋上的粉塵層有未反應(yīng)的脫硫劑，在除塵過濾的過程中，吸附在濾料表面的脫硫劑繼續(xù)同煙氣中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，進一步提高脫硫效率，獲得如下結(jié)論：

(1)SCR脫硝+SDS脫硫工藝效率高，能夠滿足目前的超低排放限值要求，且系統(tǒng)全干態(tài)運行，無需防腐，沒有廢水排放問題。

(2)新型氨水蒸發(fā)器利用了煙氣余熱，降低了系統(tǒng)中空冷塔的負(fù)荷，降費節(jié)能，且運行簡單。

(3)煙氣溫度對脫硫效率有直接影響，當(dāng)溫度低于140℃，脫硫效率下降明顯，當(dāng)溫度上升到200℃左右時，脫硫效率高。

(4)脫硫劑加料最佳位置在脫硫塔入口煙道設(shè)置，加料口下游煙道安裝均布器，脫硫效率高。