工業(yè)硅冶煉煙氣脫硫生產(chǎn)實(shí)踐

王忠順 呂 鈞 樂(lè)紹明

(芒市永隆鐵合金有限公司， 云南 德宏 678400)

0 前言

2010年，芒市永隆鐵合金有限公司(以下簡(jiǎn)稱“永隆”)新建4條15 000 kVA工業(yè)硅生產(chǎn)線，主工藝由備料、電爐熔煉、澆鑄、產(chǎn)品破碎包裝等工序組成，冶煉煙氣經(jīng)表冷器-旋風(fēng)除塵器-高溫布袋除塵處理后從煙囪排放。2011年，4條生產(chǎn)線陸續(xù)建設(shè)完成，驗(yàn)收后轉(zhuǎn)入生產(chǎn)，尾氣滿足當(dāng)時(shí)的《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 9078—1996)、《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 16297—1996)排放要求。

截止目前，我國(guó)的產(chǎn)業(yè)政策沒(méi)有對(duì)工業(yè)硅行業(yè)的相關(guān)污染物排放進(jìn)行單獨(dú)規(guī)定。工業(yè)硅行業(yè)污染物排放指標(biāo)完全按照鐵合金行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。2012年，新標(biāo)準(zhǔn)《鐵合金工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 28666—2012)發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)要求的現(xiàn)有企業(yè)大氣污染物濃度限值并不包含煙氣的硫、硝排放指標(biāo)。工業(yè)硅生產(chǎn)煙氣的硫、硝排放指標(biāo)，主要按照企業(yè)所在地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。如果企業(yè)所在地?zé)o地方標(biāo)準(zhǔn)，則參考《大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)執(zhí)行。

2019年7月，生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家發(fā)改委等四部委聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》，要求加強(qiáng)工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理，重點(diǎn)區(qū)域(京津冀及周邊地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)、汾渭平原)的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分別不高于30 mg/m3、200 mg/m3、300 mg/m3；之后云南省生態(tài)環(huán)境廳、德宏州生態(tài)環(huán)監(jiān)局陸續(xù)發(fā)布《云南省環(huán)境污染防治工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室關(guān)于印發(fā)云南省2019年大氣、水主要污染物省級(jí)重點(diǎn)減排項(xiàng)目的函》和《關(guān)于加快推進(jìn)全州硅冶煉企業(yè)脫硫建設(shè)及除塵改造工作的通知》。

基于上述背景，為了使二氧化硫、氮氧化物、粉塵等污染物排放均滿足現(xiàn)行國(guó)家及地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，2019年底，永隆對(duì)4條工業(yè)硅生產(chǎn)線進(jìn)行煙氣脫硫改造，要求顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分別不高于50 mg/m3、550 mg/m3、240 mg/m3，且綜合脫硫效率達(dá)到60%以上。

1 工業(yè)硅冶煉工藝概述

工業(yè)硅冶煉以硅石、石油焦、洗精煤、機(jī)制炭和少量木炭為原料，通過(guò)矮煙罩半封閉型15 000 kVA礦熱電爐(共4條線)，采用電熱法生產(chǎn)工業(yè)硅。主工藝流程為：原料準(zhǔn)備→洗礦→配料→加料→熔煉→精煉出爐→澆鑄→精整→破碎→包裝入庫(kù)。精洗煤、木炭、石油焦?jié)M足入爐要求后送入各自料倉(cāng)；硅石經(jīng)破碎、水洗、篩分后由皮帶輸送機(jī)送入料倉(cāng)。合格原料按工藝配比要求進(jìn)行配料，同時(shí)配入一定量的木炭，混合后加入半封閉式礦熱電爐。電能由變壓器經(jīng)三電極導(dǎo)入爐內(nèi)，產(chǎn)生電弧熱和電阻熱，硅石得以還原成工業(yè)硅。在冶煉過(guò)程中，電極應(yīng)平穩(wěn)地埋入爐料中，使氣體均勻從整個(gè)料面逸出?；靹虻臓t料隨料面的緩慢下降而小批量地加入爐內(nèi)，使?fàn)t內(nèi)料面保持一定高度，在電極周圍形成平圓錐體形狀。爐內(nèi)還原產(chǎn)生的硅水存到一定量后，用燒穿器打開(kāi)爐眼，放出硅水及爐渣，同時(shí)從包底吹入氧氣進(jìn)行精煉，之后在錠模中澆鑄。硅錠經(jīng)冷卻、初碎后，用軌道平板車運(yùn)往成品車間，經(jīng)精整、包裝、分級(jí)后入庫(kù)；爐渣經(jīng)自然冷卻后作為水泥生產(chǎn)原料外售。典型的工業(yè)硅生工藝流程如圖1所示。

圖1 典型工業(yè)硅生產(chǎn)工藝流程

脫硫改造前，硅冶煉煙氣經(jīng)除塵系統(tǒng)除塵后排放，即煙氣經(jīng)電爐上方矮煙罩進(jìn)入排塵煙道，經(jīng)冷卻器降溫后進(jìn)入旋風(fēng)除塵器除去大顆粒粉塵，然后進(jìn)入高溫布袋除塵器，最后達(dá)標(biāo)排放。備料工序產(chǎn)生的粉塵，經(jīng)集氣罩收集后通過(guò)管道引入除塵器；出硅、澆鑄產(chǎn)生的煙氣一并引入電爐煙氣收塵系統(tǒng)進(jìn)行處理。產(chǎn)品(金屬硅)破碎產(chǎn)生的粉塵，經(jīng)旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器回收金屬硅塵后達(dá)標(biāo)排放。表冷器、旋風(fēng)除塵器收下的煙塵與高溫布袋除塵器收集的塵灰(微硅粉)作為副產(chǎn)品出售，產(chǎn)品破碎除塵系統(tǒng)產(chǎn)生的粉塵(金屬硅粉)與產(chǎn)品金屬硅一起出售。產(chǎn)品金屬硅滿足《工業(yè)硅》 (GB/T 2881—2014)的性能要求，其化學(xué)成分見(jiàn)表1；副產(chǎn)品微硅粉滿足《電爐回收二氧化硅微粉》(GB/T 21236—2007)的性能要求，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 工業(yè)硅產(chǎn)品的化學(xué)成分(GB/T 2881—2014)

表2 微硅粉產(chǎn)品的化學(xué)成分(GB/T 21236—2007)

2 硅冶煉煙氣脫硫改造

2.1 脫硫改造工藝

永隆的4條工業(yè)硅生產(chǎn)線在改造之前設(shè)布袋除塵器回收副產(chǎn)品微硅粉，煙氣通過(guò)各自除塵器頂部的排氣筒排放。2019年底，永隆對(duì)4條工業(yè)硅生產(chǎn)線進(jìn)行煙氣脫硫改造，將現(xiàn)有正壓操作布袋除塵器出口煙氣分別引出，用4臺(tái)脫硫風(fēng)機(jī)提高煙氣壓力、抵償脫硫系統(tǒng)煙氣阻力，原除塵風(fēng)機(jī)正常使用。因此，永隆的4條工業(yè)硅生產(chǎn)線的除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)均為正壓操作，各自配備風(fēng)機(jī)。目前，脫硫裝置已經(jīng)運(yùn)行一年多，系統(tǒng)穩(wěn)定，煙氣壓力匹配良好。

為控制造價(jià)，脫硫裝置采用典型兩爐一塔的配置，新建兩座吸收塔，每座吸收塔處理兩條生產(chǎn)線的煙氣，脫硫后的兩股凈煙氣匯合到一座60 m高的煙囪排放至大氣。脫硫采用石灰石-石膏工藝，主要由煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、石灰石漿液制備和儲(chǔ)存系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝水、壓縮空氣等系統(tǒng)組成[1-2]。脫硫系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。其中，SO2吸收系統(tǒng)、石灰石漿液制備和儲(chǔ)存系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)是脫硫系統(tǒng)的核心。

圖2 脫硫系統(tǒng)工藝流程框圖

2.1.1 SO2吸收系統(tǒng)

從布袋除塵器出來(lái)的煙氣SO2濃度約為1 300 mg/Nm3，最高不超過(guò)2 000 mg/Nm3，采用一級(jí)脫硫吸收塔即可滿足去除煙氣中SO2的要求。煙氣經(jīng)過(guò)脫硫風(fēng)機(jī)進(jìn)入吸收塔后，90°折向朝上流動(dòng)，與自噴淋層而下的漿液進(jìn)行接觸，因液氣比較大，煙氣中的SO2被吸收漿液洗滌，并與漿液中的CaCO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[3]，生成CaSO3·1/2H2O，接著在吸收塔內(nèi)部被氧化成CaSO4·2H2O，從漿液中析出結(jié)晶。系統(tǒng)向吸收塔內(nèi)連續(xù)補(bǔ)充新鮮CaCO3漿液，同時(shí)連續(xù)外排一定量的CaSO4·2H2O漿液。

1) 吸收塔的循環(huán)系統(tǒng)配3臺(tái)循環(huán)泵，每臺(tái)循環(huán)泵與噴淋層上升管道系統(tǒng)相連接，從而保證吸收塔內(nèi)200%以上的吸收漿液覆蓋率。運(yùn)行的循環(huán)泵數(shù)量根據(jù)吸收漿液流量來(lái)選定，以達(dá)到既定的吸收效率[4]，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)煙氣流量、SO2濃度的變化調(diào)整運(yùn)行循環(huán)泵臺(tái)數(shù)。

2) 吸收塔噴淋層上部布置一級(jí)折流板除霧器和一級(jí)管式除塵器，用以脫除煙氣中煙塵和氣流中夾帶的霧滴。處理后煙氣通過(guò)60 m煙囪排向大氣。

3) 吸收塔漿液和管式除塵器在線沖洗水流入吸收塔底部，即吸收塔漿液池。通過(guò)吸收塔漿液池上3臺(tái)側(cè)入式攪拌器的攪拌，漿液池中的固體顆粒保持懸浮狀態(tài)。吸收塔底部的強(qiáng)制氧化噴槍為吸收塔提供氧化空氣，把脫硫反應(yīng)生成的CaSO3·1/2H2O氧化為CaSO4·2H2O，并生成石膏晶體[5]。2套脫硫裝置的2座吸收塔共配置3臺(tái)相同規(guī)格的氧化風(fēng)機(jī)(2運(yùn)1備)以及配套的風(fēng)道、氧化空氣噴槍等?？諝鈬姽茉O(shè)于攪拌器前側(cè)，噴入的空氣被攪拌器推動(dòng)的漿液攪碎成細(xì)小的氣泡，并隨著漿液的流動(dòng)，均勻地分散于漿液之中。

2.1.2 石灰石漿液制備和儲(chǔ)存系統(tǒng)

石灰石粉由罐車運(yùn)輸至脫硫區(qū)，通過(guò)氣力輸送至鋼制石灰石粉倉(cāng)內(nèi)，再由星形給料機(jī)、稱重給料機(jī)送至石灰石漿液箱。石灰石粉和工藝水在石灰石漿液箱內(nèi)混合，制成含固量約25%的石灰石漿液。新鮮石灰石漿液被泵送入吸收塔，補(bǔ)充的石灰石漿液量由吸收塔塔內(nèi)漿液的pH值控制。

2.1.3 石膏脫水系統(tǒng)

石膏脫水系統(tǒng)包括石膏旋流器、真空皮帶脫水機(jī)、廢水旋流器。

1) 吸收塔排出的石膏漿液進(jìn)入石膏旋流器分級(jí)，旋流器底流濃度50%左右的濃漿液流至真空皮帶脫水機(jī)。旋流器頂溢流的固含量約5%的漿液送至濾液池。

2) 真空皮帶脫水機(jī)系統(tǒng)包括1臺(tái)真空皮帶脫水機(jī)、2臺(tái)水環(huán)式真空泵、1臺(tái)氣液分離器。濃石膏漿液從石膏旋流器底流自流到真空皮帶脫水機(jī)過(guò)濾面上，經(jīng)真空脫水、洗滌后，石膏卸入石膏堆料間。脫水機(jī)的濾液經(jīng)氣液分離器后，流入濾液池中。

3) 設(shè)1臺(tái)廢水旋流器，從濾液中分離出脫硫廢水，將旋流器溢流的含塵廢水集中儲(chǔ)存到廢水箱，送至區(qū)域外處置。

2.2 脫硫系統(tǒng)改造后運(yùn)行指標(biāo)

脫硫系統(tǒng)改造前后的主要煙氣參數(shù)見(jiàn)表3，改造后的脫硫系統(tǒng)的主要消耗和產(chǎn)出見(jiàn)表4。

表3 脫硫系統(tǒng)改造前后的主要煙氣參數(shù)

表4 脫硫系統(tǒng)(兩套)主要消耗和產(chǎn)出

由表3可知，脫硫系統(tǒng)改造后，尾氣中二氧化硫排放濃度和氮氧化物排放濃度均小于150 mg/Nm3，優(yōu)于重點(diǎn)區(qū)域污染物排放要求；粉塵排放濃度小于50 mg/Nm3，達(dá)到國(guó)家及地方污染排放標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)表4核算，本次改造布袋除塵器、增加脫硫裝置后，折合每噸金屬硅增加生產(chǎn)成本約360元。

3 結(jié)束語(yǔ)

芒市永隆鐵合金有限公司作為云南德宏州最大的工業(yè)硅生產(chǎn)企業(yè)，本次環(huán)保改造的完成促進(jìn)了德宏地區(qū)的生態(tài)環(huán)境改善，對(duì)地區(qū)的工業(yè)硅生產(chǎn)企業(yè)起了良好的示范作用；在推進(jìn)硫、硝、塵排放治理進(jìn)程的同時(shí)，也為工業(yè)硅行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的制定提供數(shù)據(jù)支撐。