醋纖生產(chǎn)中鍋爐廢氣綜合治理技術(shù)研究進(jìn)展

江建軍 黃 驊 趙從濤 李 強(qiáng) 高 勇 鄒 建

(南通醋酸纖維有限公司，江蘇 南通 226008)

醋酸纖維簡(jiǎn)稱醋纖，是僅次于粘膠纖維的再生纖維素纖維，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。醋纖生產(chǎn)過(guò)程中主要以煤為燃料，煤的燃燒不可避免的產(chǎn)生煙塵、SOx和NOx等環(huán)境污染物。SO2在煙塵催化的作用下會(huì)形成SO3，并與NOx等發(fā)生非均相氧化反應(yīng)，最終引發(fā)硫酸型或硝酸型酸雨。NOx會(huì)進(jìn)一步引發(fā)光化學(xué)煙霧、導(dǎo)致大氣層被破壞[1]。此外廢氣中攜帶水汽和碳?xì)浠衔?，排放后易產(chǎn)生白色煙羽，進(jìn)一步導(dǎo)致污染物堆積及大氣能見度下降等問(wèn)題。目前脫硫、脫硝、脫白以及除塵技術(shù)已成為解決以上環(huán)境問(wèn)題的最主要的手段。

本文從脫硫技術(shù)、脫硝技術(shù)、脫白技術(shù)以及除塵技術(shù)四個(gè)方面對(duì)醋纖生產(chǎn)中鍋爐廢氣處理技術(shù)進(jìn)行論述，分析鍋爐廢氣排放現(xiàn)狀，比較各種處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)鍋爐廢氣處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 脫硫技術(shù)研究進(jìn)展

目前主要脫硫技術(shù)可分為干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫以及其他脫硫技術(shù)[2]。

1.1 干法脫硫技術(shù)

干法脫硫技術(shù)利用粉狀或者顆粒狀的吸附劑、催化劑等在完全干燥的環(huán)境下脫除廢氣中的硫化物。由于該脫硫過(guò)程中沒(méi)有水參與反應(yīng)，所以一般不會(huì)產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，減輕了對(duì)設(shè)備的腐蝕。目前最常見的干法脫硫技術(shù)有兩種：一種是荷電干式噴射技術(shù)，利用吸收劑與廢氣中的硫化物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行脫硫，增加了煙氣滯留時(shí)間，提高了吸收劑與SO2接觸效率，平均脫硫效率為60%～70%[3]。另一種是等離子體脫硫技術(shù)，利用電子束或者脈沖電暈產(chǎn)生的高能電子轟擊廢氣中的硫氧化物產(chǎn)生活性離子和自由基，并在脫硫過(guò)程中注入氨，使其生成硫酸銨。白敏藥等利用等離子體法產(chǎn)生的O3和O2+活性離子進(jìn)行SO2和NOx的協(xié)同脫除，1 s內(nèi)脫硫、脫硝效率超過(guò)80%和95%[4]。前者雖然操作簡(jiǎn)單，但脫硫劑用量大，脫硫效率低；后者雖然脫硫效率高，但是設(shè)備龐大、操作要求高、成本較大。

1.2 半干法脫硫技術(shù)

半干法脫硫先對(duì)鍋爐廢氣進(jìn)行濕熱蒸發(fā)預(yù)處理，然后在反應(yīng)爐中進(jìn)行脫硫。該技術(shù)同時(shí)存在氣、液、固三相，需要增加接觸面積以提高脫硫效率。目前最常見的半干法脫硫技術(shù)主要為爐內(nèi)噴鈣增濕活化技術(shù)和旋轉(zhuǎn)噴霧干燥技術(shù)[5, 6]。前者利用石灰石高溫分解得到的氧化鈣作為脫硫劑與SO2反應(yīng)生成亞硫酸鈣，脫硫效率為60%～80%。后者通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴霧方式增加脫硫劑與SO2接觸效率，脫硫效率為80%～90%，但是脫硫劑的利用率僅為65%。

1.3 濕法脫硫技術(shù)

濕法脫硫技術(shù)利用堿性溶液吸收廢氣中的SO2，分為石灰石-石膏法脫硫技術(shù)、氧化鎂脫硫技術(shù)等。石灰石-石膏法脫硫技術(shù)利用CaCO3與SO2反應(yīng)生成CaSO3，進(jìn)一步被氧化生成CaSO4，脫硫效率可達(dá)到90%，但是易發(fā)生結(jié)垢堵塞等問(wèn)題，且得到的石膏產(chǎn)物純度較低，與天然石膏相比沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。針對(duì)存在問(wèn)題，研究者在石灰石-石膏法脫硫技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了雙堿法脫硫技術(shù)，在脫硫劑中添加NaOH、Na2CO3等，提高脫硫效率的同時(shí)緩解了設(shè)備堵塞的問(wèn)題[7]。氧化鎂脫硫技術(shù)利用MgO與SO2反應(yīng)生成MgSO3，進(jìn)一步被氧化生成MgSO4，具有工藝條件簡(jiǎn)單、脫硫效率高、下游產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)[8]。王道斌等采用氧化鎂脫硫技術(shù)進(jìn)行廢氣SO2處理，脫硫效率達(dá)到95%，而脫硫劑用量?jī)H為石灰石-石膏法的40%[9]。韓昀等采用氧化鎂脫硫技術(shù)替代原先的石灰石-石膏法脫硫技術(shù)，脫硫效率提高到98.6%，同時(shí)解決了脫硫副產(chǎn)物難以處理的問(wèn)題[10]。

1.4 脫硫技術(shù)對(duì)比分析

不同脫硫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。氧化鎂濕法脫硫技術(shù)具有脫硫效率高、脫硫劑利用率高、設(shè)備腐蝕小、脫硫副產(chǎn)物商業(yè)價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。

表1 不同脫硫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2 脫硝技術(shù)研究進(jìn)展

廢氣中NOx主要為NO、NO2等，其中NO無(wú)法直接被溶液吸收，需要將其還原或者先氧化再進(jìn)行脫除。脫硝技術(shù)可分為還原法、氧化法等[11]。

2.1 還原法脫硝技術(shù)

還原法脫硝技術(shù)利用還原劑在催化劑、光或熱等條件下將NOx轉(zhuǎn)化為N2實(shí)現(xiàn)無(wú)害排放。還原法脫硝技術(shù)可分為選擇性催化還原(SCR、NH3-SCR、CO-SCR、H2-SCR)以及選擇性非催化還原(SNCR)等。

SCR法是市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的脫硝技術(shù)，最成熟的為NH3-SCR脫硝技術(shù)，利用NH3在催化劑的作用下有選擇性的將NOx還原為N2。郭林等開發(fā)了鈰基低溫SCR催化劑，該催化劑表現(xiàn)出良好的抗水抗硫性能，在100 ℃下脫硝效率高達(dá)94%[12]。CO-SCR技術(shù)利用尾氣中未被充分燃燒的CO作為還原劑，在不添加NH3的條件下實(shí)現(xiàn)CO和NOx的協(xié)同脫除。同時(shí)CO-SCR技術(shù)也避免了硫酸銨鹽的生成，提高了催化劑抗硫性能[13]。H2-SCR技術(shù)利用H2作為還原劑，最終產(chǎn)物為H2O和N2，是真正意義上的低碳排放。但是H2-SCR技術(shù)研究不夠深入，并沒(méi)有普適性的機(jī)理解釋H2-SCR脫硝過(guò)程。Qi等認(rèn)為H2和NO分別被吸附解離成H、N、O活性原子，之后相互結(jié)合生成N2和副產(chǎn)物NH3、N2O等[14]。H2-SCR催化劑的活性組分以貴金屬為主，這也一定程度提高了該工藝的成本。

SNCR技術(shù)不采用催化劑，將NOx在高溫下(900 ℃以上)與還原劑直接反應(yīng)生成N2和水，選取的還原劑為氨氣、尿素等含有氨基的物質(zhì)[15]。該技術(shù)操作簡(jiǎn)單、技術(shù)要求低，雖然在國(guó)內(nèi)起步晚，但是也被逐漸推廣。

2.3 氧化法脫硝技術(shù)

氧化法脫硝技術(shù)將廢氣中較為穩(wěn)定的NO先氧化成活潑的NO2，再將其脫除。氧化法脫硝技術(shù)可分為直接氧化法和選擇性催化氧化法。直接氧化法利用強(qiáng)氧化劑如O3、ClO2、KMnO4等將NO氧化成NO2，再進(jìn)行下一步處理。但是該方法運(yùn)行成本高，且強(qiáng)氧化劑可能腐蝕管道造成二次污染。選擇性催化氧化法利用O2為氧化劑在催化劑的作用下將NO氧化為NO2。常見的催化劑有活性炭類、分子篩類、貴金屬類及過(guò)渡金屬氧化物催化劑等[16]。Zhang等制備了YMn2O5催化劑，在310 ℃時(shí)NO轉(zhuǎn)化率為81%[17]。

2.4 脫硝技術(shù)對(duì)比分析

表2總結(jié)了不同脫硝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。選擇性催化還原脫硝技術(shù)具有脫硝效率高、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

表2 不同脫硝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

3 脫白技術(shù)研究進(jìn)展

濕法脫硫后的廢氣攜帶大量水汽，排放到空氣中會(huì)凝結(jié)成白霧狀水汽，俗稱白色煙羽。圖1為白色煙羽形成機(jī)理圖。當(dāng)廢氣排放狀態(tài)為A點(diǎn)，環(huán)境狀態(tài)為B點(diǎn)，廢氣中水分從A點(diǎn)沿著飽和曲線到達(dá)B′點(diǎn)，水分凝結(jié)形成白煙，再由B′點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)，白煙會(huì)消失。當(dāng)廢氣排放狀態(tài)為C點(diǎn)，環(huán)境狀態(tài)為D點(diǎn)時(shí)，整個(gè)過(guò)程不會(huì)有白色煙羽產(chǎn)生。這表明白色煙羽不僅和廢氣的含水量、溫度有關(guān)，也與環(huán)境溫度、濕度有關(guān)。

圖1 白色煙羽形成及消除機(jī)理圖

白色煙羽消除技術(shù)包括直接升溫技術(shù)(如AEB段)、廢氣冷卻技術(shù)(如ACB段)或者冷卻再熱技術(shù)(如ACFB段)。

煙氣升溫技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的脫白技術(shù)，具有投資少、經(jīng)濟(jì)性好、對(duì)地面污染小等優(yōu)點(diǎn)。但是該技術(shù)只是在視覺(jué)上消除了白煙，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低且換熱器功率較低時(shí)仍有白煙存在。

煙氣冷卻技術(shù)通過(guò)降溫冷凝，回收大部分水汽的同時(shí)進(jìn)一步凈化廢氣。余波等對(duì)比了煙氣升溫技術(shù)和煙氣冷卻技術(shù)的優(yōu)劣，對(duì)連鑄廢氣脫白治理，煙氣冷卻技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[18]。

冷卻再熱技術(shù)將冷卻法和升溫法結(jié)合，先將部分水分冷卻，再通過(guò)升溫實(shí)現(xiàn)脫白排放。與升溫法相比，冷卻再熱技術(shù)對(duì)熱源和環(huán)境溫度要求不高；與冷卻法相比，對(duì)冷源需求也不大。周峰等結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笈c實(shí)際工況，選擇煙氣冷卻再熱技術(shù)作為南通醋酸纖維有限公司的脫白工藝路線，在進(jìn)行煙氣脫白的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排、節(jié)水等目的[19]。

4 除塵技術(shù)研究進(jìn)展

除塵技術(shù)包括電除塵技術(shù)、袋式除塵技術(shù)、膜法除塵技術(shù)以及組合除塵技術(shù)等[20]。

4.1 電除塵技術(shù)研究進(jìn)展

電除塵技術(shù)利用靜電作用吸附細(xì)粉塵，是鍋爐廢氣粉塵處理行業(yè)應(yīng)用最廣泛的除塵技術(shù)，具有除塵效率高、速度快、耐磨損能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)靜電除塵技術(shù)針對(duì)PM2.5等小顆粒脫除效率不高。旋轉(zhuǎn)電極除塵技術(shù)與靜電除塵技術(shù)原理類似，設(shè)備由陰陽(yáng)兩極組成，兩極配有可旋轉(zhuǎn)的除塵裝置。當(dāng)附著的灰塵未達(dá)到反電暈厚度時(shí)，通過(guò)清洗刷徹底去除，防止二次污染，對(duì)粘性粉塵具有較高的去除率[21]。

4.2 袋式除塵技術(shù)研究進(jìn)展

袋式除塵技術(shù)利用纖維制作的過(guò)濾元件捕集廢氣中的粉塵以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。袋式除塵技術(shù)除塵效率高，適用于捕集干燥細(xì)小的非纖維性顆粒。布袋除塵器造價(jià)遠(yuǎn)低于靜電除塵器，其核心在于纖維材料的制備。孫雪景等結(jié)合尾氣溫度、顆粒物性質(zhì)等因素，選取聚苯硫醚纖維為濾料，將煙氣去除率提升至99.95%[22]。但是袋式除塵技術(shù)對(duì)粘性粉塵適用性差、壽命較短、而且更換布袋容易造成二次污染。

4.3 膜法除塵技術(shù)研究進(jìn)展

膜法除塵技術(shù)主要包括陶瓷膜除塵技術(shù)和有機(jī)膜除塵技術(shù)，具有除塵效率好、設(shè)備簡(jiǎn)單、易于再生等優(yōu)點(diǎn)。其中陶瓷膜除塵技術(shù)機(jī)械強(qiáng)度大、耐高溫、抗腐蝕能力強(qiáng)，但是其造價(jià)高、脆性大，需要安裝在特定殼體中。王軍等以碳化硅陶瓷膜管為過(guò)濾元件搭建的PM2.5捕集器對(duì)PM2.5去除率高達(dá)99.9%[23]。有機(jī)膜除塵技術(shù)制備材料豐富，可以通過(guò)復(fù)合的方式形成性能更高的復(fù)合纖維膜。Wang等制備的PVDF/PTFE復(fù)合納米纖維膜粉塵去除效率高達(dá)99.97%[24]。

4.4 組合除塵技術(shù)研究進(jìn)展

常見的組合技術(shù)包括電袋組合式除塵技術(shù)、旋風(fēng)分離袋式除塵組合技術(shù)等。電袋組合式除塵技術(shù)汲取了靜電除塵技術(shù)和袋式除塵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，先通過(guò)電場(chǎng)除去大顆粒的粉塵，減少進(jìn)入布袋的粉塵量，延長(zhǎng)布袋壽命的同時(shí)提高除塵效率。裴愛芳等將某燃煤電廠的舊式電除塵技術(shù)改進(jìn)成電袋組合除塵技術(shù)，不僅降低了能耗、減小了除塵器的占地面積，同時(shí)也提高了粉塵處理效率[25]。

4.5 除塵技術(shù)對(duì)比分析

表3列舉了不同除塵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。膜法除塵技術(shù)雖然除塵效率更高但是成本較高，組合除塵技術(shù)是今后除塵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

表3 不同除塵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

5 展望

(1)對(duì)于鍋爐廢氣中SO2脫除，以MgO為脫硫劑的濕法脫硫技術(shù)具有脫硫效率高、設(shè)備腐蝕小等優(yōu)點(diǎn)。在今后研究中需要優(yōu)化脫硫工藝，進(jìn)一步降低脫硫劑用量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)物高效資源化利用。

(2)對(duì)于鍋爐廢氣中NOx脫除，最常用的脫硝技術(shù)為NH3-SCR，而以H2、CO等原料氣為還原劑的技術(shù)仍然沒(méi)有大規(guī)模發(fā)展。在今后研究中需要對(duì)脫硫、脫硝協(xié)同凈化機(jī)理進(jìn)行深入研究，開發(fā)脫硫、脫硝一體化凈化技術(shù)。

(3)對(duì)煙氣脫白技術(shù)的選擇有多種方式，需要根據(jù)廠區(qū)地理位置、氣候、廢氣工況、處理成本等多種因素來(lái)選擇最合適的煙氣脫白技術(shù)。

(4)對(duì)于鍋爐廢氣中粉塵脫除，由于國(guó)家排放要求不斷提高，需要開發(fā)脫除率高、成本低的除塵技術(shù)，各種除塵技術(shù)的組合是今后的發(fā)展趨勢(shì)。