隧道窯尾氣脫硫脫硝除塵工藝改造及分析

歷彥平

(遼寧中鎂高溫材料有限公司，遼寧 營口 115100)

隨著我國對環(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提高，國家一直在提倡綠色環(huán)保發(fā)展。作為中國最主要的鎂質(zhì)耐火材料生產(chǎn)基地的遼寧省也同樣面臨著綠色發(fā)展的問題。截至2018年初，遼寧省有鎂質(zhì)耐火材料生產(chǎn)企業(yè)800余家，高溫窯爐3600余條(座)，其中耐火磚燒成用的隧道窯100余條[1]。這些隧道窯中絕大多數(shù)燒成溫度均在1400 ℃以上，有約20%的隧道窯燒成溫度甚至在1800 ℃以上。如此高的溫度下，氮氧反應(yīng)劇烈，燃料中的S成分也被充分氧化，生成大量的SO2、NOx。2018年以前，鎂質(zhì)耐火材料行業(yè)落后產(chǎn)能較多，窯爐尾氣無組織排放現(xiàn)象嚴(yán)重，而大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)相對寬松[2]。以上針對此種狀況，遼寧省2018年出臺了一則針對鎂質(zhì)耐火材料工業(yè)窯爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。該標(biāo)準(zhǔn)對隧道窯尾氣中的固體顆粒物、SO2、NOX的濃度做出了明確要求，同時限期所有相關(guān)企業(yè)窯爐排放物必須達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)要求。在此背景下遼寧營口某耐火材料企業(yè)超高溫隧道窯進(jìn)行了脫硫脫硝及除塵系統(tǒng)升級改造。

脫硫、脫硝及除塵分分別采用：干法脫硫、SCR法脫硝及布袋除塵的方式，具體工藝如下。

1 干法脫硫工藝

煙氣脫硫系統(tǒng)采用小蘇打干法脫硫工藝，主要反應(yīng)原理如下：

隧道窯出口煙氣首先進(jìn)入脫硫塔，與噴入塔內(nèi)的脫硫劑和少量吸附劑循環(huán)混合，形成沸騰床體，煙氣和物料處于強(qiáng)烈紊流狀態(tài)，經(jīng)過復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)及化學(xué)吸收等物理化學(xué)過程后煙氣中的二氧化硫得以有效去除。當(dāng)SO2原始濃度≤700 mg/Nm3時，SO2排放指標(biāo)<30 mg/Nm3。

2 布袋除塵工藝

除塵設(shè)備采用布袋除塵器，當(dāng)除塵器進(jìn)口煙氣中顆粒物的含量不大于3000 mg/Nm3時，可做到煙囪排放出口煙氣中顆粒物濃度<10 mg/Nm3。主要工藝參數(shù)見表1所示。

表1 布袋除塵器主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

3 低溫SCR脫硝工藝

本工程采用低溫SCR脫硝工藝[4]，當(dāng)NOx原始濃度≤600 mg/Nm3時，可以做到NOx排放指標(biāo)<100 mg/Nm3。本工程設(shè)置一套低溫SCR脫硝反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)催化劑采用3+1設(shè)置方式，采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中低溫蜂窩式催化劑，立式布置。

3.1 低溫SCR脫硝反應(yīng)原理

還原劑尿素溶液經(jīng)壓縮空氣霧化后由雙流霧化噴槍噴入干法脫硫設(shè)備入口前煙道，經(jīng)脫硝反應(yīng)器頂部整流格柵作用后與煙氣均勻混合進(jìn)入反應(yīng)器催化劑層進(jìn)行脫硝反應(yīng)。低溫SCR脫硝反應(yīng)機(jī)理為尿素溶液在反應(yīng)器內(nèi)分解為氨氣，NH3在一定的溫度條件和催化劑的作用下，有選擇性地把煙氣中的NOx還原為N2，主要反應(yīng)方程式如下：

脫硝反應(yīng)過程中存在以下副反應(yīng)：

NH3的氧化及分解反應(yīng)：

銨鹽的產(chǎn)生反應(yīng)：

3.2 低溫SCR脫硝工藝系統(tǒng)主要組成

低溫SCR脫硝工藝系統(tǒng)主要由還原劑儲存及供給單元、SCR反應(yīng)器系統(tǒng)、空壓站系統(tǒng)以及煙道系統(tǒng)等部分組成。

3.2.1 還原劑儲存及供給單元

本工程采用尿素溶解罐將配置好的尿素溶液作為脫硝還原劑，通過尿素溶液泵輸送至脫硝反應(yīng)器內(nèi)。本工程配置2臺尿素輸送泵(1用1備)，尿素輸送泵為耐腐蝕不銹鋼材質(zhì)，利用現(xiàn)場余熱加熱尿素溶液。

3.2.2 SCR反應(yīng)器系統(tǒng)

SCR反應(yīng)器系統(tǒng)主要包括反應(yīng)器、催化劑、吹灰器、尿素溶液噴射系統(tǒng)等。

(1)反應(yīng)器

反應(yīng)器本體鋼板材質(zhì)為Q345B，配套爬梯平臺框架等附屬設(shè)施材質(zhì)Q235B，反應(yīng)器本體巖棉保溫150 mm，保溫外敷保溫彩板0.5 mm。反應(yīng)器頂部設(shè)置整流格柵，以保證還原劑與煙氣的充分混合。通過優(yōu)化設(shè)計使煙氣流經(jīng)反應(yīng)器阻力做到盡可能小，脫硝裝置系統(tǒng)內(nèi)總阻力小于1000 Pa，反應(yīng)器設(shè)計成煙氣豎直向下流動。同時反應(yīng)器內(nèi)部各類加強(qiáng)板、支架均設(shè)計成了不易積灰的型式，同時也充分考慮了熱膨脹的補(bǔ)償措施。為了便于操作檢修反應(yīng)器設(shè)置了足夠大小和數(shù)量的人孔。

(2)催化劑

本工程選用應(yīng)用最為成熟廣泛的V2O5/TiO2蜂窩式催化劑[5]，采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

(3)吹灰器

吹灰器用來定期吹掃催化劑模塊表面的積灰，以防止催化劑因積灰堵塞和中毒現(xiàn)象的發(fā)生，是確保催化劑性能和使用壽命的關(guān)鍵設(shè)備。

(4)還原劑噴射系統(tǒng)

還原劑尿素溶液通過輸送泵輸送至脫硫煙道前的雙流霧化噴槍，經(jīng)壓縮空氣充分混合后霧化噴入脫硫塔前入口煙道內(nèi)。

3.2.3 空壓站系統(tǒng)

空壓站系統(tǒng)為本工程煙氣治理系統(tǒng)的公用部分，設(shè)置1套空壓機(jī)系統(tǒng)，向本工程煙氣治理系統(tǒng)提供所需要的吹掃壓縮空氣源及儀表用氣。

3.2.4 煙道系統(tǒng)

SCR脫硝煙道系統(tǒng)主要由煙道、膨脹節(jié)以及引風(fēng)機(jī)等組成。

煙道采用碳鋼制作，煙道設(shè)計的最小承受壓力±6000 Pa，煙道設(shè)計充分考慮了煙道自重、風(fēng)荷載、積灰、地震、腐蝕、內(nèi)襯及保溫等。煙道支吊架的部件通過進(jìn)行強(qiáng)度計算，證實其設(shè)計安全可靠。通過合理的設(shè)計，膨脹節(jié)在各種工況條件下均能吸收設(shè)備和管道的軸向和側(cè)向位移，在此膨脹節(jié)設(shè)計的保護(hù)下，設(shè)備和管道可以免受損害和變形，并保持100%的氣密性。SCR脫硝塔及進(jìn)口煙道巖棉保溫200 mm，出口煙道巖棉保溫100 mm，外護(hù)彩鋼板0.5 mm。

4 電氣系統(tǒng)

4.1 電氣系統(tǒng)的主要設(shè)計原則

(1)自動化程度，整套系統(tǒng)采用PLC控制，并保證各項排放指標(biāo)等達(dá)到自動控制要求，控制系統(tǒng)留有與在線監(jiān)測系統(tǒng)的接口。儀表和控制設(shè)備在設(shè)計選型時已充分考慮最大限度的兼容性、可靠性、可控性和便于維修性。

(2)煙氣凈化系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)和相關(guān)單體設(shè)備的啟/?？刂啤⑴c尾氣在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的適應(yīng)性調(diào)整、以及異常事故工況的處理等，均可通過PLC系統(tǒng)監(jiān)測及控制來完成。

(3)控制和監(jiān)測設(shè)備充分考慮現(xiàn)場的實際使用工況，有良好的性能，以便于整個裝置安全無故障運(yùn)行和監(jiān)視，并應(yīng)符合相關(guān)的防腐防水等要求。

4.2 電氣系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容

本工程煙氣超低排放治理系統(tǒng)的電氣部分主要包括：配電系統(tǒng)、電氣控制與保護(hù)、照明等。

5 主要設(shè)備清單

表2 工藝系統(tǒng)設(shè)備清單

表3 電氣系統(tǒng)設(shè)備清單

表4 控制系統(tǒng)設(shè)備清單

6 整個隧道窯煙氣脫硫脫硝除塵工藝流程

隧道窯煙氣從窯頭排煙機(jī)通過管道首先連接到脫硫塔進(jìn)行干法脫硫，脫硫后的煙氣被送往布袋除塵器除去煙氣中的顆粒物，最后經(jīng)過SCR脫硝裝置脫硝后，排放到大氣中。工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硫脫硝及除塵系統(tǒng)工藝流程圖

7 整個隧道窯煙氣脫硫脫硝除塵系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果

本工程安裝調(diào)試完畢后，取2019年11月1～7日在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過圖2可以看出，三項污染物：固體顆粒物、SO2、NOX的濃度均處于相對較低的水平。完全滿足了本省的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)[1]。

圖2 脫硫脫硝除塵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后煙氣有害物數(shù)據(jù)

8 整個隧道窯煙氣脫硫脫硝除塵系統(tǒng)的運(yùn)行成本分析

本系統(tǒng)日運(yùn)行成本如表5所示。

表5 脫硫脫硝除塵系統(tǒng)日運(yùn)行成本分析

按照日產(chǎn)耐火磚300噸計算，耐火磚尾氣處理方面噸磚成本約為31元。

9 結(jié) 論

(1)該耐火材料公司通過以上工藝系統(tǒng)的改造，隧道窯尾氣中的NOX、SO2及固體顆粒物得到了有效的控制，達(dá)到了環(huán)保部門的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)通過觀察運(yùn)行數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，處理后的隧道窯尾氣殘留有害物始終處于可控狀態(tài)。

(3)普通堿性耐火磚的噸磚制造費用約為1400元左右，該系統(tǒng)的噸磚運(yùn)行成本約為31元，占總制造費用的2%左右，未造成制造費用大幅上漲，處于可接受范圍內(nèi)。

(4)綜合以上信息，采用上述工藝進(jìn)行隧道窯尾氣脫硫、除塵及脫硝，在排放物合規(guī)性、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及運(yùn)行成本經(jīng)濟(jì)性方面均能滿足實際使用的要求，本次改造采用的工藝合理合規(guī)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。