脫硫灰燒制陶粒裝置煙氣處理工藝

靖汪建 鄭啊團 孫軍軍

（中鋼集團天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖北武漢 430205）

0 引言

在干法或半干法脫硫的脫硫灰研究和應用方面，除用于制作加氣混凝土砌塊、復配礦渣微粉、瀝青混合料、防水卷材填料等之外［1］，將脫硫灰制備陶粒作為建筑材料、水處理濾料、吸附劑以及無土栽培的培養(yǎng)基等，也有前人進行了一些實驗和研究［2-4］，并逐漸得到推廣。

與常規(guī)建筑陶瓷行業(yè)的廢氣不同，對于采用脫硫灰作為原料的陶粒燒制回轉窯工藝，其窯后廢氣采用集中處理的方式，同時煙氣還具有含SO2、灰塵、NOx等污染物濃度高的特點。雖然在多種行業(yè)，脫硫脫硝除塵技術有成熟的經驗和工程應用，但是針對脫硫灰燒制陶粒回轉窯的煙氣處理工藝，目前尚未有相關的文獻和公開技術提供參考。因此，在其煙氣處理過程中，如工藝路線選擇不合理、選材不當等問題發(fā)生，容易造成不必要的經濟損失。

為解決此類工程煙氣環(huán)保處理問題，本文針對脫硫灰燒制陶粒的煙氣特點，結合陶粒燒制的主生產要求，設計并提出了一套合理的煙氣處理工藝，以期為類似工程提供重要的參考價值。

1 概述

新疆某企業(yè)擬以循環(huán)流化床鍋爐的脫硫灰作為原料，并配以一定比例的黏土、頁巖等其他材料，采用天然氣作為燃料，以回轉窯的方式進行陶粒燒制。該窯尾排放煙氣具有以下特點：

1）污染物SO2濃度很高。亞硫酸鈣在陶粒燒制過程中二次分解，與燃燒廢氣混合后，導致煙氣中SO2質量濃度偏高，最高時可達4×104mg/m3。

2）粉塵顆粒物濃度高，灰塵質量濃度最高可達3×104mg/m3。

3）采用的燃料為天然氣，其污染物NOx質量濃度最高可達600 mg/m3。

4）排煙溫度高。窯尾煙氣出口煙氣溫度最高可達850 ℃。

5）煙氣中SO3含量較高，最高時達到775 mg/m3。當煙溫低于酸露點以下時，將對煙道以及與煙氣接觸的設備造成腐蝕。

除達到環(huán)保指標外，煙氣余熱回收再利用于生產過程中的烘干需求；且環(huán)保裝置不設煙氣旁路，能適應主廠不同負荷的工況，能夠在最大和最小污染物濃度之間的任何值下運行。

2 煙氣處理工藝路線的合理性選擇

根據前述，環(huán)保裝置要具備更高的可利用率和穩(wěn)定性，在環(huán)保工藝路線選擇方面需要考慮以下幾點：

1）考慮煙氣中污染物濃度高的特點，慎重選擇合理高效的環(huán)保工藝，達到環(huán)保指標要求的同時能夠節(jié)能降耗。

2）考慮煙氣的高硫、高灰易造成設備腐蝕、堵塞、磨損等問題，在設備選型方面宜慎重選擇或采取措施，以避免或降低此類影響。

3）利用煙氣溫度高的特點，合理采用余熱回收方式，同時兼顧生產和環(huán)保裝置等各處理段的溫度需求，從而保證生產穩(wěn)定運行。

因此，根據煙氣的特點，首先對煙氣中SO2的脫除首選高效率的石灰（石）-石膏濕法脫硫工藝；其次，在煙氣處理過程中，選用合適的煙氣溫度段，采用高效的SCR脫硝工藝；對于高溫煙氣的除塵，采用耐高溫的除塵器。

根據企業(yè)需求，煙氣余熱回收采用對新鮮冷空氣進行換熱，用于陶粒燒制工段料球、黏土烘干的熱源，以節(jié)能降耗。因此，烘干用空氣因當地冬夏兩季極端溫度的變化，將會影響到生產和煙氣處理工藝的運行穩(wěn)定性。

在煙氣處理工藝路線中，SCR 裝置的穩(wěn)定運行是一個關鍵。為保證脫硝效率，SCR 裝置的入口煙氣溫度控制在370℃以上。因此，結合煙氣余熱利用，煙氣治理路線設計時，在陶粒窯出口處加裝第一級換熱器（高溫換熱器）用于冷空氣的二次加熱，陶粒窯的出口煙溫850 ℃經過高溫換熱器降溫至約370 ℃送入SCR 裝置?？紤]到系統(tǒng)的除塵要求及煙氣的性質，將除塵器布置在SCR裝置之前，避免除塵器受低溫腐蝕的同時，可以凈化SCR 運行環(huán)境。煙氣經過除塵脫硝后進入第二級換熱器（中溫換熱器）用于冷空氣的一次加熱，換熱后的煙氣溫度控制在酸露點以上，最后進入濕法脫硫裝置達標排放。煙氣處理工藝的基本流程如下：陶粒窯→高溫換熱器→除塵裝置→脫硝裝置→中溫換熱器→增壓風機→脫硫裝置→煙囪。空氣側流程如下：冷風機→中溫換熱器→高溫換熱器→烘干設施。總流程如圖1 所示。

圖1 陶粒燒制窯煙氣處理系統(tǒng)

3 設備的合理性選擇

3.1 換熱系統(tǒng)的設備選型

換熱系統(tǒng)是將煙氣余熱回收將空氣加熱后用于黏土、陶粒燒制烘干段。為保證烘干效果，其中料球烘干的溫度控制在220 ～250 ℃，黏土的烘干溫度控制在220 ℃以上。正常情況下，空氣和煙氣的溫度波動可通過對應的風機調整，從而保證運行穩(wěn)定。但在生產過程中，煙氣溫度的波動有時會隨著物料的投入量而變化，空氣溫度則受到環(huán)境溫度變化的影響。因此，為降低回轉窯不同負荷工況以及環(huán)境氣溫對生產的影響，分別在中溫換熱器和高溫換熱器設置空氣旁路調節(jié)系統(tǒng)，同時空氣冷風機采用變頻風機。

將空氣旁路分級溫度調控和空氣冷風機變頻調控相結合，在滿足料球和黏土烘干的溫度條件下，通過調節(jié)高、中低溫換熱器煙氣側的溫度，以控制除塵脫硝脫硫煙溫條件，保證環(huán)保裝置的穩(wěn)定運行。

此外，設備選型方面需要注意以下事項：

1）冷風機的選型要充分考慮到不同工況和極端大氣條件下能夠滿足空氣流量和系統(tǒng)風壓的運行需求。

2）高溫換熱器要考慮高溫、高硫、高塵的煙氣工作環(huán)境，采用耐高溫、防磨、防腐的材料；材料的選用要考慮在高溫工況下的膨脹而引起的變形，并采取有效措施避免換熱器因熱脹冷縮受損；為有效防止內部的“串煙”現象，換熱器煙氣和空氣在各自獨立的通道中通行；高溫換熱器同時考慮到長期運行過程中可能出現的堵灰及清灰問題。

3）由于中溫換熱器放置在SCR 脫硝后，需要考慮冬季極端溫度或生產低負荷狀況下煙氣溫度過低時的硫酸氫銨堵塞；同時材質上要考慮煙氣酸露點以下時對煙氣接觸部位的腐蝕。

針對以上情況，在設計過程中，換熱系統(tǒng)和設備的選型采取的措施如下：

1）冷風機的選型以當地冬季平均氣溫為空氣入口溫度，以料球和黏土烘干裝置均運行情況下的氣量為設計空氣量；同時兼顧當地極端氣溫下，能夠單獨滿足料球或黏土的烘干需求。

2）正常情況下，空氣調節(jié)旁路的設計可滿足不同工況和氣候變化的溫控要求。但通過核算，該系統(tǒng)的熱量較為富裕。因此，特殊情況下，在保證環(huán)保裝置安全運行的同時，也可增設空裝置將空氣排空處理作為一種調節(jié)手段。

3）高溫換熱器選型中，與煙氣接觸的換熱板材質選擇耐高溫、耐腐蝕的不銹鋼310 S；結構上采用26 mm 的大通道板間距；布置上采用煙氣流向從上向下直通，空氣側采用水平進出，雙流程的方式。換熱板片采用表面光滑的板片形式以減低積灰結垢風險；板片厚度略高于常規(guī)選擇，選擇1.5 mm 的厚度，以應對煙氣的高溫變形、磨損等問題；為防止高塵煙氣對本體及焊縫的磨損，在煙氣側進口處設置防磨損夾條；為吸收高溫工況下膨脹引起的變形，換熱板采用彈性管板。同時在高溫換熱器的煙氣側上下段均設置吹灰裝置，防止換熱器積灰。

4）不同于高溫換熱器，由于中溫換熱器處于除塵器后，其煙氣中灰塵顆粒質量濃度低于20 mg/m3，灰塵對換熱器的堵塞和磨損狀況較輕。但中溫換熱器設置在SCR 脫硝后端，設計時須考慮到硫酸氫銨的堵塞以及煙溫低于酸露點以下時對設備的腐蝕。

根據中溫換熱器的入口煙氣成份，其中煙氣中水蒸汽體積分數為13.14%；SO3質量濃度最高達到775 mg/m3；根據相關文獻［5］，通過計算，換熱器出口煙氣酸露點溫度約160℃。對于SCR 脫硝，硫酸氫銨的沉積在230℃以下較為明顯［6］。因此，為保證換熱器及增壓風機等后端設備在酸露點及硫酸氫銨的露點以上運行，降低腐蝕風險，中溫換熱器出口煙溫設計時控制在250℃以上。

系統(tǒng)運行操作上，脫硝裝置在保證脫硝達標的同時，通過精細調節(jié)控制噴氨量，以減少硫酸氫銨生成量；同時考慮定時或定期通過換熱器空氣側的旁路調節(jié)，提高煙氣溫度對硫酸氫銨進行熱解。其采用的措施是利用黏土烘干工段結束的時間段，將中溫換熱器出口煙氣溫度提高至360 ℃以上，對硫酸氫銨進行加熱分解處理。

考慮以上因素，結構上中溫換熱器采用全焊接式大通道板式換熱器；材質上為降低腐蝕隱患，中溫換熱器采用分段設計，前端高溫段（310 ℃以上）采用2205 不銹鋼材質的板式，后端低溫段（310 ℃以下）采用耐防腐的碳化硅管式。

3.2 除塵系統(tǒng)的設備選型

根據前述，煙氣除塵設置在高溫換熱器之后，采用的高溫除塵器，設計出口粉塵質量濃度≤10 mg/m3，粉塵過濾效率高達99.97%。該段煙氣溫度約380℃，除塵器采用金屬濾袋，濾袋材質選用耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、性價比較高的316L 不銹鋼。結合系統(tǒng)需要和除塵器本體結構的安全和穩(wěn)定性要求，設計耐壓±6 kPa，采用獨特的箱梁框架結構+壓型板方式，并具有抗震、抗風雪載和承載能力。輸灰系統(tǒng)方式采用連續(xù)排灰。由于灰斗中的灰溫度較高，先通過水冷螺旋輸送機對灰進行預冷卻，然后通過倉泵輸送至鋼灰?guī)靸Υ娲谩?/p>

3.3 煙氣脫硝

為避免灰塵顆粒物對催化劑造成堵塞和磨損，從而影響到催化劑的使用壽命，煙氣脫硝設置在除塵后。脫硝裝置采用SCR 脫硝工藝，催化劑采用釩鈦系催化劑，溫度適應范圍310 ～400 ℃。本脫硝段煙氣設計溫度控制在催化劑的反應最佳段370℃左右。采用高性能的聲波吹灰器定時清灰，防止催化劑的堵塞。

脫硝還原劑采用氨水作為還原劑，采用氨水噴射汽化設計，根據SCR反應器進出口NOx、煙氣溫度及煙氣流量等計算氨的注入量，通過噴氨流量閥調節(jié)。此外，根據反應器出口NOx濃度作為反饋參數，對噴氨量進行調整，實現噴氨量閉環(huán)控制。

如前所述，通過操作中的SCR 噴氨量精準控制和定期提高中溫換熱器出口煙溫對硫酸氫銨進行熱解處理等方式，以降低硫酸氫銨對后續(xù)設備的堵塞風險。

3.4 煙氣脫硫

由于脫硫前煙氣中的SO2質量濃度高達4×104mg/m3，吸收塔采用特殊的單塔三級脫硫工藝，煙氣經脫硫后通過塔頂煙囪排放。結合企業(yè)需求，濕法脫硫的脫硫劑采用電石渣。

脫硫前為保證煙氣溫度高于酸露點以上，脫硫前入口煙溫為250℃左右。為防止生產過程中煙氣溫度波動或前端換熱器故障造成煙氣溫度過高對脫硫塔的損害，脫硫塔前設置一套降溫水噴淋系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 單塔三級吸收塔

該脫硫塔的設計特點有以下幾方面：

1）從布置上，該脫硫塔相當于將3 座吸收塔整合在一起，保證脫硫效率的同時，節(jié)約了占地面積和投資。

2）設計上，可以通過每級脫硫層的托盤和漿液收集器做到協(xié)同除塵，提高除塵效率，滿足煙囪出口的粉塵達標要求。

3）操作上，吸收劑采用電石渣漿液，可視為氫氧化鈣溶解液，漿液加入漿池后會迅速提高pH 值，為了確保石膏漿液的氧化（低pH 值范圍氧化效率最高）和SO2的吸收（高pH 值范圍吸收效率高），設計時將一級吸收塔漿池和二、三級吸收塔漿液箱分開設置。一級吸收塔漿池設置在吸收塔本體底部，設置相應的攪拌和氧化設施。漿池同時接收一級塔吸收酸性氣體后的漿液和二、三級吸收塔漿液箱的溢流漿液，pH 值控制在4.8 ～5.5，利于石膏漿液的氧化。二、三級吸收塔漿池合并設置一個塔外漿液箱，同樣設置相應的攪拌和氧化設施，接收二、三級吸收塔循環(huán)泵漿液吸收酸性氣體后的漿液、除霧器沖洗水和補充的新鮮電石渣漿液，pH值維持在5.5 ～6.2，以保證與煙氣接觸的漿液為高pH值范圍，大幅提高了吸收效果。

4 結論

1）國內對于脫硫灰陶粒燒制窯的煙氣處理工藝尚未有可參考的工程和工藝，該煙氣處理工藝對類似的煙氣治理提供了重要而有意義的參考價值。

2）采用空氣與煙氣換熱方式，用于主生產的黏土和料球干燥。充分實現了節(jié)能環(huán)保的目的，為企業(yè)節(jié)約了運行費用。同時考慮到環(huán)境溫度和生產負荷的變化，設置多級空氣溫度調節(jié)控制，做到精細調節(jié)，保證穩(wěn)定運行的同時，節(jié)能降耗。

3）煙氣余熱利用中，采用高、中溫換熱器二級方式，結合各段的煙氣特點，在設備選型、操作運行、工藝流程上進行改進，降低設備腐蝕、磨損、酸露腐蝕、硫酸氫銨堵塞等對設備帶來的風險，提高了設備的運行可靠性。

4）根據其煙氣SO2濃度高的特點，采用獨特的單塔三級吸收工藝，達到脫硫效率的同時，節(jié)約占地面積，降低了投資成本。