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    燒結機煙氣脫硝脫二惡英技術及應用

    世界金屬導報
    2017-06-05
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           隨著電力行業煙氣脫硫、脫硝、除塵工程的全面實施,燃煤電力行業煙氣污染已得到很大程度的控制,鋼鐵、水泥、工業窯爐等行業煙氣污染受到了人們更多的關注。燒結煙氣中的SO2、NOx和二惡英(DXN)等污染物是鋼鐵行業的主要污染源。國內基本實現大部分燒結、球團煙氣脫硫任務,但是對于NOx和DXN等,目前均沒有采取有效的專有裝置進行脫除。GB 28662-2012《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》首次對NOx、DXN等排放濃度予以明確的限制。面對新的排放標準,燒結、球團廠必將迎來新一輪的NOx、DXN等脫除改造。

    1  國內外燒結機煙氣脫硝脫二惡英技術發展現狀

    目前,可以工程應用并且有實際業績的燒結、球團煙氣NOx和DXN治理技術只有活性炭吸附和選擇性催化還原(S-SCR)兩種技術?;钚蕴课郊夹g是在20世紀50年代由德國Bergbau-Forschung公司開發,其主要原理是在活性炭吸收塔中,用活性炭(焦)吸附DXN和SO2,并用NH3還原NOx,可以實現同時脫硫脫硝脫二惡英功能。在日本新日鐵住金、JFE、韓國浦項及澳大利亞博思格(BHP)、中國太鋼等企業的燒結機煙氣凈化工程中均有應用案例。

    S-SCR技術是在電力行業SCR脫硝技術基礎上發展起來的,用于燒結煙氣脫硝脫二惡英的工程技術,催化劑經過升級優化,實現了在同一反應器、同一催化劑表面同時脫硝脫二惡英的作用。此技術在中國臺灣、韓國浦項及奧地利奧鋼聯均有建造工程業績,目前共投運11臺套,該工藝可與已建脫硫裝置串聯形成一體化煙氣脫硫、脫硝及脫二惡英技術,但是在中國大陸尚無投用工程應用案例,目前寶鋼股份4號燒結機煙氣S-SCR脫硝脫二惡英工程項目正在緊張施工過程中,計劃2016年9月建成投產。

    1.1 活性炭吸附技術

    活性炭(焦)脫硫脫硝脫二惡英技術是在活性炭吸收塔中,利用活性炭龐大的孔結構和比表面積,通過物理和化學吸附作用吸附煙氣中的SO2、NOx、DXN,并用NH3還原吸附的NOx,實現同時脫硫脫硝脫二惡英。20世紀60年代日本也開始研發,通過合作和技術轉移以及自主開發,形成日本住友、日本J-POWER(MET-Mitsui-BF)和德國WKV等幾種主流工藝。

    1.1.1 脫硝反應原理

    1)選擇性催化還原反應,改性過的活性炭亦具有一定的催化劑作用,將NO還原為N2,即NO NH3 1/4O2→N2 3/2H2O。

    2)非選擇性催化還原反應,氨氣注入煙氣后,會與吸附在活性炭上的SO2發生反應,生成氧化硫氨或硫氨,但是在活性炭再生時會作為-NHn基化合物殘存于活性炭細孔之中。這種-NHn基物質被稱為堿性化合物或還原性物質?;钚蕴吭谠偕笠院羞@種堿性化合物的狀態循環到吸附反應塔,與煙氣中的NOx直接反應還原成為N2。這種反應是活性炭特有的脫硝反應,稱為Non-SCR反應。

    1.1.2 工藝流程

    活性炭脫硝脫二惡英系統主要包括吸附反應系統、解吸系統、活性炭輸送系統、活性炭補給系統。吸附系統主要設備由吸附塔、NH3添加系統等組成。在吸附塔內設置了進出口多孔板,使煙氣流速均勻,提高凈化效率。吸附塔內設置三層活性炭移動層,便于高效脫硫、脫硝。吸附了硫氧化物的活性炭,經過輸送機送至解吸塔,在這里活性炭從上往下運行,首先經過加熱段,被加熱到超過400℃,將活性炭所吸附的物質解吸出來。富二氧化硫氣體(SRG)被排至后處理設施,制備硫酸。解吸后的活性炭,在冷卻段中冷卻到150℃以下,然后經過輸送機再次送至吸附塔,循環使用。

    1.1.3 存在問題

    活性炭吸附凈化技術可以在同一套裝置內實現同時脫硫、脫硝、脫二惡英效果,裝置集中,方便管理,但隨著此類工程裝置的投入運行,其缺點也得到了進一步的體現:

    1)脫硝效率。通過調整活性炭的循環量及新鮮活性炭的補給量,可以有效提高脫硫效率,但其脫硝效率相對較低,中國太鋼燒結煙氣活性炭吸附凈化項目中,脫硝效率只有33%,在燒結煙氣污染物排放標準日益嚴格的條件下,該脫硝性能將無法滿足相應的排放要求。

    2)煙氣停留時間。煙氣在吸附塔內的停留時間與煙氣速度、活性炭移動速度有關,直接影響到系統的脫硫脫硝效率。煙氣速度高,則煙氣停留時間短,NOx等與活性炭表面接觸不夠充分,并且化學反應時間較短,降低系統的脫硫脫硝效率?;钚蕴恳苿铀俣嚷?,則活性炭再生率低,活性部分少,吸附SO2等污染物的能力也會降低,同時裝置體積大,系統壓損增加,投資和運行費用變大。

    3)吸附溫度?;钚蕴康奈叫逝c操作溫度密切相關。低溫時,吸附塔內主要發生物理吸附,吸附量小,脫硫、脫硝效率較低。高溫時,吸附塔內主要發生化學吸附,但活性炭表面不易吸附水分,吸附效率降低,同時由于溫度過高,高活性的碳易被氧化,使活性炭損耗增大,系統運行費用增大,因此,最佳的吸附脫硝溫度在130-150℃之間,較難適用燒結煙氣的所有工況。

    4)解吸溫度。SO2的解吸需要一定的溫度,一般在380-450℃。在此溫度下,活性炭容易發生自燃,因此,解吸時需充入N2保護,同時也存在活性炭的自身氧化消耗,運行費用偏高。解吸時對活性炭加熱的能耗占據活性炭吸附工藝總能耗的比例相當大,如何降低解吸溫度是活性炭吸附工藝當前研究的重點之一。

    5)控制系統?;钚蕴棵撓趺摱河⒀b置系統復雜,控制和檢測參數巨大。據統計,一套活性炭脫硝系統I/O點數近一萬,而S-SCR脫硝脫二惡英系統I/O點數不足1000。

    6)氨耗和氨逃逸率。脫硝過程中,部分NH3吸附于活性炭表面,在解吸及活性炭運輸過程中由于與活性炭表面的氧化性物質反應而被氧化消耗掉,同時解吸的氨氣隨煙氣排放,造成氨逃逸率非常高,逃逸濃度通常在30mg/ Nm3左右,遠遠高于電力行業SCR脫硝系統氨逃逸不大于2.5mg/Nm3的要求。

    7)二惡英的徹底凈化?;钚蕴课较聛淼亩河⑦M行填埋處理,二惡英物理轉移至土壤中,存在二次污染;進行解吸后深度氧化分解,需要配置焚燒爐等系統,投資和運行費用繼續增大。因此,活性炭吸附技術不能完全滿足綠色環保技術要求。

     

    1.2  S-SCR脫硝脫二惡英技術

    S-SCR(Si nter-Sel ect i ve Cat al yt ic Reduct ion)脫硝脫二惡英技術是在電力行業SCR脫硝脫二惡英技術基礎上,通過升級催化劑、調整優化工藝系統而開發的適合燒結煙氣特點的凈化技術。該技術可以單獨建設或同任何脫硫工藝聯合,完成燒結煙氣凈化過程。該工藝具有靈活性高、脫硝脫二惡英效率高、投資費用省、運行成本低等特點,特別適用于我國大部分燒結機已投運煙氣脫硫裝置的工程現狀。

    1.2.1 工藝原理

    在催化劑作用下,利用氨作為還原劑使其與煙氣中NOx反應,產生無害的氮氣和水;同時二惡英經過催化劑會裂解成CO2、H2O及HCl。

    SCR脫硝系統中(在一定溫度范圍)反應溫度越高,催化劑的脫硝性能越好,但高溫對于脫除二惡英反應不利,溫度高于300℃時,二惡英的分解反應受到抑制,因此S-SCR脫硝脫二惡英系統是在約280℃溫度下進行。

    1.2.2 工藝流程

    由于燒結煙氣溫度較低,而SCR反應需要在280℃左右進行,為了節約能源,通常采用煙氣換熱與煙氣加熱系統聯合,首先將脫硝脫二惡英后的熱煙氣與燒結預凈化煙氣換熱,對排放尾氣進行熱量回收,再通過燃氣式加熱系統將煙氣二次升溫至約280℃,僅需外界補充少量的能源維持系統熱量損失,大幅降低了系統總能耗。該技術NOx和二惡英的脫除率可高達90%以上,并且是將NOx和二惡英分解成無煙氣二次衍生污染物。

    S-SCR脫硝脫二惡英系統可以單獨或與現有脫硫系統聯合進行燒結煙氣凈化。針對目前脫硫工藝主要采用半干法和濕法工藝,S-SCR脫硝脫二惡英系統主要有以下兩種工藝布置形式(見圖1、圖2)。

    1.2.3 技術特點

    ◆完全適用于燒結煙氣溫度低、粉塵復雜的條件;

    ◆脫硝、脫二惡英效率可達90%以上,NOx排放濃度可控制在50mg/Nm3以下,DXN排放濃度可達0.1ng-TEQ/Nm3以下;

    ◆氨逃逸可控制在2.5mg/Nm3以下,SO2氧化率低于1%;

    ◆基本上無二次污染;

    ◆催化劑通常3-4年增加或更換一層,系統損耗小;

    ◆脫硝裝置占地小,系統阻力小;

    ◆安全可靠,同步運轉率高;

    ◆布置靈活,可以根據現場條件,調節與脫硫裝置的布置順序;

    ◆對已進行脫硫改造的燒結機,可單獨進行脫硝脫二惡英技術改造,系統占地、投資和運行費用都可大幅度降低。

    1.3 投資運行費用比較

    依據國內某燒結機煙氣凈化項目情況,采用活性炭吸附和SDA脫硫(旋轉噴霧半干法脫硫技術) S-SCR脫硝兩種工藝,對煙氣凈化系統進行投資和運行分析。

    煙氣條件及性能要求如下:燒結機煙氣量為180×104Nm3/h,煙氣溫度100-170℃,SO2濃度為300-1000 mg/Nm3,NOx濃度為100-500mg/Nm3,粉塵含量為30-150mg/Nm3,二惡英濃度不大于3ng-TEQ/m3;煙氣凈化系統要求:脫硫效率≥90%,脫硝效率≥80%,出口粉塵濃度≤20mg/Nm3,出口二惡英濃度≤0.5ng-TEQ/m3,裝置與燒結機同步運轉率不低于95%。兩種煙氣凈化工藝初步估算,見表1。

    從表1可以看出,實際燒結煙氣脫硫、脫硝、脫二惡英項目中,活性炭吸附技術相對于SDA脫硫 S-SCR脫硝脫二惡英一體化技術來說,其投資和運行費用均較高。原因在于,活性炭脫硝效率要求較高(80%)時,需要設置兩級吸附裝置,同時脫附后的SO2需要由復雜的制酸系統進行深度處理,因此投資費用較高;為實現較高的脫硝效率,活性炭吸附工藝需要增加更多的催化劑成分,這些催化劑成分在提供脫硝效率的同時,也促進了活性的氧化消耗。另外,由于制酸系統、廢水處理系統的運行,導致活性炭吸附凈化工藝運行費用相對較高。

    2 寶鋼股份4號燒結煙氣S-SCR脫硝脫二惡英工程

    鑒于目前燒結煙氣脫硝脫二惡英技術的發展,寶鋼股份從效率、投資、運行費用,特別是4號燒結機目前建有煙氣脫硫裝置的現狀考慮,最終確定4號燒結機煙氣脫硝脫二惡英項目采用S-SCR脫硝脫二惡英技術,設計脫硝脫二惡英效率均在80%以上。

    寶鋼股份4號燒結機為600m2燒結機,煙氣量約為194×104Nm3/h,同步建設有兩套燒結煙氣循環流化床半干法脫硫裝置,脫硫后煙氣中SO2濃度降至50mg/Nm3以下,出口粉塵濃度達到20mg/ Nm3以下,NOx排放濃度在200-550mg/Nm3范圍內,二惡英排放濃度在3.0ng-TEQ/ Nm3以內。為滿足國家新排放標準要求,增設兩套S-SCR脫硝脫二惡英裝置,煙氣凈化后排放煙氣滿足:氮氧化物濃度≤100mg/Nm3,氨逃逸濃度≤2.5mg/Nm3,二惡英濃度≤0.5ng-TEQ/Nm3,此設計指標在滿足新排放要求的基礎上,考慮了充足的提高排放標準的余量。

    2.1 工藝流程

    4號燒結機配置兩套SSCR脫硝脫二惡英裝置,由于燒結煙氣溫度偏低,無法滿足S-SCR脫硝催化劑反應溫度需求,因此,該脫硝脫二惡英系統配置了煙氣換熱器和煙氣加熱系統,系統流程見圖3。

    此脫硝脫二惡英系統主要由煙氣換熱系統、煙氣再加熱系統、氨的供應及稀釋系統、氨噴射混合系統、S-SCR反應器系統、煙氣增壓系統等組成。燒結煙氣由脫硫后匯總煙道引出,分兩路各自進入一套S-SCR裝置,煙氣先經過GGH煙氣換熱器預熱,再在煙道中與加熱爐產生的高溫煙氣混合均勻后進一步升溫,繼而與稀釋風機送入的氨空氣混合氣混合,進入S-SCR反應器進行脫硝脫二惡英反應,之后煙氣由引風機引入出口煙道,經兩套裝置的出口煙道匯總后送入原煙囪排放。

    2.2  項目實施難點和創新點

    S-SCR脫硝脫二惡英技術的關鍵問題是對燒結煙氣進行再加熱,使煙氣溫度提升到脫硝反應所需的溫度。目前國外運行的工程實例均采用國外鋼鐵行業相對富裕、熱值很高的焦爐煤氣或天然氣作為燃料,直接在煙道中設置火盤式燃燒裝置。但我國鋼鐵行業情況完全不同,焦爐煤氣或天然氣是高品位資源,在國內鋼鐵廠屬于稀缺資源,價格偏高,如直接借鑒國外技術,勢必大幅增加脫硝、脫二惡英工程運行成本;而國內鋼鐵廠普遍存在高爐煤氣相對富裕的現狀,如果能利用高爐煤氣作為加熱燃料,將大幅降低燒結煙氣凈化經濟負擔,但是由于高爐煤氣熱值遠遠低于焦爐煤氣等燃料,直接采用國外管道式加熱爐方式,必將影響其燃燒穩定性和操作安全性,甚至出現無法點燃、系統難以實施等問題。因此,在項目實施前,寶鋼節能環保技術有限公司(以下簡稱寶鋼節能)經過技術儲備和科研項目研發,成功開發出適用于低熱值燃料燃燒的燒嘴及用于燒結煙氣加熱的輔助裝置。

    2.2.1 適用于低熱值燃料燃燒的燒嘴

    寶鋼節能在充分借鑒國外現有工程經驗基礎上,與寶鋼工業爐合作,通過對高爐煤氣燃燒的性能、燃燒條件、燒嘴尺寸、形式等各方面的研究和實驗,特別是嚴格按照國內燒結機現場真實條件,進行了實際工程應用燒嘴的試驗和驗證,開發出了適用于低熱值燃料及燒結煙氣再加熱系統的專用燃燒器,燃燒器形式及燃燒情況見圖4。

    通過無數次的分析及熱態實驗,寶鋼節能對燃燒器性能進行了測試、分析和優化,實驗結果均達到了預期設計目標,完全具備工程應用的要求和條件。

    2.2.2  高溫煙氣分布裝置

    由于加熱設備布置于燒結煙道以外,加熱設備產生的高溫煙氣需要通入脫硝主煙氣內,并要求充分均勻混合,本系統沒有現成經驗可循。寶鋼節能通過高溫煙氣混合方式CFD分析模擬和物理模型試驗,根據脫硝主煙氣的負壓以及燃料燃燒產生高溫煙氣的微正壓條件,最終確定了加熱設備的布置方案和高溫煙氣列管式噴入脫硝主煙氣的混合方式,模擬分析得出,本套方案完全達到了脫硝脫二惡英工藝系統參數要求。

    2.2.3  高溫煙道與脫硝主煙道的連接

    加熱爐出口煙氣溫度高(約1100℃),通過高溫煙道送至脫硝主煙道內,由于兩種煙道需要承受的溫度相差太大,高溫煙道與脫硝主煙道各自的熱膨脹相對位移偏大,并且燒結機存在頻繁啟停機現象,因此,必須限制兩種溫度煙道之間的熱膨脹位移偏差。經過多方分析和討論,寶鋼節能最終確定了高溫煙道和脫硝主煙道采用不同材質,煙道合理分段、內外保溫相結合的連接形式,成功解決了不同溫度引起煙道不同膨脹位移問題。

    2.2.4  煙氣換熱器

    為降低能源消耗,該脫硝脫二惡英裝置設置了煙氣換熱器(GGH),而大型 GGH在國內應用較少,工程經驗缺乏,并且存在易腐蝕、堵塞和運行狀況較差的問題。針對這些問題,寶鋼節能結合寶鋼集團內部實施的GGH設計和運行經驗,從設備選型、材質選擇、防腐、防堵塞措施的應用、系統調試運行程序、檢修維護說明等方面入手,經過設備廠家考察、現場應用情況調研、設備使用維護程序比較等的搜集和歸納,確定采用回轉式GGH換熱器,同時明確了換熱器材質、防腐、防堵塞具體措施,另外優化控制邏輯、完善運行維護程序等,為后續裝置的成功投運和長期穩定運行奠定了堅實的基礎。

    為防止GGH換熱元件的腐蝕和堵塞,該項目GGH采用多層換熱元件,不同換熱元件采用不同材質和高度,同時設置蒸汽吹灰和低壓水沖洗兩種清洗裝置,此外還設置了低泄漏風機,保證GGH漏風率不大于2%。經過以上措施的優化設計,寶鋼股份4號燒結煙氣脫硝脫二惡英裝置用GGH設計換熱效率超過了83%,裝置規模和性能指標在行業內均處于領先水平。

    2.3  項目實施進度

    寶鋼股份4號燒結機煙氣S-SCR脫硝脫二惡英項目已于2015年6月份完成初步設計工作,預計2016年1月完成所有施工圖設計。目前已基本完成全部樁基和設備基礎的施工工作,下部鋼結構和GGH鋼框架已送至項目現場,2015年11月底進入鋼結構和設備的全面安裝階段。根據項目總體進度計劃,2016年9月份將完成所有系統調試并投入正式運行。

    3 結論

    隨著大氣污染形勢的日趨嚴重,燒結機煙氣凈化越來越受到重視,目前國內大部分燒結機均設置了煙氣脫硫裝置,而脫硝脫二惡英改造才剛剛起步。適用于燒結煙氣凈化的脫硝脫二惡英技術主要有活性炭吸附和S-SCR技術?;钚蕴课椒梢酝瑫r脫硫、脫硝、脫二惡英,但該技術脫硝效率較低,氨逃逸率高,二惡英存在二次污染等問題,且其投資和運行費用偏高,特別不適用于目前已建脫硫裝置的燒結煙氣凈化項目。S-SCR脫硝脫二惡英技術借助催化劑的促進作用,可以實現同時高效率的脫硝、脫二惡英,無二次污染和副產物的產生,能夠滿足最新以及更嚴格燒結煙氣污染物排放標準要求,并且布置靈活;可以根據項目條件與燒結機、脫硫裝置自由組合;可使燒結機出口NOx排放濃度低于100mg/ Nm3甚至50mg/Nm3,二惡英排放濃度低于0.1ng-TEQ/m3。

    寶鋼節能環保技術有限公司在吸收和總結現有技術的基礎上,開發出了具有自主知識產權、適用于我國燒結煙氣凈化需求的S-SCR脫硝脫二惡英技術,通過開發和應用燃用高爐煤氣等低熱值燃料的加熱設備,顯著降低了燒結煙氣S-SCR脫硝脫二惡英工程運行成本。目前,寶鋼節能建設的寶鋼股份4號燒結機煙氣S-SCR脫硝脫二惡英工程示范裝置已進入全面安裝建設階段,隨著工程項目的投產運行,必將對我國燒結煙氣脫硝脫二惡英領域產生良好的示范作用。

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