對活性炭凈化燒結(jié)煙氣工藝(CSCR)分類進(jìn)行了簡述，并對不同工藝的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析。重點(diǎn)從工藝的選擇、運(yùn)行效果以及技術(shù)特點(diǎn)等方面詳細(xì)介紹了應(yīng)用于河鋼集團(tuán)邯鋼公司(簡稱河鋼邯鋼)的逆流式活性炭燒結(jié)煙氣脫硫脫硝工藝，同時(shí)闡述了保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)要求。

從實(shí)際運(yùn)行效果來看，該工藝系統(tǒng)總體運(yùn)行穩(wěn)定，煙氣凈化效果基本達(dá)到50mg/m3超低排放限值要求。最后，基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對活性炭凈化燒結(jié)煙氣工藝存在的問題和未來發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 前 言

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，作為鋼鐵行業(yè)SO2、NOx和二噁英等污染物的主要排放源頭，處理好燒結(jié)煙氣是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

燒結(jié)廢氣具有含塵量高、水含量大、有害物質(zhì)多、強(qiáng)腐蝕性以及SO2濃度波動(dòng)大等特性，因此要想實(shí)現(xiàn)對污染物的高效脫除需要選擇與燒結(jié)煙氣特征相適應(yīng)的凈化工藝[1-4]。

傳統(tǒng)半干法和濕法燒結(jié)煙氣治理技術(shù)會產(chǎn)生大量廢棄物，并且煙氣凈化水平難以進(jìn)一步提升。與傳統(tǒng)煙氣凈化工藝相比，活性炭凈化燒結(jié)煙氣具有凈化程度高、深度節(jié)水、資源回收以及沒有固體廢棄物等優(yōu)點(diǎn)，并且能在一個(gè)系統(tǒng)中去除SO2、NOx、顆粒物、二噁英、重金屬等多組分污染物，自2008年首次大型工程化應(yīng)用于太鋼以來，國內(nèi)已有多家單位采用了該技術(shù)[5-10]。

之前國內(nèi)活性炭處理燒結(jié)煙氣均采用交叉流工藝，煙氣凈化程度雖然能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，但是距離超低排放限值要求仍有一定差距，尤其是脫硝水平與超低排放要求差距較大。

通過對國內(nèi)各種燒結(jié)煙氣凈化工藝和發(fā)達(dá)國家垃圾焚燒領(lǐng)域煙氣治理技術(shù)的考察比較，河鋼邯鋼在國內(nèi)率先選用了逆流式活性炭選擇性催化還原(CSCR)凈化燒結(jié)煙氣工藝。該工藝于2017年應(yīng)用于邯鋼東區(qū)燒結(jié)機(jī)以來，實(shí)現(xiàn)了長周期穩(wěn)定順行，達(dá)到了較高的煙氣凈化水平。

鑒于其良好的運(yùn)行效果，2018年2月又于邯鋼西區(qū)燒結(jié)機(jī)投運(yùn)了第二套逆流式CSCR工藝。文中對該工藝的工藝選擇、運(yùn)行效果以及技術(shù)特點(diǎn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，以供同行借鑒與參考。

2逆流式工藝特點(diǎn)和優(yōu)勢

2.1活性炭脫硫脫硝工藝分類

活性炭脫硫脫硝工藝從煙氣和活性炭運(yùn)動(dòng)方式看可分為兩大類，即交叉流(垂直流)和逆流。交叉流工藝中活性炭和煙氣分別作垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)，兩者在運(yùn)動(dòng)方向垂直接觸，交叉流工藝在國內(nèi)應(yīng)用相對較早，典型有太鋼、日照等[8，10]，在有色領(lǐng)域應(yīng)用也比較廣泛。

逆流式工藝活性炭自上而下、煙氣自下而上，兩者逆流相向接觸，在發(fā)達(dá)國家垃圾焚燒領(lǐng)域和電廠等應(yīng)用較多，在國內(nèi)河鋼邯鋼將逆流式工藝首次應(yīng)用于燒結(jié)煙氣處理。

2.2不同工藝對比

在河鋼邯鋼逆流式CSCR系統(tǒng)中，煙氣自下而上、活性炭自上而下，兩者逆流接觸，活性炭連續(xù)地從吸附塔底部排出，輸送到解析塔進(jìn)行解析，解析后的活性炭再進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)使用(工藝流程見圖1)。

 

圖1逆流式CSCR工藝流程

SO2通過活性炭的吸附、解析作用，再經(jīng)過觸媒的催化氧化制成濃硫酸，實(shí)現(xiàn)了資源回收利用。通過脫硫段后，在上升的煙氣中進(jìn)行噴氨，進(jìn)入脫硝段后在活性炭的催化作用下NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退M(jìn)行脫硝。

性炭飽和程度不一致，活性炭的吸附能力沒有得到充分發(fā)揮。逆流式工藝中活性炭與煙氣做相向運(yùn)動(dòng)、兩者均勻接觸，在吸附塔頂部活性炭裝入后，隨著向下運(yùn)動(dòng)，飽和程度逐漸升高，在水平方向活性炭飽和程度一致，運(yùn)動(dòng)至吸附塔底部即煙氣入口處活性炭飽和程度達(dá)到最大后排出。從整體反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析，逆流式工藝具有更好的動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢。

交叉流工藝在同一活性炭床層進(jìn)行脫硫和脫硝，在SO2濃度未低至一定范圍時(shí)噴氨容易出現(xiàn)床層板結(jié)，影響系統(tǒng)運(yùn)行。

逆流式工藝將系統(tǒng)脫硫和脫硝功能分開，脫硫段在下、脫硝段在上，煙氣首先進(jìn)行脫硫處理，確保硫含量低至一定范圍后，在脫硫段和脫硝段的中間噴氨，煙氣進(jìn)入脫硝段后再進(jìn)行脫硝，杜絕了噴氨后出現(xiàn)的活性炭板結(jié)問題。

由于上部只承擔(dān)脫硝任務(wù)，因而氮氧化物凈化效率得到了有效提升。另外通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，脫硫段和脫硝段共用一套裝料和排料裝置，與單層結(jié)構(gòu)相比裝備復(fù)雜程度增加很少，日常維護(hù)上工作量增加有限。

3應(yīng)用實(shí)踐

3.1煙氣凈化指標(biāo)

逆流式CSCR系統(tǒng)投產(chǎn)后實(shí)現(xiàn)了長周期穩(wěn)定順行和較高的煙氣凈化效率，其主要污染物凈化數(shù)據(jù)見表1。

表1 2018年上半年主要污染物凈化數(shù)據(jù)(mg/Nm3)

 

可見，其中NOx排放濃度低于50mg/Nm3，SO2排放濃度低于10mg/Nm3，固體顆粒物排放濃度低于15mg/Nm3，NOx脫除水平在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

此外，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)況與表1數(shù)據(jù)可知:

(1)4～6月份生產(chǎn)秩序基本正常，顆粒物、SO2以及NOx排放濃度基本達(dá)到超低排放限值要求。5月份由于活性炭階段性供應(yīng)短缺，系統(tǒng)多個(gè)模塊活性炭不足，因而NOx排放濃度比超低排放限值高了1mg/m3，其他時(shí)間基本在40mg/m3以下，滿足超低排放限值要求的50mg/m3指標(biāo)。

(2)1～3月份屬于采暖季，由于受環(huán)保減

排政策約束高爐和燒結(jié)過程產(chǎn)生的除塵灰不能外排出廠，只能全部進(jìn)入燒結(jié)過程，使得混勻料結(jié)構(gòu)中廢雜灰比例由1.5%～2%左右提高到5%～6%左右，廢雜灰比例提高后燒結(jié)煙氣污染物濃度明顯提高。廢雜灰顆粒較細(xì)比較容易隨煙氣飛散，受其影響系統(tǒng)出口顆粒物濃度比非采暖季有所升高，達(dá)到了12mg/m3左右。

SO2和NOx濃度提高后，系統(tǒng)出口濃度并未出現(xiàn)異常，采暖季煙氣凈化指標(biāo)驗(yàn)證了系統(tǒng)的煙氣凈化能力可以滿足工藝運(yùn)行的要求。

3.2設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行情況

系統(tǒng)投運(yùn)以來隨機(jī)作業(yè)率達(dá)到100%，未出現(xiàn)因CSCR系統(tǒng)故障影響燒結(jié)機(jī)停車事故。主要是由于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式具備了離線檢修功能。

系統(tǒng)由多個(gè)互相獨(dú)立的模塊組成，每個(gè)模塊均有獨(dú)立的進(jìn)氣、出氣切斷閥門，各個(gè)模塊工作狀態(tài)不會互相影響。當(dāng)某一模塊出現(xiàn)問題后，通過將閥門切斷，可進(jìn)行離線檢修，不會影響其他模塊正常運(yùn)行。逆流式CSCR系統(tǒng)煙氣凈化能力較高，因而即使在個(gè)別模塊離線檢修時(shí)也能保證系統(tǒng)的煙氣凈化效果。

3.3投資及運(yùn)行成本

首套CSCR系統(tǒng)共投資3.1億元，其中固定設(shè)備投資2.5億元，購買初裝活性炭花費(fèi)0.6億元。

系統(tǒng)投運(yùn)后，主要運(yùn)行成本包括電費(fèi)、氮?dú)狻⒒钚蕴俊彼⒏郀t煤氣、蒸汽等方面，其中電費(fèi)、氮?dú)夂突钚蕴空伎傔\(yùn)行成本70%以上。氮?dú)獬杀据^高主要是由于其作為系統(tǒng)保護(hù)氣，為確保系統(tǒng)安全，用量較大，隨著工藝操作水平逐步提高，該項(xiàng)成本有較大降低空間。其詳細(xì)的運(yùn)行成本構(gòu)成如圖2所示。

 

圖2逆流式CSCR系統(tǒng)運(yùn)行成本構(gòu)成

折合噸燒結(jié)礦，以上各項(xiàng)運(yùn)行成本合計(jì)達(dá)到16.19元。另外由于系統(tǒng)可回收濃硫酸，同時(shí)產(chǎn)生的活性炭粉可作為燒結(jié)燃料，兩項(xiàng)可分別降低噸燒結(jié)礦成本1.1元和0.85元。綜合考慮最終噸燒結(jié)礦運(yùn)行成本為14.24元。

3.4二次污染物零排放

逆流式CSCR系統(tǒng)二次污染物循環(huán)如圖3所示。

 

圖3逆流式CSCR系統(tǒng)二次污染物循環(huán)

常規(guī)燒結(jié)煙氣凈化工藝會產(chǎn)生大量固體廢氣物，形成二次污染。隨著環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，脫硫灰的外排和存放也將會成為困擾企業(yè)的重要問題。

由圖3可知，逆流式CSCR系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物主要是活性炭粉和制酸廢水，活性炭粉可作為燒結(jié)燃料使用。制酸廢水經(jīng)過簡單處理可加入一混制粒過程，制酸過程產(chǎn)生的尾氣全部引入解析塔處理，實(shí)際應(yīng)用中未發(fā)現(xiàn)不良影響。逆流式CSCR系統(tǒng)沒有任何二次污染物外排，實(shí)現(xiàn)了二次污染物的零排放。

4關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)行要求

逆流式CSCR系統(tǒng)的正常運(yùn)行涉及到活性炭、吸附塔、解析塔、活性炭輸送系統(tǒng)、排料系統(tǒng)以及安全保護(hù)程序等多方面軟硬件因素，任何一方面的薄弱環(huán)節(jié)都會影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以下三方面因素對系統(tǒng)的運(yùn)行情況影響較為突出。

4.1活性炭質(zhì)量

選擇合適的活性炭是煙氣治理效果和成本控制的基礎(chǔ)。國內(nèi)應(yīng)用于燒結(jié)煙氣脫硫脫硝的活性炭種類繁多，較為通用的標(biāo)準(zhǔn)包括山西新華制定的GB/T302101-2013、上海克硫公司制定的標(biāo)準(zhǔn)以及奧地利英特佳標(biāo)準(zhǔn)。在以上標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，經(jīng)過前期調(diào)研和實(shí)踐中的摸索，針對實(shí)際情況，提出了更有針對性的活性炭標(biāo)準(zhǔn)，具體見表2。

表2活性炭標(biāo)準(zhǔn)

 

4.2活性炭床層高度

活性炭吸附層床層高度是煙氣凈化效率的關(guān)鍵參數(shù)之一。床層高度過低煙氣污染物脫除率難以達(dá)標(biāo)，床層高度過高不僅浪費(fèi)活性炭使用量，而且還會增加活性炭之間的內(nèi)部作用力，增加磨損量，造成需要更高強(qiáng)度的活性炭才能滿足要求，勢必會增加原料成本。因此只有在合適的床層高度下才能實(shí)現(xiàn)兼顧脫除效率和成本。由于脫硫效果較好，因而在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮脫硝效果。

為了實(shí)現(xiàn)在最經(jīng)濟(jì)的條件下去除高達(dá)99%的SO2和其他有害物質(zhì)，并通過選擇性催化還原反應(yīng)去除85%的NOx，通過先導(dǎo)試驗(yàn)確定床層高度。活性炭床層高度對NOx脫除率以及脫除率增加量的影響分別如圖4(圖中H2O含量為其體積分?jǐn)?shù))和圖5所示。

 

圖4 活性炭床層高度對NOx脫除率的影響

 

圖5 NOx脫除率變化與活性炭床層高度的關(guān)系

在煙氣含水蒸汽12.5%、氨水濃度飽和的條件下，采用滿足指標(biāo)要求的活性炭，當(dāng)床層高度超過3m時(shí)，NOx脫除率超過80%，如圖4所示。

然而當(dāng)活性炭床層高度超過2m時(shí)，NOx脫除率雖然隨著床層高度增加而提高，但是其提高的幅度越來越小，即隨著床層高度增加活性炭對NOx脫除率的貢獻(xiàn)逐步下降，如圖5所示。兼顧脫除效果和經(jīng)濟(jì)性，確定正常工作時(shí)活性炭床層高度。

4.3活性炭輸送系統(tǒng)

活性炭循環(huán)輸送依靠鏈斗輸送機(jī)，鏈斗輸送機(jī)和各排料裝料閥門需耦合控制，控制不當(dāng)會引起集中排料，使鏈斗輸送機(jī)某一段小斗中排料過多溢出散落，增加活性炭浪費(fèi)和人工清理工作量。同時(shí)在其他因素確定的情況下，只有活性炭循環(huán)輸送量達(dá)到一定值才能確保煙氣凈化效果。

鏈斗輸送機(jī)設(shè)計(jì)方面，在調(diào)試階段、裝炭期間，因?yàn)槌绦蚵┒春驮O(shè)計(jì)缺陷，多點(diǎn)卸料的鏈斗輸送機(jī)出現(xiàn)鏈斗掛壞現(xiàn)象。通過優(yōu)化完善程序和更改鏈斗機(jī)尾部結(jié)構(gòu)形式，解決了鏈斗異常翻轉(zhuǎn)問題，杜絕了鏈斗被掛壞的事故發(fā)生。整個(gè)系統(tǒng)共有1條主鏈斗輸送機(jī)和4條分鏈斗輸送機(jī)，每條分鏈斗輸送機(jī)上有8個(gè)活性炭排料點(diǎn)，系統(tǒng)共有32個(gè)。

從排料點(diǎn)排出的活性炭落入分鏈斗輸送機(jī)，然后倒入主鏈斗輸送機(jī)，由于各個(gè)鏈斗輸送機(jī)小斗容量一致，所以主鏈斗機(jī)上已經(jīng)接料后的點(diǎn)后續(xù)不能再接料，否則將導(dǎo)致活性炭溢出。

為提升活性炭的循環(huán)輸送量，要綜合設(shè)計(jì)32個(gè)排料點(diǎn)的排料順序，首先要確保主鏈斗輸送機(jī)上各點(diǎn)不能重復(fù)接料，在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)依據(jù)主鏈斗輸送機(jī)上空料點(diǎn)位置和斷流寬度調(diào)整排料點(diǎn)排料順序，提升活性炭循環(huán)輸送量。

5待解決問題及未來發(fā)展

逆流式CSCR系統(tǒng)經(jīng)過一年多的持續(xù)運(yùn)行積累了許多經(jīng)驗(yàn)，但仍存在很多待解決的問題:

(1)二噁英、NH3逃逸等尚無在線檢測，在線檢測技術(shù)升級后能夠更有效地對其進(jìn)行監(jiān)控并探索如何控制。

(2)二噁英脫除機(jī)理尚未徹底明確，生成及脫除因素有待進(jìn)一步探索，更多機(jī)理性研究才能實(shí)現(xiàn)二噁英的有效控制。

(3)廢雜灰大量入燒后，煙氣顆粒物濃度升高較多，堵塞活性炭空隙，影響凈化效果。采暖季廢雜灰不能外排，控制措施有待探索。

(4)當(dāng)前活性炭評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)較多，影響系統(tǒng)運(yùn)行效果的關(guān)鍵參數(shù)有待進(jìn)一步確定。

(5)隨著活性炭脫硫脫硝工藝的應(yīng)用推廣，活性炭市場供不應(yīng)求，需積極開拓活性炭生產(chǎn)新工藝，拓展供應(yīng)源頭。

(6)系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的余熱僅部分被利用，可進(jìn)一步開發(fā)余熱利用技術(shù)以達(dá)到更高的節(jié)能降耗效果。

6結(jié)語

逆流式活性炭燒結(jié)煙氣脫硫脫硝工藝屬于國內(nèi)首創(chuàng)，可借鑒經(jīng)驗(yàn)少，經(jīng)過前期摸索實(shí)現(xiàn)了長周期的穩(wěn)定運(yùn)行，煙氣凈化效果基本達(dá)到超低排放限值要求。文中詳細(xì)介紹了該工藝的技術(shù)優(yōu)勢、煙氣凈化效果以及運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)要求，并基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對未來發(fā)展提出了一些看法，希望能為廣大同行提供一些參考。

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