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燒結煙氣脫硫脫硝處理技術的比較分析

   日期:2018-06-21     來源:山西冶金 鄒凌云    瀏覽:46    評論:0    

  在燒結過程中,在高溫燃燒條件下,燃料與燒結混合料發生燒結反應而產生SO2、NOx、HCl、HF、CO2、CO、二噁英等多種污染物和粉塵等廢氣,其主要特性包括煙氣量大、溫度波動大、粉塵濃度高、氣體腐蝕性高、二氧化硫排放量大等[1]。2012年國家環保部頒布實施了《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》,嚴格要求污染物排放標準。因此,對燒結煙氣進行脫硫脫硝處理勢在必行。

  1燒結煙氣脫硫脫硝處理的現狀

  我國燒結煙氣脫硫早在2004年由廣州鋼鐵廠在24m2燒結廠初步實施,于2007年全面實施。據環保部統計數據,至2014年,全國燒結機脫硫設施共有526臺(見表1),已有脫硫設施的燒結機面積達8.7萬m2,占燒結機面積的63%。從公布的清單分析,干法、半干法占17%,濕法占87%。除部分已建的干法(活性炭法)燒結脫硫脫硝一體化處理設施外,燒結機煙氣脫硫脫硝的實例較少。

  《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》(GB28662—2012)自2015年10月1日起執行第二時段的排放標準,規定了NOx和二噁英的排放限值要求,嚴格要求SO2、顆粒物和氟化物的排放,而現有的燒結煙氣脫硫設施無法滿足新的排放標準,因此實現燒結煙氣多污染物協同處置和一體化處理勢在必行。

  2燒結煙氣脫硫脫硝的分析

  目前,對燒結煙氣的污染處理主要以脫硫為主。新標準的實施對煙氣處理提出了更嚴格的要求,尤其是對于已建的脫硫設施,由于技術、用地、建設和運行成本等因素的限制,直接導致煙氣處理系統變得復雜和處理成本增加。因此,應針對項目建設特點,對新建燒結機、已建成的脫硫設施區別對待,綜合考慮一種一體化的處理技術。

  由于現有的燒結煙氣脫硫工藝主要集中于傳統的干法、半干法、濕法,因此分別選取干法、半干法、濕法脫硫脫硝一體化等技術進行分析對比。

  2.1活性炭煙氣凈化技術

  20世紀50年代德國開始研發活性炭吸附工藝,20世紀60年代日本也開始研發[2]。目前,國內外大型鋼鐵企業在燒結煙氣脫硫脫硝中已取得多項工程應用,包括新日鐵名古屋制鐵所燒結機(1987年8月投運)、浦項鋼鐵(POSCO)燒結機(2004年投運)等。太鋼從日本住友株式會社引進相關技術應用于3號、4號燒結機,于2010年建成活性炭煙氣處理設施。其反應原理包括以下幾方面:

  1)燒結機排出的煙氣經除塵器除塵后,由主風機排出。煙氣中的SO2、H2O與O2在排煙溫度為120~150℃時,被活性炭吸附富集,然后被催化轉化為吸附態的SO3,之后和吸附態的H2O結合生成吸附態的H2SO4。

  2)當SO2的出口濃度達到排放標準后,將活性焦移動至再生器,在溫度達到450℃左右時按照反應式解吸出濃度在20%~25%之間的高濃SO2氣體。這種SO2氣源可以根據市場需求用作生產硫酸、硫磺、硫銨鹽、液態SO2等硫化工原料。

  3)脫硝反應被稱之為選擇性催化還原(SCR)反應,在活性焦催化作用下將NO(x包括NO、NO2等)和NH3轉化為無害的N2和H2O,達到脫除NOx的目的。

  

  根據太鋼活性炭處理的監測參數得知,3號燒結機的脫硫率為98.8%、脫硝率為61.O%、除塵率為82.5%、脫二噁英率為90%[3],實現了良好的煙氣脫硫、脫硝、脫二噁英和除塵的集成凈化功能,環保效果顯著。

  活性炭吸附工藝的優點是污染物一體化處置效率高,缺點是建設和運行成本高。以太鋼450m2燒結機為例,活性炭設施投資為3.4億元,運行成本為4870萬元/年。

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  2.2循環流化床脫硫+SCR脫硝工藝

  循環流化床工藝主要由吸收劑制備與供應、吸收塔、物料再循環、工藝水、布袋除塵器以及副產物外排等構成。一般采用干態的消石灰粉作為吸收劑,也可采用其他對二氧化硫有吸收反應能力的干粉或漿液作為吸收劑。

  由鍋爐排出的煙氣從吸收塔(即流化床)底部進入。吸收塔底部為一個文丘里裝置,煙氣流經文丘里管后速度加快,與細的吸收劑粉末互相混合,使顆粒之間、氣體與顆粒之間產生劇烈摩擦,形成流化床,在噴入均勻水霧、降低煙溫的條件下,吸收劑與煙氣中的二氧化硫反應生成CaSO3和CaSO4。脫硫后攜帶大量固體顆粒的煙氣從吸收塔頂部排出,進入再循環除塵器處理后被排放。

  脫硫后煙氣溫度為75~80℃,經過GGH換熱、加熱爐將溫度加熱至160~300℃,以高爐煤氣為熱源進行加熱,熱煙氣進入SCR反應器,與加入的脫硝劑在催化劑作用下進行高效脫硝反應,最后潔凈煙氣經系統引風機排往煙囪。SCR脫硝裝置主要由GGH換熱器、煙氣加熱爐、SCR反應器、氨站等組成。在催化劑的作用下,當煙氣溫度為280~300℃時,利用氨作為還原劑,與煙氣中的NOx反應,產生無害的氮氣和水。同時,二噁英經過催化劑會裂解成CO2、水及HCl。

  脫硝機理為:

  4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O;

  2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O;

  NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O。

  “循環流化床+SCR”工藝的優點為:一是脫硝技術成熟、污染物脫除效率高、適用范圍廣,可滿足最嚴格的污染物排放標準要求,工程總投資和運行費用適中。二是對于目前已建設脫硫裝置的燒結球團企業,為滿足新標準對氮氧化物的排放要求,可繼續建設脫硝部分,不存在重復建設問題,維護和運行簡單。缺點是脫硫、脫硝副產物產生量大,尚無公認的最佳應用途徑或資源回收價值,需作為廢物進行處理。該工藝目前在寶鋼集團梅鋼公司、三鋼、昆鋼等大型鋼鐵廠得到成功應用[4]。

  2.3濕法脫硫+SCR聯合脫硝工藝

  選擇性催化還原法(SCR)技術相對成熟,具有較高的脫硝效率,在燃煤電廠得到廣泛應用,但其在燒結煙氣處理中的應用較少。

  2.3.1制約因素

  濕法脫硫后煙氣溫度普遍處于50~80℃,而SCR技術需要的反應溫度為320~450℃。在反應溫度較高時,催化劑會產生燒結及(或)結晶現象;在反應溫度較低時,催化劑的活性會因為硫酸銨在催化劑表面凝結堵塞催化劑的微孔而降低。

  2.3.2工藝優化

  將煙氣脫硝工藝置于脫硫工藝之前,燒結煙氣經加熱裝置升溫,先進行SCR技術脫硝,然后用換熱裝置(可用余熱鍋爐,也可采用其他換熱裝置)進行降溫處理,出來的煙氣經脫硫裝置凈化后,從煙囪排出。

  2.3.3采取措施

  燒結機主抽風機的煙氣經四電場或五電場凈化處理后,將燒結機主抽風機的煙氣升溫至350℃左右,接著采用SCR工藝對煙氣進行脫硝,對脫硝后的煙氣采用換熱利用技術降溫后,進行濕法煙氣脫硫,形成煙氣“脫硝+脫硫”的倒置處理流程。

  中國臺灣中鋼公司的三座燒結機采用該技術路線用于燒結煙氣脫硝處理[5]。以550m2燒結機為例,SCR脫硝投資約6000萬元,年耗電約220kW˙h,耗高爐煤氣5200萬m3,脫硝成本接近12元/t燒結礦。

  該路線的優點為,由于國內濕法脫硫的比例較高,若推廣成功則對大多數現有脫硫設施有效,適用性強。缺點為需對煙氣進行再熱,能耗高導致運行成本高,煙氣中的鹽分易導致SCR催化劑中毒,系統運行穩定性存在風險,使用后的SCR催化劑屬危險廢物,需密切關注。

  2.4其他脫硫脫硝一體化技術

  2.4.1濕法脫硝工藝

  對典型的催化氧化法脫硝工藝進行分析。該工藝屬濕式洗滌并脫硫脫硝技術,采用濕式洗滌的方法,在一套設備中同時脫除煙氣中的SO2和NOx的方法,采用氧化吸收塔和堿式吸收塔兩段工藝。氧化吸收塔是采用氧化劑來氧化NO、SO2及有毒金屬的;堿式吸收塔則作為后續工藝,以堿液為吸收劑,吸收殘余的酸性氣體,NOx脫除率達95%以上。該工藝的缺點在于工程案例較少,存在催化劑昂貴、一次性投資和運行成本較高等問題。濕法脫硝工藝可以分為堿液吸收法、絡合吸收法、還原吸收法和氧化吸收法等。

  2.4.2電子束輻照煙氣聯合脫硫脫硝

  利用陰極發射并經電場加速形成高能電子束,這些電子束在輻照煙氣時會產生自由基,和SOx、NOx反應生成硫酸和硝酸,在通入氨氣的情況下,產生(NH)SO和NHNO等副產品。

  該方法在20世紀70年代由日本首先提出,經過國內外多年的研究開發,目前已完成工業實驗,但尚無工業化應用。主要缺點為能耗較高、副產物含水率大,同時要考慮電子束發生器的防輻射措施。

  3幾種煙氣脫硫脫硝技術的綜合對比

  3.1新建燒結機

  新建燒結機宜選用活性炭脫硫脫硝一體化處理工藝。該處理工藝在國內已有既成案例,運行穩定,但一次性投資和運行成本較高。

  3.2現有干法/半干法脫硫改造

  現有干法脫硫工藝宜進行配套改造,增加SCR脫硝設施。該處理工藝在國內已有既成案例,運行穩定,但應充分考慮脫硫脫硝產物帶來的二次污染問題。

  3.3現有濕法脫硫改造

  現有濕法脫硫工藝可謹慎考慮增加SCR脫硝設施,盡量選擇成熟的低溫催化劑。該工藝存在能耗及運行成本高的問題。

  4結論

  1)受污染物處理技術和經濟條件限制,目前我國已實施的燒結煙氣處理基本上都以脫硫為主,而對于同時實現燒結脫硫、脫硝、脫二噁英等一體化技術尚處于起步階段,建成的工程應用案例也不多。

  2)煙氣聯合脫硫脫硝技術是當前大氣污染物治理技術發展的方向,也是煙氣治理市場亟需的工藝路線。目前的技術均存在或多或少的缺點,工業化應用難以選擇。

  3)針對燒結煙氣的處理,應根據自身特點,對各種有成功業績的工藝技術進行合理消化吸收,在此基礎上加快發展適合我國技術和設備,降低投資和運行費。

  4)綜合分析各技術在成熟度、脫硫脫硝效果和二次污染的對比,活性炭干法聯合脫硫脫硝技術應用在一段時期內可作為燒結球團煙氣脫硫脫硝綜合治理的首選技術。

 
標簽: 脫硫脫硝
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