何生明
(河北大河邯鋼設(shè)計(jì)院有限公司, 河北 邯鄲 056000)
摘 要：隨著鋼鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，伴隨著煙氣排放量日益增長(zhǎng)，其中SO2、NOX的排放嚴(yán)重影響到人類的生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此亟需對(duì)其進(jìn)行治理，實(shí)現(xiàn)污染物超低排放對(duì)于緩解其造成的環(huán)境污染意義重大。針對(duì)鋼鐵企業(yè)中燒結(jié)煙氣超標(biāo)排放難題，在分析活性炭理化特性的基礎(chǔ)上，采用逆流活性炭脫硫脫硝技術(shù)對(duì)浙江某鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有燒結(jié)煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行改造， 凈化后煙氣SO2、NOX、顆粒物分別約為20 mg/Nm3、45 mg/Nm3、8 mg/Nm3，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣超低排放。此工作可為逆流活性炭提供實(shí)際應(yīng)用參考。
關(guān)鍵詞：逆流；活性炭； 脫硫脫硝； 燒結(jié)煙氣
隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保問(wèn)題日益突出，國(guó)家的環(huán)保政策也愈加嚴(yán)格。2019年，生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等五部委印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中提高了燒結(jié)煙氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)。要求燒結(jié)機(jī)煙氣中二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放濃度小時(shí)均值分別不高于35 mg/Nm3、50mg/Nm3、10 mg/Nm3。
目前，浙江某鋼鐵企業(yè)2臺(tái)430 m2燒結(jié)機(jī)，前期均采用一套錯(cuò)流式活性炭脫硫脫硝煙氣凈化裝置。吸附塔進(jìn)口原煙氣中二氧化硫、氮氧化物、顆粒物濃度約700 mg/Nm-3， 400 mg/Nm³， 45 mg/Nm³，凈化后二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放濃度分別約為45 mg/Nm3、130 mg/Nm3、17 mg/Nm3，排放濃度達(dá)不到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析，由于煙氣中污染物濃度在吸附塔內(nèi)水平分布不均勻，造成從吸附塔排出的活性炭飽和程度不一致，未能充分發(fā)揮活性炭的吸附作用。
因此，決定采用逆流活性炭脫硫脫硝技術(shù)對(duì)前期燒結(jié)煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行煙氣深度處理改造，使活性炭在吸附塔內(nèi)同一水平截面處飽和度一致，對(duì)煙氣中SO2和顆粒物吸附更充分[1]。此外，逆流式技術(shù)脫硫和脫硝獨(dú)立反應(yīng)，容易調(diào)節(jié)脫硫?qū)蛹懊撓鯇踊钚蕴看矊痈叨龋姑摿蛎撓跣矢撸瑥亩鎸?shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣超低排放。促進(jìn)鋼鐵等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的綠色健康發(fā)展。
1.逆流活性炭?jī)艋?/b>工藝
1.1工藝流程
燒結(jié)煙氣經(jīng)過(guò)增壓風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入吸附系統(tǒng)后，采用活性炭一體化凈化裝置，實(shí)現(xiàn)一套裝置中完成吸附和催化還原反應(yīng)過(guò)程。吸附劑和催化劑選用特殊性能的活性炭，活性炭在吸附塔內(nèi)分為完全獨(dú)立的脫硫床層和脫硝床層，活性炭由塔頂加入，在重力和塔底出料裝置的作用下從上向下移動(dòng)，煙氣自下而上，兩者逆流相向接觸。原煙氣在脫硫床層脫除SO2達(dá)標(biāo)后在中間氣室與經(jīng)汽化的氨空氣充分混合，再穿過(guò)脫硝床層進(jìn)行脫除NOx，凈化后的煙氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后通過(guò)主煙囪排入大氣。
解析塔設(shè)計(jì)中采用充氮?dú)飧粞跫夹g(shù)，為防止活性炭的解析氧化，采用壓力階梯設(shè)計(jì)，防止解析后的活性炭再次吸附SO2[1]。吸附塔排出的飽和活性炭，首先經(jīng)振動(dòng)篩、風(fēng)篩篩分，篩上的大顆粒活性炭通過(guò)鏈斗輸送機(jī)輸送到解析塔進(jìn)行解析，解析后的活性炭出解析塔后經(jīng)振動(dòng)篩、風(fēng)篩，將細(xì)小活性炭和粉塵去除，篩分后的活性炭輸送到吸附塔循環(huán)使用，活性炭卸料、布料、篩分、轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程產(chǎn)生的粉塵尾氣經(jīng)布袋除塵器處理后經(jīng)排氣筒排放。新活性炭通過(guò)新炭倉(cāng)加入到系統(tǒng)中，用于補(bǔ)充系統(tǒng)損失的活性炭。活性炭吸附的SO2被解析釋放送往制酸系統(tǒng)制成濃硫酸，實(shí)現(xiàn)資源的回收利用。
圖1 逆流式活性炭工藝流程圖
1.2活性炭理化特性
表1為活性炭表面的元素組成，可以看出，活性炭表面含有豐富的基團(tuán)，是加速污染物與還原劑發(fā)生反應(yīng)的載體，活性炭自身的這種特性有利于對(duì)極性污染物的吸附和催化反應(yīng)[2]。圖2為活性炭放大5000倍的掃描電鏡，由圖可知，活性炭表面凸凹不平，比表面積大、空隙結(jié)構(gòu)豐富，具有很強(qiáng)的吸附能力。綜上可知活性炭具有較強(qiáng)的吸附和催化能力，滿足逆流脫硫脫硝裝置的要求。
表1 活性炭 XPS 表面元素分析結(jié)果[2]
|
樣品 |
w(C1s)/% |
w(O1s)/% |
w(N1s)/% |
w(Cl2p)/% |
w(S2p)/% |
O/C |
|
活性炭 |
92. 40 |
6. 43 |
0.88 |
0.12 |
0.17 |
0.0696 |
圖2 活性炭掃描電鏡
1.3脫硫原理
活性炭吸附煙氣中SO2、H2O、O2，在活性炭微孔內(nèi)SO2與O2、H2O反應(yīng)生成H2SO4。進(jìn)入脫硫吸附塔的煙氣溫度在120～160℃之間時(shí)SO2脫除效率高[3]。當(dāng)活性炭吸附飽和后通過(guò)活性炭輸送系統(tǒng)輸送至解析塔通過(guò)高溫解析再生，恢復(fù)活性。反應(yīng)式為：
1.4脫硝原理
脫硫后的煙氣進(jìn)入中間氣室與經(jīng)汽化的氨空氣充分混合，再穿過(guò)脫硝床層進(jìn)行脫除NOx，由于活性炭對(duì)NOX的吸附作用，降低了NOX與NH3的反應(yīng)活化能，可發(fā)生催化還原反應(yīng)，將煙氣中的NOX轉(zhuǎn)化為N2和H2O。同樣進(jìn)入脫硝吸附塔的煙氣溫度在120～160℃之間具有較高的脫硝效率[3]。反應(yīng)式為:
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O （2）
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O （3）
1.5顆粒物吸附原理
經(jīng)電除塵器過(guò)濾后的燒結(jié)煙氣中顆粒粒徑一般在2 μｍ以下，吸附塔內(nèi)的活性炭層相當(dāng)于高效顆粒層過(guò)濾器，這些微小顆粒通過(guò)慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散沉降等方式沉積在活性炭表面凹陷區(qū)域及孔洞。通常，直徑超過(guò)1 μｍ的顆粒可通過(guò)碰撞進(jìn)行捕集，而1 μｍ以下的粒子可通過(guò)遮擋和擴(kuò)散方式進(jìn)行捕集[4]。減少活性炭自身產(chǎn)生的顆粒物及降低吸附塔內(nèi)煙氣流速有利于顆粒物的超低排放。
1.6解析原理
吸附了污染物的活性炭被送至解析塔，在解析塔內(nèi)被加熱至溫度390-450℃，被活性炭吸附的SO2被釋放出來(lái)，生成富含SO2的氣體送制酸系統(tǒng)，可經(jīng)過(guò)制硫酸工藝制備98%濃硫酸。解析后的活性炭經(jīng)冷卻后，通過(guò)風(fēng)篩除塵和振動(dòng)篩篩分，將細(xì)小活性炭和粉塵去除，篩分后的活性炭送回到吸附塔循環(huán)使用。新的活性炭需要連續(xù)的加入到系統(tǒng)中補(bǔ)充篩分及再生造成的損耗[1]。反應(yīng)式為:
2H2SO4 +C→2SO2+CO2+2H2O （4）
2 項(xiàng)目運(yùn)行情況及效果分析
系統(tǒng)投入運(yùn)行前后煙氣排放數(shù)據(jù)如表2所示。由表可知，采用逆流活性炭脫硫脫硝技術(shù)后，凈化后煙氣中SO2排放濃度基本穩(wěn)定在20 mg/Nm³左右，脫硫效率達(dá)到95%以上，NOx排放濃度基本穩(wěn)定在45 mg/Nm³左右，脫硝效率達(dá)到85%以上，顆粒物排放濃度基本穩(wěn)定在8 mg/Nm³左右，燒結(jié)煙氣污染物減排效果顯著，污染物排放濃度均達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。
表2 凈化系統(tǒng)投用前后煙氣排放數(shù)據(jù)：
(時(shí)間以單月計(jì)算)
|
項(xiàng)目 |
ρ(SO2) /( mg/Nm-3) |
ρ(NOx) / (mg/Nm-3) |
ρ(顆粒物) /( mg/Nm-3) |
|
投入前 |
45 |
130 |
17 |
|
投入后 |
20 |
45 |
8 |
|
減排量 |
25 |
85 |
9 |
|
減排率 |
55.6% |
65.3% |
52.9% |
經(jīng)分析可知，由于原裝置由于煙氣在吸附塔入口一側(cè)SO2濃度較高，所以這一側(cè)的活性炭吸附后飽和程度較高，在煙氣出口一側(cè)， SO2經(jīng)吸附后濃度下降，活性炭飽和程度較低，因此從吸附塔排出的活性炭飽和程度不一致，未能充分發(fā)揮活性炭的吸附作用。此外，同一活性炭床層脫硫脫硝時(shí)，在煙氣SO2濃度未降到最低時(shí)噴氨，過(guò)量的氨氣會(huì)與剩余SO2發(fā)生反應(yīng)生成NH4HSO4造成床層板結(jié)，降低脫硝效率。采用逆流式脫硫脫硝技術(shù)后，脫硫?qū)优c脫硝層分開，活性炭把煙氣中的SO2充分吸收后再噴入氨氣，在脫硝層進(jìn)行脫硝反應(yīng)，避免活性炭層的板結(jié)[5]。脫硫?qū)蛹懊撓鯇踊钚蕴看矊痈叨热菀渍{(diào)節(jié)，脫硫脫硝效率更高，增加了污染物超低排放的穩(wěn)定性。
3結(jié)語(yǔ)
采用逆流活性炭脫硫脫硝技術(shù)對(duì)燒結(jié)煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行煙氣深度處理改造，建成后脫硫脫硝效果顯著，脫硫率達(dá)到95%以上，脫硝率達(dá)到85% 以上，凈化后煙氣中各污染物排放濃度達(dá)到超低排放水平，推動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，機(jī)構(gòu)性緊湊，占地面積更小，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，值得在燒結(jié)煙氣脫硫脫硝項(xiàng)目建設(shè)中推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] 崔巖等. "活性炭脫硫脫硝技術(shù)在燒結(jié)煙氣治理中的應(yīng)用." 硫酸工業(yè) 6(2021):5.
[2] 李蘭廷. 活性焦脫硫脫硝的機(jī)理研究——煙氣組成的影響[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2010(S1):5.
[3] 王耀昕. 活性炭聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)綜述[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2004, 20(6):2.
[4] 王章國(guó), 張艷軍, 申明強(qiáng). 活性炭脫硫脫硝系統(tǒng)顆粒物排放的影響因素[J]. 河北冶金, 2021(10):5.
[5] 韓健, 閻占海, 邵久剛. 逆流式活性炭煙氣脫硫脫硝技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用[J]. 燒結(jié)球團(tuán), 2018, 43(6):6.