燒結粉塵對活性焦吸附/解析特性的影響分析

張 茂，鄭世偉

（重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司,重慶 401122）

燒結粉塵對活性焦吸附/解析特性的影響分析

張 茂，鄭世偉

（重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司,重慶 401122）

根據太鋼450m2燒結機活性焦煙氣凈化系統運行參數，計算并分析了粉塵對吸附塔內活性焦的最大堵塞量及系統內實際殘留的粉塵量，并得出了經電除塵后的燒結煙氣含塵量對活性焦吸附/解析特性沒有破壞性影響的結論。

燒結粉塵;活性焦;吸附;解析

1 引言

煉鐵燒結工序產生的粉塵，大部分被燒結電除塵系統收集，少量的粉塵會隨著煙氣進入脫硫脫硝系統，而這部分粉塵具有濃度低、粒徑小的特點，因此在半干法和濕法脫硫工藝中，此部分粉塵對脫硫脫硝系統性能的影響很小。隨著環保法規的日益嚴格，燒結煙氣中多種污染物聯合脫除的需求越來越強烈，活性焦脫硫脫硝煙氣一體化凈化技術將得到了廣泛的應用。該技術的基本原理是利用活性焦孔隙結構進行吸附和解析的原理來脫除煙氣中的有害物質[1,2]。而活性焦的孔隙和粉塵粒徑都很小，因此，原燒結電除塵器排出的煙氣中的微細粉塵就有可能對活性焦的孔隙造成堵塞，影響活性焦的吸附能力，降低煙氣凈化系統的性能。由此可見，有必要對粉塵對活性焦吸附和解析性能的影響進行分析研究。

2 燒結粉塵的物化特性

燒結生產工藝主要在機頭和機尾產生較多粉塵，其主要成分為金屬氧化物及不完全燃燒物質等[3]。燒結電除塵器入口的煙氣中粉塵濃度一般在0.5～5 g/m3左右，而出口的設計指標在50 mg/m3以下，如表1所示。但從目前國內燒結機頭電除塵器使用情況來看，電除塵器除塵效率不夠穩定，都或多或少的存在一些問題，能較穩定地將排放濃度控制在50 mg/m3以下，抑或在80 mg/m3以下的廠家并不多[4],如：首都鋼鐵公司秦皇島分公司現有2臺150 m2燒結機配2臺280 m2兩室三電場除塵器，設計出口含塵濃度≤30 mg/m3。但自投產以來，除塵后的排放濃度波動相當大，最低值為11.4～20.65 mg/m3，最高值為127.63～248.53 mg/m3。

由此可見，經過燒結電除塵器后的煙氣中仍然含有微量粉塵，濃度在mg/m3量級。在已工程應用（中試）的活性焦煙氣凈化裝置的運行參數中也可以看到，進入吸附塔的煙氣含塵量也為mg/m3量級[5,6]，如：中冶長天活性焦煙氣凈化中試裝置吸附塔入口粉塵平均濃度80 mg/m3，最大140 mg/m3；四川豆壩電廠活性焦煙氣凈化中試裝置吸附塔入口粉塵平均80 mg/m3，最大200 mg/m3；太鋼450 m2燒結機活性焦煙氣凈化系統吸附塔入口粉塵平均90 mg/m3，最大100 mg/m3。

表1 國內部分鋼鐵廠的燒結機與電除塵器配置[4]

因此，從電除塵器的實際運行效果及國內活性焦煙氣凈化系統的工程(中試)實例可以看出，吸附塔入口粉塵濃度控制在200 mg/m3以內是允許的，并且這部分粉塵粒徑幾乎都小于2 μm[7]。

3 吸附塔內活性焦對粉塵的吸附作用

3.1 活性焦特性概述

活性焦是以煤炭為原料生產的一種新型吸附材料，是活性焦煙氣凈化技術的核心。目前，工業使用的活性焦多為直徑5～9 mm的圓柱活性焦，利用活性焦豐富的納米級孔隙結構和表面官能團實現對SO2、NOx等污染物的脫除。通常根據孔徑尺寸把孔隙分為三類：w＞50 nm的大孔、2nm＜w＜50nm的中孔、w＜2 nm的微孔（w：pore width），孔隙以連貫的形態存在于活性焦內，如圖1所示[8,9]。不同孔徑的孔隙在吸附和催化過程中發揮的作用有所不同：大孔在吸附中不起明顯作用，常常作為吸附質分子的通道；中孔既是吸附質分子的通道、支配著吸附過渡，又在一定相對壓力下按毛細凝聚的機理將蒸汽吸附在過渡孔中；微孔是吸附作用最大的，它對活性焦吸附量起著支配作用[10]。

圖1 活性焦及空隙結構示意圖

在吸附塔內，活性焦靠移動床支撐，移動的活性焦層相當于一個高效顆粒層過濾器（顆粒層除塵器），在慣性碰撞、遮擋作用和擴散撲捉效果下，煙氣中的大部分粉塵顆粒在床層內部的不同部位被捕集。通常直徑1μm以上的粒子可通過沖撞效果進行捕捉，而不到1μm的粒子要通過遮擋和擴散捕捉效果進行捕捉。

3.2 吸附塔內活性焦的粉塵吸附量概算

活性焦吸附污染物時有兩種作用機理，一種為物理吸附，一種為化學吸附。物理吸附作用依賴于活性焦多孔、比表面積大的特性，將煙氣中的污染物截流在活性焦內，利用微孔與分子半徑大小相當的特征，將污染物分子限制在活性焦內。因此，煙氣中存在的細小微粒就有可能堵塞活性焦的孔隙。但目前對于燒結煙氣中粉塵檢測的粒徑分布多停留在μm級，而活性焦的孔容參數為nm級，不好直接判定有多大比例的粉塵能夠進入到活性焦孔容中，但可以假設活性焦的孔容全部被煙氣中的粉塵占據來進行一定的量化計算。

鑒于目前國內已工程應用的燒結活性焦煙氣凈化系統只有太鋼，其余全是中試裝置，因此本文以太鋼450 m2燒結機活性焦煙氣凈化系統的實際運行參數進行概算，公式如（1）（2）所示，其主要參數如表2所示。

表2 主要工藝參數表[6]

式中：MH——完全吸附粉塵的活性焦的當量質量（活性焦空隙被粉塵全部占據），kg/h

Mf——被吸附塔中活性焦吸附和過濾的粉塵總量，kg/h

Q——煙氣量，m3/h

ΔCf——凈化前后煙氣中的粉塵濃度差，mg/m3

ρf——燒結灰堆密度，1500～2600 kg/m3

VK——活性焦孔容，0.4126 mL/g

由（1）式計算可得 Mf=115.5kg/h，107.7kg/h～186.7kg/h，即吸附塔內被粉塵堵塞的當量活性焦最多為：186.7 kg/h。吸附塔內的活性焦初裝量為3780 t。由此可見，相比初裝量，粉塵每小時可堵塞的活性焦最大量MH是微乎其微的，不會對吸附塔的吸附能力造成大的影響。

4 活性焦—粉塵物料平衡計算

活性焦煙氣凈化系統進料和出料示意圖如圖2所示，通過對進出系統的物料進行平衡計算可核算煙氣中粉塵停留在系統的量，即活性焦在解析塔中無法解析出的粉塵量。本文以太鋼450 m2燒結煙氣凈化系統的實際運行參數進行概算，系統進出口物料如表3所示。

圖2 系統物料走向示意圖

表3 系統進出口物料表[6,11]

進入系統的物料為：

MJ=Mf+Mx（3）

排出系統的物料為：

MC=Mf′+Mfy+Mt（4）

Mt=Mm+Mf″+Mh（5）

式中：MJ－進入系統的物料，kg/h

MC－排出系統的物料，kg/h

Mx－加入系統的新鮮活性焦，kg/h

Mf′－解析塔頂部解析尾氣含塵量，kg/h

Mfy－解析塔內解析反應耗炭量，kg/h

Mt－解析塔底部篩分出的活性焦粉量，kg/h

Mm－活性焦與反應器壁之間的摩擦會產生少量活性焦粉量，按活性焦循環量的2%計算[12]，得239 kg/h

Mf″－活性焦過濾出的燒結煙氣粉塵，kg/h

Mh－活性焦解析反應產生的灰分，活性焦灰分按15%計算[12]，得15.8 kg/h

由（3）（4）可得：MJ=402.5kg/h＜417.5kg/h=MC，進出口物料絕對誤差為15 kg/h，相對誤差為：3.7%，可認為系統物料平衡。

由（5）可以得出：Mf″=78.2 kg/h，則煙氣中的粉塵殘留在系統中的量為：Mf－Mf″=37.3 kg/h，占入口煙氣含塵量的26%。

綜上可見，煙氣中的粉塵絕大部分都能被系統過濾排出，但仍有一小部分量殘留在系統中。隨著系統的長期穩定運行，系統內殘留的粉塵量最終將達到平衡。因此，粉塵對系統的物理堵塞作用也是有限的，不會對系統的整體性能造成破壞性影響。

5 結論

通過對工程實例進行分析，可以認為：活性焦煙氣凈化系統可以適應入口煙氣粉塵濃度控制在200mg/m3以內的工況；且燒結煙氣中的粉塵對活性焦的物理堵塞量小，并不會對整個系統的穩定及凈化性能造成破壞性的影響；反而吸附塔中的移動活性焦層相當于一個高效顆粒層過濾器，起到了過濾除塵的作用，能夠有效的脫除燒結煙氣中的粉塵。

[1]翟尚鵬，辛昌霞，劉靜等.活性焦煙氣脫硫技術的發展與應用[C].第十屆中國科協年會論文集,2008:35－39

[2]劉強,劉靜,等.活性焦脫硫技術在有色冶煉行業的應用及發展[J],硫酸工業,2014（3）:16－19.

[3]孟思明.燒結粉塵特性與放電研究及基于此的電除塵平臺開發[D].武漢:華中科技大學,2013

[4]易寧.淺談提高燒結廠機頭電除塵的除塵效率[J].燒結球團,2008 （2）:52－54.

[5]劉卓衢.活性炭煙氣脫硫制硫酸(30kt/a)系統研究與設計[D].成都:四川大學,2007.

[6]趙德生.太鋼450m2燒結機煙氣脫硫脫硝工藝實踐 [C].2011全國燒結煙氣脫硫技術交流會論文集,太原.2011:8－16.

[7]蔣新民.鋼鐵廠燒結機頭電除塵灰綜合利用[D].湘潭大學,2010.

[8]孫飛.活性焦納孔結構中S吸附、轉化與遷移機制[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2012

[9]邵海燕.活性炭用于循環流化床煙氣脫硫脫硝的試驗研究[D].濟南.山東大學.

[10]范明霞,張智.活性炭孔徑分布和表面化學性質對吸附影響的研s究進展[J].煤炭加工與綜合利用,2011(1):49－53.

[11]李強,呂彥強.燒結煙氣脫硫制酸凈化工序的設計與生產實踐[J].硫酸工業,2011(5):15－18.

[12]張文輝.吸附SO2活性焦再生解吸機理分析[C].第21屆炭·石墨材料學術會論文集,2008:338－341.

Analysis on the Effect of Sintering Dust on the Adsorption Desorption Characteristics of Activated Coke

Zhang Mao,Zheng Shiwei

（Chongqing CISDI Thermotechnical and Environmental Protection Engineering CO.,Ltd.,Chongqing 401122,China）

Based on the operation data of the 450m2sintering machine in TISCO,the maximum quantity of activated coke jammed by sintering dust in the adsorption tower and the actual quantity of residual sintering dust in the system are calculated and analyzed.It is concluded that the dust content in sintering flue gas after ESP treatment will not produce destructive effect on the adsorption/desorption properties of activated coke.

sintering dust;activated coke;adsorption;desorption

TF046

B

1006－6764（2015）06－0028－03

2015-03-12

張茂（1982－），工程師，碩士，畢業于哈爾濱工業大學熱能工程專業，現從事大氣污染物治理、工業余熱利用相關工作。