逆流活性炭脫硫脫硝技術(shù)在燒結(jié)煙氣超低排放中的應(yīng)用

何生明，趙立文，楊志功，姜海賓

（邯鄲鋼鐵集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，河北 邯鄲 056000）

隨著鋼鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，煙氣排放量日益增加，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。隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保問題日益突出，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)的《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、顆粒物的小時(shí)排放質(zhì)量濃度均值分別不高于35 mg/m3、50 mg/m3、10 mg/m3。

目前，浙江某鋼鐵企業(yè)有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、顆粒物質(zhì)量濃度約700 mg/m3、400 mg/m3、45 mg/m3，凈化后二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放的質(zhì)量濃度分別約為45 mg/m3、130 mg/m3、17 mg/m3，排放濃度達(dá)不到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析，排放濃度不達(dá)標(biāo)主要原因?yàn)闊煔庵形廴疚餄舛仍谖剿?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，以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?，從而全面?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に?/h2>

1.1 工藝流程

燒結(jié)煙氣經(jīng)過增壓風(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，以此實(shí)現(xiàn)一套裝置中完成吸附和催化還原反應(yīng)過程。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?；钚蕴客ㄟ^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。逆流式活性炭工藝流程圖如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 逆流式活性炭工藝流程圖

1.2 活性炭理化特性

下頁(yè)表1 為活性炭表面的元素組成，由表1 可以看出，活性炭表面含有豐富的基團(tuán)，它們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極性污染物的吸附和催化反應(yīng)[2]。圖2為活性炭放大5 000 倍的掃描電鏡圖，由圖2 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]

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，通過活性炭輸送系統(tǒng)輸送至解析塔進(jìn)行高溫解析再生，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，再穿過脫硝床層脫除NOx，由于活性炭對(duì)NOx具有吸附作用，會(huì)降低NOx與NH3的反應(yīng)活化能，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 ℃之間時(shí)具有較高的脫硝效率[3]。反應(yīng)式為：

1.5 顆粒物吸附原理

經(jīng)電除塵器過濾后的燒結(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)于高效顆粒層過濾器，這些微小顆粒通過慣性碰撞、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。通常情況下，直徑超過1 μm 的顆?？赏ㄟ^碰撞進(jìn)行捕集，而1 μm 以下的粒子可通過遮擋和擴(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390～450 ℃，由活性炭吸附的SO2被釋放出來，生成富含SO2的氣體送至制酸系統(tǒng)，可經(jīng)過制硫酸工藝制備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)加入到系統(tǒng)中，以補(bǔ)充篩分及再生造成的活性炭損耗[4]。反應(yīng)式為：

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2 可知，采用逆流活性炭脫硫脫硝技術(shù)后，凈化后煙氣中SO2排放質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在20 mg/m3左右，脫硫效率達(dá)到95%以上，NOx排放質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在45 mg/m3左右，脫硝效率達(dá)到85%以上，顆粒物排放質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在8 mg/m3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)

經(jīng)分析可知，由于原裝置中煙氣在吸附塔入口一側(cè)的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，改造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)了行業(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。