燒結煙氣濕法脫硫塔內除塵除霧除濕一體化技術

岳 琳，劉 超，譚棟棟，陳 勇，楊 戰

（西安西礦環保科技有限公司，陜西 西安 710075）

近年來，隨著環保要求的日益嚴格，鋼鐵行業超低排放的改造形勢也日趨嚴峻。2019年4月，生態環境部、國家發展和改革委員會、工業和信息化部、財政部、交通運輸部聯合發布了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》（以下簡稱“《意見》”），提出鋼鐵燒結行業分階段逐步完成超低排放改造[1]。2019年12月，為規范和統一超低排放驗收相關標準，生態環境部辦公廳發布了《關于做好鋼鐵企業超低排放評估監測工作的通知》，指導企業及行政部門開展超低排放評估監測工作，推動行業高標準實施超低排放改造[2]。由此可見，燒結煙氣超低排放改造刻不容緩。

中國環境保護產業協會冶金環保專業委員會編制的《鋼鐵企業超低排放改造技術指南》（以下簡稱“《指南》”）指出，燒結機機頭（球團焙燒）煙氣、焦爐煙囪廢氣，有組織排放治理工藝路線中，脫硫可采用石灰石/石灰-石膏等濕法脫硫工藝；脫硫塔入口粉塵質量濃度宜小于50 mg/m3；濕法脫硫設施需配備濕式電除塵器。同時，《指南》也提出鼓勵鋼鐵企業、環保企業和科研機構加強技術研發，應用新技術、新工藝和新裝備，實現超低排放。

1 燒結煙氣濕法脫硫現況[3-4]

1.1 燒結煙氣的特點

燒結煙氣量大且分布不均勻，每產生1 t燒結礦大約產生4 000～6 000 m3的煙氣；因礦石、燃料自身產地性質等不同，燒結煙氣中的污染物質量濃度范圍變化大；煙氣成分復雜，不僅含有常規污染物SO2、NOx、顆粒物，而且還含有HCl、HF等腐蝕性氣體，甚至含有鉛、汞、鉻、鋅及二噁英/呋喃類有毒有害物質；煙氣溫度變化范圍大在120～180℃之間；由于燒結工藝自身的特性，原料需加水，使得燒結煙氣的含濕量較大，可達到7%～13%，O2質量分數一般為15%～18%。

1.2 濕法脫硫煙氣含濕的問題

目前最常見的燒結煙氣處理工藝主要為電除塵+濕法/半干法脫硫+中溫SCR脫硝（針對不同的工況，增加相關系統配置）。

相對于半干法脫硫，濕法脫硫效率高、運行穩定、工藝成熟，其通過向高溫煙氣中噴淋大量的堿性溶液吸收SO2而脫硫，噴淋凈化后的煙氣經除霧器除塵除霧后排出，此煙氣溫度很低（50～60℃），煙氣量比脫硫前增加約8%[5]，且為飽和濕煙氣，當溫度稍微降低時，濕煙氣中水蒸氣即會冷凝形成霧狀液滴，對設備腐蝕嚴重。為避免煙道腐蝕，不僅需要采用特殊防腐材質，例如玻璃鱗片等，甚至可能需要配套煙氣升溫設備以保證煙道及設備不被腐蝕，大大增加了成本。同時，由于后續SCR脫硝催化劑對溫度范圍要求嚴格，脫硝前的原煙氣需與脫硝后凈煙氣在GGH換熱器中進行換熱，受GGH技術和選型限制，換熱后的煙氣仍需加熱約30℃才能滿足脫硝反應要求[6]，因此還需要通過高爐/焦爐煤氣燃燒放熱給原煙氣第二次升溫，但由于煙氣經過濕法脫硫后含水量增加，加熱此飽和濕煙氣所用高爐/焦爐煤氣量大大增加，不僅增加了加熱爐的初始投資，也使SCR系統運行能耗成本增加。

1.3 濕法脫硫除塵除霧效果

濕法脫硫具備協同除塵的能力，其平均協同除塵效率大致在50%左右，主要依靠液滴與粉塵顆粒物的慣性碰撞、截留、布朗擴散等機理進行除塵[7]。

但也有研究指出，脫硫系統入口粉塵質量濃度在50 mg/m3以下時，其協同除塵的效率不足20%[8]。《指南》指出：燒結機機頭（球團焙燒）煙氣、焦爐煙囪廢氣，脫硫塔入口粉塵質量濃度宜小于50 mg/m3，故經過噴淋層后的燒結煙氣仍含有至少25 mg/m3的顆粒物，無法滿足超低排放的要求，研究證明，隨著脫硫前除塵器煙塵排放值減小、煙塵粒徑下降，微細顆粒的比例大大增加，這時脫硫系統的除塵效率將大大降低[9]。濕法脫硫協同除塵無法保證顆粒物的達標排放，更難達到超低甚至超凈的要求，故仍需配置濕電除塵或在后端設置布袋除塵等。

根據HJ 179—2018《石灰石石灰-石膏濕法煙氣脫硫工程通用技術規范》的要求，吸收塔除霧器除霧性能應確保煙氣中液滴全質量濃度不大于50 mg/m3（干基折算），為達到此標準，通常采用增加除霧器級數的方式[8]，常見的有一級管式+三層屋脊式，這樣雖然達標但增加了投資費用且增加了系統阻力。

除霧器對于協同除塵的作用主要是在攔截液滴的同時捕集了煙氣中的顆粒物（石灰石、石膏、被液滴包裹的煙塵等）[7]。但機械除霧器協同除塵作用有限，不太可能是協同除塵的主要貢獻者。

1.4 現有燒結煙氣濕法脫硫后的工藝

綜上所述，濕法脫硫后的煙氣還需進行除塵、除霧、除濕處理，才能進入下一道，即SCR脫硝工序。針對上述問題，多采用濕法脫硫，利用加冷凝器（塔）、濕電除塵等技術，具體工藝路線及各路線的特點如表1所示。

表1 現有燒結煙氣濕法脫硫后相關工藝及特點

由表1可看出，目前幾種燒結煙氣濕法脫硫后除塵、除霧、除濕的相關工藝，存在著工序設備多、工藝復雜、投資費用高、占地面積大等不足之處。為解決上述不足，本文介紹一種濕法脫硫塔內除塵除霧除濕一體化工藝。

2 除塵除霧除濕一體化技術介紹

2.1 系統組成

塔內一體化裝置共分為3部分，順煙氣方向（由下向上）依次為：水洗除塵除霧層，主要包括高效氣液分離器、沖洗層、水洗噴淋層及配套循環水系統；冷凝除濕層，主要包括高效氣液分離器、沖洗層、冷凝除濕噴淋層及配套冷卻水系統；超凈除塵除霧裝置，其通過旋流器的作用，使煙氣產生離心力，進一步除去顆粒物及霧滴。其中，水洗除塵除霧層及冷凝除濕層可根據煙氣的粉塵質量濃度及含濕量等特性，相應增加配置層數。濕法脫硫塔內除塵除霧除濕一體化工藝流程如圖1所示。

圖1 濕法脫硫塔內除塵除霧除濕一體化工藝流程圖

2.2 水洗除塵除霧層

煙氣經過濕法脫硫噴淋層后SO2被吸收，飽和濕煙氣繼而進入“除塵除霧除濕一體化”系統。首先通過水洗除塵除霧層，每層設置多個氣液分離器，氣液分離器下部安裝旋流器，旋流器將煙氣均流入筒體，通過旋流增速，以最小的阻力條件提升煙氣流速，滿足煙氣旋轉分離的速度要求，進入氣液分離器，由于快速旋轉產生離心力[10]的作用，煙氣中一部分粉塵及霧滴被甩至分離器壁，最終順壁板流下進入塔底漿池；沖洗水泵抽取循環水箱中的水，通過高壓噴頭定期對分離器內壁及旋流器進行沖洗，防止板結堵塞；水洗泵抽取循環水箱中的水送至水洗噴淋層，煙氣則通過升氣帽下部的壁板空隙繼續上行，與噴嘴噴出的霧化液滴反生逆向接觸，顆粒物被捕捉，同時噴淋水落在升氣帽頂部，當碗型升氣帽滿水后會溢流形成水幕，與煙氣發生二次接觸，煙氣中的顆粒物被水洗落入氣液分離器的托盤，托盤上設置集水槽，含塵液體通過集水槽底部管道重力自流進入循環水箱。循環水箱定期排污、補水，保證系統正常運行。在水洗除塵除霧層，煙氣中70%顆粒物被捕捉去除。凈化后的煙氣進入上部冷凝除濕層。

2.3 冷凝除濕層

借鑒傳統煙氣消白工藝，原理是將飽和濕煙氣轉換成非飽和濕煙氣，常見的方法有煙氣升溫、煙氣降溫再熱、煙氣冷凝降溫、溶液除濕[11]。其中煙氣升溫僅可降低濕煙氣的相對含濕量，但煙氣中的水分質量并未減少；煙氣降溫再熱需要消耗大量能源介質，經濟性較差；溶液除濕的溶液成本高、腐蝕性強，溶液鹽結晶可能導致煙氣顆粒物質量濃度超標[10]。

冷凝除濕是通過降溫的方法使煙氣中的水蒸氣發生相變，成為水滴，最終使煙氣中攜帶的水分減少，同時煙氣溫度的降低也減輕了后續SCR脫硝加熱爐的壓力，降低了能耗。冷凝除濕層利用低溫噴淋水將煙氣冷卻降溫最終達到減少煙氣水分的目的。此系統與水洗除塵除霧層運行流程基本一致，但由于循環水的溫度隨著循環次數的增加而增高，平衡后再難起到降溫作用，故設置外置冷卻塔，采用空冷方式對循環水進行降溫。

煙氣通過濕法脫硫噴淋層后溫度降至50℃左右，通過冷凝作用可降至40℃以下，煙氣含濕量降至冷凝前的23.3%，可去除煙氣中50%～70%的水分，達到除濕的目的[10]。

2.4 超凈除塵除霧裝置

降溫后的煙氣再經過超凈除塵除霧裝置，對末端煙氣深度進行除塵除霧。經過水洗層與冷凝層的煙氣中，仍含有少量顆粒物及水分，經過超凈裝置后，最終脫硫塔出口粉塵質量濃度小于等于10 mg/m3，霧滴質量濃度小于等于20 mg/m3。

3 原有技術與本技術的對比

相對于傳統的濕式電除塵技術，該技術具有以下顯著優勢：①一次投資費用少。同樣煙氣條件下，本系統僅占濕電除塵器一次投資費用的70%。②運行費用低。除塵除霧除濕一體化裝置采用的是被動式耦合旋流技術，除塵除霧使用的是風的動力，而濕電除塵用的是高負荷的電力，運行電耗為濕電的50%。③維護費用低。除塵除霧除濕一體化裝置采用耐腐蝕耐磨的FRP復合玻璃鋼工藝制成，相對于濕電每年的檢修維護費用居高不下，本系統的運行不需要維護費用。④系統運行參數穩定。濕電運行時，需要1～2 d停機沖洗一次，在沖洗過程中會造成顆粒物短暫超標。除塵除霧除濕一體化裝置可實現運行時沖洗，可確保24 h穩定達標。

4 工程實例

目前此濕法脫硫塔內除塵除霧除濕一體化技術已有成功運行的案例。

安陽市新普鋼鐵90 m2+132 m2燒結機脫硫塔除霧新增水洗除塵及高效旋流除塵除霧，同時，應當地環保局的要求，配套設置了濕式電除塵器。進口粉塵質量濃度為200 mg/m3，濕電停運后，顆粒物質量濃度小于50 mg/m3，濕電投運時，顆粒物質量濃度小于2 0 m g/m3，出口煙氣霧滴質量濃度為20 mg/m3。

山東隆盛鋼鐵120萬t球團除塵超低改造，系統風量70 000 m3/h；濕法脫硫系統入口粉塵質量濃度為80 mg/m3，經過塔內設備后排放質量濃度小于10 mg/m3。此工藝同樣適用于鍋爐煙氣，青州博奧炭黑70 t/h+50 t/h鍋爐煙氣脫硫脫白除塵改造項目，系統風量為180 000 m3/h。系統入口煙塵質量濃度為200 mg/m3，排放指標為10 mg/m3；脫硫塔進口溫度為180℃左右，設計出口煙氣溫度為75℃左右，實際運行時，最低可達到40℃，成功通過降溫冷凝達到了除濕的效果。

5 結語

目前，燒結煙氣超低排放改造已進入白熱化階段，由于顆粒物排放標準提高，對燒結煙氣凈化系統的要求也更高，然而針對顆粒物，燒結機頭電除塵難以滿足目前的需要，對原有電除塵器進行改造，需要消耗巨大的費用。通過對燒結煙氣濕法脫硫系統的改造，將原有除塵器改造為除塵除霧除濕一體化裝置，能有效保證顆粒物的達標排放，同時降溫除濕也能減少超低排放系統的能耗，是切實可行的方案。