四川德勝釩鈦燒結高硫煙氣超低排放改造實踐

劉龍海,楊百順,麥吉昌,饒梁洪,向成功,宋 俊

(1.四川德勝集團釩鈦有限公司,四川 樂山 614900)

鋼鐵行業的不斷發展,一方面促進了國民經濟的增長,另一方面也造成生態環境污染、產能過剩等問題。2018年政府工作報告提出“推動鋼鐵等行業超低排放改造”任務要求,打贏藍天保衛戰,共創綠水青山。生態環境部起草了《鋼鐵企業超低排放改造工作方案(征求意見稿)》,明確“燒結機頭煙氣、球團焙燒煙氣在基準含氧量16%條件下,顆粒物、二氧化硫、氮氧化物小時均值排放濃度分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。實施鋼鐵企業超低排放改造,對推動鋼鐵工業轉型升級、改善大氣環境質量、化解鋼鐵行業過剩產能具有重要意義。

1 超低排改造技術路線論證及選擇

1.1 主流技術路線分析

針對德勝260 m2燒結煙氣中污染因子的特征:SO2濃度在5000 mg/Nm3、CO含量高、濕度大等,本項目若采用前置中高溫SCR脫硝,則煙氣中的SO2易氧化成SO3,使SO3與NH3反應生產ABS(硫酸氫氨),其在低溫下以溶膠物質形式在物體表面聚集或以液滴形式分散于煙氣中。當催化劑運行溫度低于ABS的凝聚溫度(230 ℃)時,由于催化劑的微觀毛細管作用,易造成ABS沉積在催化劑的空隙里,造成催化劑活性下降。此外,還有以下缺點:

(1)在采用中高溫SCR脫硝技術設計溫度需達到320 ℃以上,最佳運行溫度范圍為:330～380 ℃,輔助加熱系統能耗較高。

(2)在300 ℃以上溫度二噁英分解受到抑制,不能被脫除。

(3)因中高溫SCR脫硝裝置用GGH氣氣換熱器進行熱回收,在SCR脫硝裝置出口煙氣溫度經換熱器后仍然有200 ℃左右,還需要降溫才能達到脫硫所需要的溫度。把脫硝放在脫硫前,還需要在脫硫裝置前、后加裝煙氣換熱裝置,設備占地面積大、投產成本高、故障點增加維修量增大、系統壓損增加、運行費用增加。

(4)由于燒結運行工況變化大(包括煙氣量、煙氣溫度、污染物初始濃度等),SCR反應器連續穩定運行控制難度大。

(5)燒結煙氣粉塵含有較大量的堿性物、三氧化二鐵等,粉塵較粗且粘性較強,容易造成催化劑堵塞。因此,本項目采用后置(相對脫硫)中高溫SCR脫硝工藝,脫硝溫度區間選擇280～300 ℃,避免二噁英被分解后再次合成。

1.2 技術工藝路線確定

1.2.1 除塵和脫硫

從2014年以來國內火力發電廠要求進行超標放以來,已運行超排放案例99%以上均采用鈣基濕法脫硫工藝,其中98%均采用成熟可靠的石灰石/石膏濕法技術。本項目原煙氣SO2含量高、脫硫劑來源(周邊的造紙廠白泥)可靠,采用鈣基濕法技術,脫硫劑可采用石灰石塊、粉狀生石灰、白泥。

1.2.2 脫硝和脫二噁英

SCR脫硝技術在火電廠運用案例多,且成熟可靠;中溫催化劑已大量運用于焦化煙氣脫硝;在燒結煙氣脫硝方面,行業內已經成熟應用。采用成熟的SCR脫硝技術,脫硫后的凈煙氣(55 ℃左右)由換熱器(GGFH)與加熱裝置加熱到280～300 ℃左右,再與尿素熱解產生的氨氣充分混合后進入SCR反應器,脫硝后的熱煙氣經換熱器冷卻至100 ℃以上后排入煙囪。

綜上所述,為確保本項目污染物治理目標(粉塵、SO2、NOX)的實現,同時遵循投資最省、占地最小、運行最節約最可靠、改造停機時間最短的原則,采用石灰石-石膏濕法脫硫+濕式電除塵器+消白+GGH升溫+加熱爐補燃+SCR脫硝+GGH降溫協同處置工藝路線。

2 超低排改造實踐

綜合投資、運行穩定性、出口排放穩定達標等考慮,本次四川德勝集團燒結廠260 m2燒結煙氣脫硫超低排放改造在原有靜電除塵器基礎上拆除原有石灰-石膏濕法脫硫系統并升級新建石灰石(白泥)-石膏濕法脫硫系統,同時增加濕式電除塵器系統、SCR脫硝系統,如圖1所示。

圖1 260m2燒結煙氣超低排放綜合治理升級改造項目工藝流程圖

2.1 脫硫穩定達標排放保證措施

2.1.1 吸收塔設計保證措施

吸收塔采用噴淋空塔,吸收塔漿液池與塔體為一體結構。主要構件包括吸收塔殼體、吸收塔攪拌器、噴淋管、氣液均布裝置、增效環、噴淋層及噴嘴、一體化除塵除霧器。煙氣進口操作溫度為120～165 ℃(可以瞬間承受溫度170 ℃),吸收塔設計溫度為進口160 ℃、出口55 ℃,塔體的殼體材質選用碳鋼內襯玻璃鱗片。

2.1.2 一體化除塵除霧器的可行性、先進性設計

目前由于排放指標的提高,要達到超低排放的要求,需要整個系統協同來完成。雖然采用了氣液均布裝置、增效環、高效的噴淋層及噴嘴等綜合措施來提高除塵效率,但仍然達不到粉塵低于10 mg/Nm3排放要求。總的來說,吸收塔流場的均布度至關重要,不管是噴淋層下部加氣液均布裝置,噴淋層中間塔壁上加增效環,或者抬高塔的高度,都能使吸收塔的流場更加均布。為達到除霧器出口煙氣中液滴含量低于排放要求,在入口粉塵含量小于80 mg/Nm3條件下,保證總排放口粉塵含量不大于10 mg/Nm3(標態,干基,16%O2)的指標,結合CFD模擬結果和同類案例的運行情況,在吸收塔的噴淋層上部布置一體化除塵除霧裝置,布置于吸收塔頂部最后一層噴淋層的上部。煙氣穿過噴淋層后,再連續流經一體化除塵除霧器除去所含漿液霧滴和塵。在一體化除塵除霧器區域布置沖洗噴嘴,通過沖洗除塵器元件,帶走除塵除霧區域附著的塵粒。煙氣通過一體化除塵除霧器后,煙氣粉塵含量低于35 mg/Nm3。一體化除塵除霧器沖洗系統間斷運行,采用自動控制和手動控制兩種方式,保證一體化除塵除霧器無結垢。

2.1.3 吸收塔內防腐的可行性、先進性設計

吸收塔殼體材料采用碳鋼(材質為Q235B),脫硫漿液呈酸性,脫硫漿液中含有Ca2+、SO42-、SO32-、Cl-、F-等物質,漿液PH值呈酸性(5～6),對吸收塔防腐要求高,吸收塔內部構件及塔壁防腐采用玻璃鱗片。

2.2 濕電穩定達標排放保證措施

本項目濕式電除塵器布置在吸收塔頂部,本體采用下進上出型式,脫硫后濕煙氣從吸收塔出口均流后,在下氣室內煙氣被氣流分布裝置均流后進入濕式電除塵器本體內除塵,除塵后的煙氣從頂部排出進入后續工藝段。氣流分布的均勻程度直接關系到除塵效率,特別是在高粉塵濃度、高比電阻及高除塵效率的要求下,氣流分布的均勻性程度尤為重要。為了使流入電場的含塵氣體均勻經過電場,在電場入口前裝有進口氣流分布板。本項目濕式電除塵器布置在吸收塔上部(脫硫后的濕煙氣經過高效除霧器后直接進入濕式電除塵器裝置段,吸收塔和濕式電除塵器的直徑分別為12.5 m和18.0 m);本項目濕式電除塵器首先是根據系統布置建立CFD流場,通過模擬選擇不同氣流分布裝置的布置模擬確認最佳氣流分布裝置的布置方式、進出口煙道的角度,同時采用分布裝置采用分布板與氣流分格柵的組合模式確保進、出濕式電除塵器的氣流在整個截面積上均勻。氣流分布板、分格柵均采用的是耐腐蝕的高強度玻璃鋼,保證能使用30年。

2.3 脫硝穩定達標排放保證措施

本項目從催化劑選型、吹灰方式、GGH氣氣換熱器的選型、加熱系統的設計等多方面進行綜合設計。

2.3.1 氣氣換熱器(GGH)

采用高通透性傳熱元件,封閉流道、吹灰疏通良好。同時為防止硫酸氫氨沉積在傳熱元件上,在設計時換熱元件總層數不超過兩級組件模式,更有利于吹灰和沖洗。另外GGH換熱器配置在壓縮空氣(0.8 MPa以上)吹灰、高壓水沖洗系統,吹灰方式采用定時吹掃,每8小時吹1時;設置在線或定期清洗確保在仍和情況下系統不堵塞。

2.3.2 催化劑

本項目煙氣粉塵含量低于10 mg/Nm3,結合其他類似項目案例及實際投運情況決定選用20孔蜂窩式催化劑,催化劑單元尺寸為150 mm×150 mm×975 mm,模塊外形尺寸為1900 mm×960 mm×1165 mm,單層催化劑模塊數為88塊,本項目所需脫硝催化劑共278 m3(SCR反應器布置三層,初裝催化劑兩層,備用一層)。本項目選用的20孔蜂窩式催化劑具有通流面積大、壓降小、耐堵塞等優點。此催化劑中加有稀有金屬氧化物,可以耐煙氣中的砷(As)中毒。由于蜂窩式催化劑具有的特殊結構,在高灰煙氣條件表現出耐堵塞、耐磨損、抗中毒、低SO2/SO3轉化率等優點,是一種特別適合燒結煙氣脫硝的催化劑類型。

2.3.3 吹灰系統

本工程催化劑表面結灰主要是細灰塵搭橋引起,采用聲波吹灰器很難將其清除,故采用耙式吹灰器(每層布置12臺耙式吹灰器,采用對側布置,可避免吹灰死區)進行吹灰,耙式吹灰器具有清灰能力強的特點,每隔一小時進行一次吹灰,可徹底的清除催化劑表面的積灰,從而保證脫硝系統的連續正常運行。本項目新建壓縮空氣站為耙式吹灰器提供氣源。SCR區控制和吹灰控制納入本次DCS進行控制。

3 超低排技術創新點與應用

3.1 釩鈦燒結高硫煙氣的高效率脫除

四川德勝集團燒結廠260 m2燒結煙氣使用攀西地區的高硫釩鈦精礦粉,燒結生產進口SO2常態保持>3000 mg/m3,對比濕法、干法、半干法的優缺點最終選擇石灰石(白泥)-石膏濕法作為超低排放的脫硫工藝。配套建設脫硫劑系統、石膏脫水系統和廢水處理系統。石膏脫水系統采用帶式真空壓濾,通過調整PH、漿液密度等工藝控制及定期更換濾布、旋流子確保脫硫石膏水分<14%。脫硫廢水處理系統采用三聯箱工藝;脫水后的石膏和濾餅運至水泥廠綜合利用。

3.2 高效濕式電除塵器與脫硫一體化協同

四川德勝集團燒結廠260 m2燒結超低排放升級改造選用濕式電除塵器做為除塵工藝,采用立式管式布置,濕電裝置布置于吸收塔頂部,濕電陽極管采用蜂窩式導電玻璃鋼。自2020年投運至今出口粉塵排放達標率100%(<10 mg/m3)。

3.3 高效率、低能耗SCR脫硝工藝技術應用

四川德勝集團燒結廠260 m2燒結超低排放升級改造脫硝系統采用SCR選擇性催化還原工藝(280～300 ℃),采用尿素熱解制氨;選用蜂窩式催化劑,催化劑按2+1方式布置;反應器系統配套回轉式煙氣換熱器、熱風爐、熱解爐等裝置。運行期間經過不斷調試改進,目前在脫硝系統熱風爐日常維護采用外部耐材填充、噴氨格柵增加一套壓縮空氣在線清灰裝置,大大減少檢修時間及周期需求。

4 結論

本次改造在原有靜電除塵器、石灰-石膏濕法脫硫系統基礎上新建石灰石-石膏濕法脫硫系統并增加濕式電除塵器系統、SCR脫硝系統。自2020年10月完成改造后投運至今煙氣綜合治理系統及配套在線裝置運行良好,主要污染物二氧化硫、氮氧化物、粉塵已全面達到國家冶金行業煙氣“35-50-10”的超低排放標準,同步率在99.5%以上,出口排放二氧化硫濃度在10 mg/m3左右,氮氧化物在30 mg/m3左右,粉塵在5 mg/m3左右。改造前后對比如表1所示。

表1 260 m2燒結燒結超低排放改造前后對比

(1)采用石灰石-石膏濕法脫硫+濕式電除塵器+消白+GGH升溫+加熱爐補燃+SCR脫硝+GGH降溫協同處置技術。該技術具有如下特點:A、濕法脫硫效率99.5%以上,采用白泥作為主要脫硫劑,脫硫效率高、運行成本低;B、濕電除塵效率75%以上,技術成熟、穩定;C、煙氣消白結合中高溫SCR脫硝有效控制排煙濕度和溫度,達到消白效果。D、SCR脫硝技術成熟、穩定,脫硝效率80%以上。

(2)白泥作為造紙廠固廢,處理難度大,對環境污染重。本次超低排放改造首選白泥作為脫硫劑進行設計建設,運行至今出口SO2均穩定達標,每年為造紙廠處理固廢白泥4.5萬噸,白泥作為石灰石、石灰粉的替代物,運行至今完全滿足脫硫需求,極大的降低運行成本,并形成固廢資源化協同循環利用,對行業及區域環境具有重要的社會和經濟效益。