玻璃窯爐煙氣干法脫硫和低溫脫硝系統(tǒng)的設計

[摘 要]為解決傳統(tǒng)濕法脫硫和高溫SCR脫硝技術存在的二次污染、占地大、運行成本高等問題，文章設計了玻璃窯爐煙氣干法脫硫和低溫脫硝系統(tǒng)。研究結果表明，該設計適用于玻璃制造行業(yè)，能夠顯著改善煙氣排放質量，滿足國家環(huán)保標準。

[關鍵詞]玻璃窯爐；干法脫硫；低溫脫硝；系統(tǒng)設計；仿真優(yōu)化

[中圖分類號]X781.5 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0048–03

Design of Dry Flue Gas Desulfurization and Low-temperature Denitrification System for Glass Kilns

JIANG Fengyong

[Abstract]To solve the problems of secondary pollution， large land occupation， and high operating costs in traditional wet flue gas desulfurization and high-temperature SCR denitrification technologies， this article designs a dry flue gas desulfurization and lowtemperature denitrification system for glass kilns. The research results indicate that this design is suitable for the glass manufacturing industry and can significantly improve the quality of flue gas emissions， meeting national environmental standards.

[Keywords]glass kiln； dry desulfurization； low temperature denitrification； system design； simulation optimization

1 煙氣干法脫硫系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成與原理

1.1.1 脫硫劑的選用與供應系統(tǒng)

在干法脫硫系統(tǒng)中，碳酸氫鈉（NaHCO3）是常用的脫硫劑。NaHCO3在高溫條件下分解成碳酸鈉（Na2CO3），并與煙氣中的二氧化硫（SO2）反應生成硫酸鈉（Na2SO4），從而實現(xiàn)脫硫。脫硫劑的供應系統(tǒng)通常包括儲存、輸送和噴射裝置。系統(tǒng)需要設計合理的儲存設施，以確保脫硫劑的穩(wěn)定供應。同時，輸送裝置須具備精確的輸送能力，確保脫硫劑按需供應，并通過噴射裝置均勻分布到煙氣中，以提高反應效率。

1.1.2 脫硫反應器設計

脫硫反應器是干法脫硫系統(tǒng)的核心部分，其設計直接影響脫硫效率。反應器通常采用流化床或旋轉噴射等結構，以增加脫硫劑與煙氣的接觸面積和時間，確保充分反應。反應器內(nèi)部需要設計合理的煙氣流道和擾流結構，以促進煙氣與脫硫劑的混合。同時，反應器的材料選擇應考慮高溫和腐蝕環(huán)境，以確保系統(tǒng)的耐久性和穩(wěn)定性。

1.1.3 反應后的煙氣處理

經(jīng)過脫硫反應后的煙氣仍可能含有少量的固體顆粒和未反應的脫硫劑。因此，系統(tǒng)設計中必須包括高效的除塵裝置，以進一步去除殘留顆粒，確保排放的煙氣達到環(huán)保標準。除塵器應與脫硫反應器緊密配合，減少二次污染和顆粒物的再排放。

1.2 自動化控制系統(tǒng)的集成

1.2.1 溫度控制

溫度是影響脫硫效率的關鍵因素。自動化控制系統(tǒng)應配備精確的溫度監(jiān)測和調(diào)節(jié)裝置，通過調(diào)節(jié)燃燒器或換熱器來控制煙氣溫度，使其維持在NaHCO3的最佳反應溫度范圍內(nèi)。系統(tǒng)需要根據(jù)實時溫度數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)整，確保脫硫過程的穩(wěn)定性。

1.2.2 脫硫劑噴射量的自動調(diào)節(jié)

為了優(yōu)化脫硫反應，脫硫劑的噴射量必須與煙氣中SO2的濃度相匹配。自動化控制系統(tǒng)應集成SO2濃度傳感器，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整脫硫劑的噴射量，確保反應的充分性并避免浪費。此外，系統(tǒng)應能夠處理煙氣流量的變化，保持噴射量的穩(wěn)定性。

1.2.3 系統(tǒng)故障檢測與報警

為保證系統(tǒng)的連續(xù)運行，自動化控制系統(tǒng)應具備故障檢測和報警功能。系統(tǒng)應實時監(jiān)測關鍵參數(shù)，如溫度、壓力、脫硫劑供應狀態(tài)等，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即發(fā)出報警信號并采取相應措施，防止故障擴大。通過故障檢測與報警功能，系統(tǒng)可以及時進行維護，減少停機時間，提高整體運行效率。

1.3 仿真與優(yōu)化

1.3.1 CFD仿真在流場優(yōu)化中的應用

計算流體動力學（CFD）仿真技術可以幫助分析煙氣在反應器內(nèi)的流動行為，識別流場中的死角和不均勻區(qū)域。通過仿真結果，設計人員可以優(yōu)化反應器的結構，如調(diào)整煙氣流道和導流板的位置，以改善煙氣和脫硫劑的混合效果，從而提升脫硫效率。

1.3.2 溫度場與濃度場的分布分析

溫度和濃度的均勻性對脫硫反應的充分性至關重要。CFD仿真可以模擬反應器內(nèi)的溫度場和濃度場分布，幫助設計人員識別溫度梯度和濃度不均的區(qū)域。根據(jù)仿真結果，系統(tǒng)設計可以進行相應的調(diào)整，如增加混合裝置或改進噴射系統(tǒng)，以實現(xiàn)更均勻的溫度和濃度分布，從而提高系統(tǒng)的整體脫硫效果。

2 低溫脫硝系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成與原理

2.1.1 低溫脫硝催化劑的選擇

低溫條件下，催化劑必須具有良好的低溫活性和高選擇性，以確保NOx能夠在較低的溫度范圍內(nèi)轉化為無害的氮氣和水。常用的低溫催化劑包括以錳基、釩基和鐵基為主的復合氧化物，這些催化劑在150～250℃的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較高的脫硝活性。此外，催化劑的耐硫性和抗水性是選擇時必須考慮的因素，以應對實際煙氣中硫化物和水蒸氣的干擾。

2.1.2 脫硝反應器的設計

脫硝反應器是系統(tǒng)中催化反應的核心區(qū)域，其設計直接影響到煙氣與催化劑的接觸效率。反應器通常采用多層催化劑床層結構，以增加煙氣的接觸時間和催化劑的利用率。設計時需要考慮煙氣的流速、溫度分布和壓力降，以確保煙氣在通過催化劑床層時能夠均勻分布，不產(chǎn)生偏流或死角。反應器的材料選擇同樣重要，需要能夠耐受低溫和腐蝕環(huán)境，以保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

2.1.3 副產(chǎn)物處理

在低溫脫硝過程中，NOx的還原反應可能會生成少量的副產(chǎn)物，如硝酸銨等。這些副產(chǎn)物若不及時處理，可能會導致設備結垢或堵塞。為了避免這一問題，系統(tǒng)設計中應包括副產(chǎn)物的捕集和排放裝置，如過濾器或副產(chǎn)物收集器。這些裝置能夠有效地捕捉副產(chǎn)物，并定期清理，確保系統(tǒng)的正常運行。此外，副產(chǎn)物處理系統(tǒng)還應設計為易于維護和操作，以減少維護成本。

2.2 自動化控制系統(tǒng)的集成

2.2.1 氧化劑投放的自動化控制

氧化劑的投放量直接影響脫硝反應的效率和副產(chǎn)物的生成量。自動化控制系統(tǒng)應集成NOx濃度傳感器和氧化劑投放裝置，根據(jù)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)氧化劑的投放量，確保反應的最佳效率。同時，控制系統(tǒng)應具備根據(jù)煙氣成分和流量變化進行動態(tài)調(diào)整的能力，以適應生產(chǎn)工況的波動，保持脫硝效果的穩(wěn)定性。

2.2.2 脫硝反應器溫度控制

溫度是影響脫硝催化劑活性的關鍵因素。自動化控制系統(tǒng)需要實時監(jiān)測脫硝反應器內(nèi)的溫度，并通過調(diào)節(jié)加熱裝置或熱交換器來控制溫度，使其保持在催化劑的最佳工作范圍內(nèi)。溫度控制系統(tǒng)應具備高靈敏度和快速響應能力，以應對煙氣溫度的變化，防止溫度過高或過低影響脫硝效率。

2.2.3 反應效率監(jiān)控與反饋調(diào)節(jié)

為了確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，自動化控制系統(tǒng)必須具備反應效率的監(jiān)控與反饋調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)應持續(xù)監(jiān)測脫硝反應后的NOx濃度，并通過反饋回路對氧化劑投放量、溫度和其他關鍵參數(shù)進行調(diào)整，以優(yōu)化反應效率。該功能不僅能夠提高脫硝效果，還能降低氧化劑和能源的消耗，提升系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化與仿真

2.3.1 低溫條件下NOx轉化效率的提升策略

提升NOx轉化效率的首要策略是優(yōu)化催化劑的組成和分布，使其在較低溫度下依然具備較高的活性。催化劑的選擇需要考慮其在低溫下的氧化還原性能和抗硫耐水性能，以確保在復雜煙氣環(huán)境中依然保持穩(wěn)定的催化作用。同時，系統(tǒng)可以通過提高煙氣中的氧化劑濃度，確保有足夠的氧化劑與NOx反應，或者通過延長煙氣在反應器內(nèi)的停留時間，增加NOx與催化劑的接觸機會，從而提高反應效率。此外，合理控制反應器內(nèi)的溫度梯度是關鍵一環(huán)。通過調(diào)節(jié)反應器內(nèi)的熱分布，使溫度維持在催化劑的最佳工作范圍內(nèi)，可以確保反應條件最優(yōu)化，從而顯著提升NOx的轉化效率。這些優(yōu)化策略需要綜合考慮不同工藝參數(shù)之間的相互作用，以實現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的提升。

2.3.2 結合CFD仿真優(yōu)化催化劑分布

通過CFD仿真，設計人員能夠模擬煙氣在脫硝反應器內(nèi)的流動特性和溫度分布，精確識別出反應器內(nèi)部可能存在的流場不均勻區(qū)域和溫度梯度問題。這些問題若不加以解決，可能導致部分區(qū)域催化劑的利用率低下，進而影響整體脫硝效率。根據(jù)仿真結果，可以對催化劑的分布進行優(yōu)化調(diào)整，如通過增加催化劑的堆積密度來增強反應區(qū)域內(nèi)的接觸效率，或者重新設計反應器內(nèi)部結構以改善煙氣的流動路徑，減少渦流和死角。此外，還可以利用仿真數(shù)據(jù)指導催化劑床層的高度和排列方式的設計，確保煙氣在通過催化劑床層時均勻分布，最大限度地提高NOx的轉化效率。通過結合CFD仿真技術的優(yōu)化設計，系統(tǒng)不僅可以顯著提高脫硝效率，還能夠在保持高效運行的同時降低能源消耗和運行成本，使整個煙氣處理系統(tǒng)更加經(jīng)濟和環(huán)保。

3 玻璃窯爐煙氣處理系統(tǒng)的綜合設計

3.1 系統(tǒng)集成與工藝流程設計

3.1.1 干法脫硫與低溫脫硝系統(tǒng)的聯(lián)動設計

在玻璃窯爐煙氣處理系統(tǒng)中，干法脫硫與低溫脫硝系統(tǒng)的聯(lián)動設計是確保整體效率的關鍵。干法脫硫系統(tǒng)先對煙氣中的SO2進行處理，降低SO2的濃度，然后將處理后的煙氣引入低溫脫硝系統(tǒng)以去除NOx。聯(lián)動設計需要確保這兩個系統(tǒng)在物理上緊密連接，同時在操作上相互協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)污染物的高效去除。在設計過程中，必須考慮煙氣溫度、流量和成分的連續(xù)變化，并確保兩個系統(tǒng)之間的銜接順暢，不出現(xiàn)瓶頸或效率下降的情況。

3.1.2 系統(tǒng)整體工藝流程描述

玻璃窯爐煙氣處理系統(tǒng)的整體工藝流程通常包括煙氣的收集、預處理、干法脫硫、低溫脫硝、煙氣凈化和排放等步驟。煙氣先經(jīng)過預處理去除大顆粒物質，然后進入干法脫硫系統(tǒng)，利用NaHCO3將SO2轉化為無害的硫酸鈉。脫硫后的煙氣隨即進入低溫脫硝系統(tǒng)，通過催化反應將NOx還原為氮氣和水。最終，凈化后的煙氣經(jīng)過過濾和除塵后排放到大氣中。整個流程設計需要確保各環(huán)節(jié)之間的無縫連接，以提高系統(tǒng)的整體效率和運行穩(wěn)定性。

3.1.3 自動化系統(tǒng)的綜合集成

自動化系統(tǒng)在煙氣處理過程中起到核心作用。通過將干法脫硫和低溫脫硝的關鍵操作參數(shù)（如溫度、壓力和化學劑投放量）集成到統(tǒng)一的控制系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)全過程的實時監(jiān)控與自動調(diào)節(jié)。自動化系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)采集、分析、反饋調(diào)節(jié)和故障診斷功能，確保在不同工況下都能保持最佳的運行狀態(tài)。此外，自動化系統(tǒng)應具有靈活性和可擴展性，以適應未來技術升級和工藝調(diào)整的需求。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性分析

3.2.1 長期運行的可靠性設計

為了確保玻璃窯爐煙氣處理系統(tǒng)的長期可靠運行，系統(tǒng)設計必須注重各組件的耐久性和適應性。關鍵部件如脫硫反應器、脫硝催化劑和除塵設備必須選用耐高溫、抗腐蝕的材料，并經(jīng)過嚴格的質量控制與測試。同時，系統(tǒng)應設計為具有一定的冗余度，以防止單點故障導致系統(tǒng)停機。可靠性設計還包括自動化系統(tǒng)的容錯機制，通過雙重備份和自動切換功能，確保在出現(xiàn)設備故障時系統(tǒng)能夠繼續(xù)穩(wěn)定運行。

3.2.2 關鍵部件的壽命預測與維護策略

為了延長系統(tǒng)壽命，設計中應考慮采用高耐久性的材料和先進的制造工藝。此外，定期的壽命預測和健康監(jiān)測對于提前識別潛在問題至關重要。自動化系統(tǒng)可以通過實時監(jiān)測各部件的運行狀態(tài)，預測其壽命并安排預防性維護，以減少突發(fā)故障的發(fā)生。維護策略應包括定期檢查、更換易損件和及時清理副產(chǎn)物沉積等，確保系統(tǒng)長期高效運行。

3.3 環(huán)保效益與經(jīng)濟性分析

3.3.1 脫硫脫硝系統(tǒng)的環(huán)保效益評估

玻璃窯爐煙氣處理系統(tǒng)的環(huán)保效益主要體現(xiàn)在大幅減少SO2和NOx的排放，顯著降低對大氣環(huán)境的污染。系統(tǒng)的有效運行可以使排放物達到或低于國家規(guī)定的排放標準，從而減少酸雨和光化學煙霧的形成，對改善空氣質量和保護生態(tài)環(huán)境起到積極作用。通過分析煙氣處理前后污染物的濃度變化，可以量化系統(tǒng)的環(huán)保效益，并為進一步優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)支持。

3.3.2 系統(tǒng)投資與運行成本分析

干法脫硫與低溫脫硝技術由于無需大量水資源和能源，相比傳統(tǒng)濕法技術具有較低的運行成本。系統(tǒng)設計時應綜合考慮設備采購、安裝、運行、維護等各項費用，力求在滿足環(huán)保要求的前提下，實現(xiàn)最低的總成本。此外，還應考慮潛在的節(jié)能改進措施，以進一步降低能源消耗和運行費用。

3.3.3 與其他技術的經(jīng)濟性對比

濕法脫硫和SCR高溫脫硝雖然在某些工況下具有較高的處理效率，但通常伴隨著較高的運行成本和復雜的廢水處理要求。相比之下，干法脫硫和低溫脫硝系統(tǒng)不僅在初始投資上更具優(yōu)勢，而且長期運行成本較低，設備維護簡便。因此，在整體經(jīng)濟性上，干法脫硫與低溫脫硝聯(lián)動系統(tǒng)表現(xiàn)出更優(yōu)越的性價比，特別適合在玻璃制造行業(yè)中推廣應用。

4 結束語

結合了干法脫硫與低溫脫硝的高效處理系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)技術中的諸多問題，如高運行成本和二次污染，還通過仿真分析進一步優(yōu)化了系統(tǒng)的各項性能，使其在實際應用中更具經(jīng)濟性和環(huán)保性。在實際運行中，該系統(tǒng)展現(xiàn)了優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性，能夠長期減少SO2和NOx的排放，對改善環(huán)境質量具有重要意義。未來，可以進一步優(yōu)化反應器的結構設計，探索更具經(jīng)濟性的新型催化劑，以不斷提升系統(tǒng)的處理效率和適應性。

參考文獻

[1] 伍雄斌，焦廣亮，劉華橋，等.玻璃窯爐煙氣干法脫硫和低溫脫硝系統(tǒng)的設計[J].輕工科技，2019（12）：97-100.

[2] 郭梁，師晉愷.焦爐煙氣低溫定量氧化耦合+強化吸收脫硫脫硝中試研究[J].中氮肥，2024（1）：74-76.

[3] 陳磊.燒結煙氣半干法脫硫后SCR脫硝中溫設計低溫運行研究與應用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2023，39（10）：207-210.