朱永貴

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410014)

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干式鈉基正交預(yù)附凈化鉍熔煉煙氣的應(yīng)用研究

朱永貴

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410014)

對(duì)正交預(yù)附過濾技術(shù)及正交預(yù)附過程進(jìn)行了分析,并通過對(duì)鉍熔煉爐煙氣的特性分析,提出了鉍熔煉爐煙氣采用干式鈉基正交預(yù)附脫硫技術(shù)的可行性,并從理論分析到實(shí)際應(yīng)用效果,詳細(xì)闡述了鉍熔煉爐煙氣應(yīng)用干式鈉基正交預(yù)附脫硫技術(shù)的有效性和實(shí)用性。

干式鈉基;正交預(yù)附;凈化;鉍熔煉煙氣

預(yù)附吸附過程包括物理吸附過程和化學(xué)吸附過程。物理吸附為分子之間范德華力引起的,對(duì)于預(yù)附粉料來說,物理吸附是單層吸附;化學(xué)吸附也稱活性吸附,吸附粉料顆粒與有害氣體分子之間依靠化學(xué)鍵力造成的,是吸附粉料顆粒與有害氣體間化學(xué)作用的結(jié)果。一般來說,同一種氣體污染物可能在較低溫度下發(fā)生物理吸附,而在較高溫度下發(fā)生化學(xué)吸附。物理吸附發(fā)生在化學(xué)吸附之前,當(dāng)吸附顆粒逐漸具備足夠高的活化能后,就發(fā)生化學(xué)吸附,當(dāng)溫度較高時(shí),兩種吸附也可能同時(shí)發(fā)生。

預(yù)附過濾技術(shù)可使工業(yè)污染物有害氣體中的某一組分或某些組分通過分子引力和化學(xué)鍵的作用,達(dá)到有害氣體從工業(yè)廢氣混合物中分離出來。從理論和實(shí)際應(yīng)用中可知,吸附效果取決于吸附劑和吸附質(zhì)分子之間的激烈程度,包括吸附劑的物理化學(xué)活性、比表面積、吸附操作條件、吸附反應(yīng)器性能等,同時(shí),從運(yùn)行成本和吸附劑成本來分析,吸附效果也取決于吸附劑的用量、再生和循環(huán)利用,吸附劑輸入量多,吸附效果好,但成本高。吸附劑輸入量少,雖然成本低,但吸附效果差,最大限度地發(fā)揮吸附劑的效能是降低成本和運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵。

1 正交預(yù)附過濾技術(shù)及過程分析

1.1 正交預(yù)附過濾技術(shù)

正交預(yù)附過濾技術(shù)就是從過程的可控性、吸附的激烈程度、吸附效率、吸附劑成本及系統(tǒng)運(yùn)行能耗等方面進(jìn)行全方位、全過程的控制技術(shù),它的基本原理和吸附過程如下:預(yù)附粉料氣流從反應(yīng)器頂部垂直向下進(jìn)入,污染氣體從反應(yīng)器前面水平接入反應(yīng)器,在反應(yīng)器內(nèi)預(yù)附材料和污染氣體成90°的正交接觸和碰撞,預(yù)附材料和污染氣體經(jīng)過在反應(yīng)器內(nèi)正交碰撞接觸,進(jìn)行物理吸附和化學(xué)吸附過程,廢氣中有害氣體一部分得到吸附,這是預(yù)附粉料和污染氣流的第一次正交接觸吸附反應(yīng)過程;然后,預(yù)附材料和污染氣體混合一起,經(jīng)煙氣管道進(jìn)入高效袋式除塵器,其中,預(yù)附顆粒和有害氣體在煙氣管道中的接觸吸附時(shí)間較長(zhǎng),煙氣中有害氣體一部分得到吸附,這是預(yù)附粉料和煙氣氣流的水平接觸吸附反應(yīng)過程;預(yù)附粉料和污染氣體進(jìn)入到高效布袋除塵器后,預(yù)附粉料被吸附到濾袋表面,在濾袋表面形成預(yù)附層粉料層,污染氣體經(jīng)過濾袋粉塵層時(shí),污染氣體與預(yù)附層粉料成90°的正面接觸和碰撞,廢氣中的有害氣體和預(yù)附粉料顆粒之間發(fā)生物理吸附和化學(xué)吸附過程,廢氣中有害氣體得到進(jìn)一步吸附,這是預(yù)附層粉料和污染氣流的第二次正交接觸吸附反應(yīng)過程。

正交預(yù)附過濾技術(shù)使得預(yù)附層粉料和污染氣體有三次接觸吸附反應(yīng)過程,即煙氣管道中的水平接觸吸附反應(yīng)過程、反應(yīng)器內(nèi)的第一次正交接觸吸附反應(yīng)過程、高效布袋除塵器內(nèi)的第二次正交接觸吸附反應(yīng)過程。經(jīng)過以上三個(gè)接觸吸附反應(yīng)過程,廢氣中的某一組分或某些組分的有害氣體被預(yù)附粉料所吸附,并隨同煙塵經(jīng)高效布袋除塵器以固態(tài)的形式收集起來,從而達(dá)到干法煙氣脫出有害氣體和煙塵的目的,以避免濕法脫除的二次污染。

為實(shí)現(xiàn)正交預(yù)附過濾技術(shù),達(dá)到過程可控、吸附效率高、運(yùn)行穩(wěn)定和運(yùn)行費(fèi)用低的目的,必須滿足以下要求:(1)預(yù)附層材料必須為粉料,粉料粒徑≤50 μm,粉料活性好;(2)預(yù)附材料易取價(jià)廉,并可循環(huán)使用,對(duì)于有色冶金爐窯煙氣有害物的脫除,最好采用爐窯添加粉料,以便回收的預(yù)附粉料再回爐重用,以降低成本;(3)可靠的預(yù)附粉料添加裝置,粉料添加均勻,添加量可調(diào);(4)預(yù)附粉料與有害氣體之間物理吸附和化學(xué)吸附所要求的反應(yīng)吸附溫度、氣流速度、接觸時(shí)間等工況條件;(5)工業(yè)煙氣收塵工藝中配有預(yù)除塵裝置,一般采用的垂直擋板沉降室,可兼作預(yù)附反應(yīng)器,以保證預(yù)附粉料的添加;(6)車間或工段有廢熱利用熱源,以保證預(yù)附粉料熱氣流的供應(yīng)。

1.2 正交預(yù)附過濾技術(shù)過程分析

正交預(yù)附過濾技術(shù)的特點(diǎn)是有三次預(yù)附接觸反應(yīng)過程,其中正交預(yù)附接觸反應(yīng)過程有二次,即:預(yù)附粉料和煙氣氣流在反應(yīng)器中的第一次正交接觸吸附反應(yīng)過程、預(yù)附粉料在濾袋上形成過濾粉塵層后與煙氣氣流的第二次正交接觸吸附反應(yīng)過程。

1.2.1 預(yù)附粉料和煙氣氣流的第一次正交接觸吸附反應(yīng)過程

正交預(yù)附過濾技術(shù)預(yù)附粉料和煙氣氣流的第一次正交接觸吸附反應(yīng)是在預(yù)處理反應(yīng)器中進(jìn)行,其原理如圖1所示。

圖1 第一次正交接觸吸附反應(yīng)示意圖

預(yù)附粉料和壓氣氣流通過文丘里引射器的引射,形成預(yù)附粉料引射氣流,預(yù)附粉料氣流從反應(yīng)器的頂部垂直向下導(dǎo)入反應(yīng)器,煙氣從反應(yīng)器的前面水平導(dǎo)入反應(yīng)器,預(yù)附粉料氣流與煙氣成90°正交接觸,并產(chǎn)生碰撞形成紊流狀態(tài),預(yù)附粉料顆粒與煙氣中有害氣體分子之間依靠分子引力和化學(xué)鍵作用,產(chǎn)生物理吸附和化學(xué)吸附,由于接觸比表面積大,接觸碰撞激烈,因此吸附活性顯著增大,這樣,煙氣中的某些有害氣體濃集到預(yù)附粉料顆粒表面或深入到其內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而,有害氣體從煙氣混合物中分離出來。有害氣體被預(yù)附粉料顆粒所吸附,一部分隨同預(yù)附粉料落入反應(yīng)器灰斗中(粉料回用),另一部分隨同煙氣氣流進(jìn)入高效布袋除塵器,在布袋表面形成粉塵層,經(jīng)清灰落入灰斗(粉料回用)。工業(yè)試驗(yàn)表明,第一次正交接觸吸附反應(yīng)過程對(duì)某些有害物其脫除率為40%～50%左右。

1.2.2 預(yù)附粉料與煙氣氣流的第二次正交接觸吸附反應(yīng)過程

正交預(yù)附過濾技術(shù)預(yù)附粉料與煙氣氣流的第二次正交接觸吸附反應(yīng)是在高效布袋除塵器中進(jìn)行,其原理如圖2所示。

圖2 第二次正交接觸吸附反應(yīng)示意圖

預(yù)附粉料通過預(yù)處理反應(yīng)器進(jìn)入到煙氣中,形成混合煙氣氣流,再經(jīng)過煙氣管道進(jìn)入到高效布袋除塵器。預(yù)附粉料在濾袋表面形成預(yù)附層材料粉塵層,即過濾層,煙氣進(jìn)入到高效布袋除塵器,一方面煙氣中的煙塵被濾袋收集,另一方面煙氣中的有害氣體通過預(yù)附材料粉塵過濾層時(shí),與預(yù)附粉料成90°正交接觸和碰撞,預(yù)附粉料顆粒和有害氣體分子依靠之間的分子引力和化學(xué)鍵作用,產(chǎn)生物理吸附和化學(xué)吸附,由于其接觸比表面積大,接觸碰撞激烈,因此,吸附活性顯著增大,這樣煙氣中的某些有害氣體濃集到預(yù)附粉料顆粒表面或深入到其結(jié)構(gòu)中,從而從煙氣混合物中分離出來,有害氣體被預(yù)附層粉料顆粒所吸附,隨同顆粒形成粉塵層,經(jīng)過濾袋清灰,隨同過濾粉塵落入灰斗。工業(yè)試驗(yàn)表明:第二次正交接觸吸附反應(yīng)過程對(duì)某些有害物其脫除率為30%～40%左右。

2 干式鈉基正交預(yù)附凈化鉍熔煉煙氣的應(yīng)用

2.1 鉍熔煉爐煙氣的特性分析

鉍熔煉爐一般為反射爐,熔煉過程分裝料、燜燒、熔煉、放渣和出鉍等,鉍熔煉煙塵的化學(xué)成分見表1,鉍熔煉煙氣的化學(xué)組分見表2。

表1 鉍熔煉煙塵的化學(xué)成分%

表2 鉍熔煉煙氣的化學(xué)組分%

從表1、表2可看出:(1)煙塵含鉍大于27%,煙塵鉍含量略高于鉍精礦,煙塵屬有價(jià)物料,必須綜合回收;(2)煙氣含SO2的體積百分比為0.04%～0.06%,屬低濃度SO2煙氣。

根據(jù)上面煙氣的特點(diǎn),鉍熔煉煙氣必須進(jìn)行脫硫,并且為了鉍煙塵有價(jià)物料的回收,脫硫工藝應(yīng)優(yōu)先采用干式脫硫技術(shù)。

2.2 鉍熔煉煙氣應(yīng)用干式鈉基正交預(yù)附進(jìn)行脫硫的理論分析

對(duì)于鉍熔爐煙氣的脫硫,采用純堿作為煙氣脫硫吸附劑理論上是十分有效的。從化學(xué)反應(yīng)理論來說,利用鉍熔煉爐大于200℃的二次送風(fēng),通過噴射裝置把純堿噴入煙氣系統(tǒng),使得煙氣中的SO2與純堿在煙氣系統(tǒng)中充分接觸,迅速反應(yīng)而生成Na2SO3。Na2SO3隨煙塵被收塵設(shè)備收集下來,未反應(yīng)的純堿、Na2SO3與煙塵一起返爐熔煉,其中Na2SO3進(jìn)入爐渣,純堿作為熔煉爐溶劑被再次利用。從脫硫產(chǎn)物的微觀形態(tài)可以看出,脫硫產(chǎn)物的表面不規(guī)則,具有較高的粗糙度、不規(guī)則形態(tài)和較大的比表面積,使得布袋除塵器能繼續(xù)提高脫硫效率和脫硫劑的利用率。當(dāng)純堿到達(dá)布袋除塵器時(shí),純堿和脫硫產(chǎn)物的顆粒聚集在布袋上形成致密的灰層,一方面增加了氣固的接觸時(shí)間,而且實(shí)際的Na/ S也比煙氣中的要大;另一方面,氣體穿過灰層的阻力較大,迫使SO2向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散,脫硫劑的粗糙表面使得SO2能較容易達(dá)到顆粒的內(nèi)部,與未反應(yīng)的脫硫劑繼續(xù)反應(yīng),因此布袋除塵器能使脫硫效率得以提高很多。

干式鈉基脫硫技術(shù)在鉍熔煉爐煙氣脫硫中實(shí)現(xiàn)了干式脫硫,有價(jià)煙塵得到了回收,同時(shí)大大減少了SO2的排放。

2.3 30 m2鉍熔煉爐煙氣應(yīng)用干式鈉基脫硫的理論計(jì)算

對(duì)于30 m2鉍熔煉爐來說,煙氣量為3 000～6 000 m3/h,實(shí)際工況煙氣量為13 000～29 000 m3/h,煙氣量的波動(dòng)是由冶煉工況過程決定的,也就是說隨著冶煉工況要求而波動(dòng)。煙氣量實(shí)際上是由燃煤量的噴入多少來決定,因此根據(jù)冶金爐窯燃燒特性類比,煙氣中的SO2的體積百分比為0.04%～0.06%,其理論鈉基消耗量計(jì)算如下:

1.確定煙氣中SO2的單位體積量。

最小值:3 000 m3/h×0.04%=1.2 m3/h

最大值:6 000 m3/h×0.06%=3.6 m3/h

2.確定純堿理論耗量。

經(jīng)計(jì)算,Na2CO3的消耗量為:5.68～17.04 kg/h,平均值為11.36 kg/h。按環(huán)境影響報(bào)告書提供的30 m2鉍熔煉爐SO2的排放量為6.68 kg/h(平均值),經(jīng)計(jì)算,Na2CO3的消耗量為11.06 kg/h。上述二種計(jì)算方法得出的理論純堿消耗量完全吻合。

2.4 30 m2鉍熔煉爐煙氣干式鈉基正交預(yù)附過濾技術(shù)工藝

30 m2鉍熔煉爐煙氣干式鈉基正交預(yù)附過濾技術(shù)工藝如圖3所示。

30 m2鉍熔煉爐煙塵凈化系統(tǒng)設(shè)備配置見表3。

從圖3可知,30 m2鉍熔煉煙氣凈化系統(tǒng)由干式鈉基正交預(yù)附過濾添加系統(tǒng)、管式換熱器、淋水冷卻器、空氣冷卻器、高效布袋除塵器、預(yù)除塵器(隔板沉降室)、變頻風(fēng)機(jī)、煙囪等組成,干式鈉基正交預(yù)附過濾添加系統(tǒng)包括貯料倉、星形減速給料機(jī)(可調(diào))、文丘里引射器、氣量調(diào)節(jié)閥、管道。干式鈉基正交預(yù)附粉料添加采用噴入式,設(shè)二路純堿噴入系統(tǒng),一路是把帶純堿氣流從空氣冷卻器的前頂部垂直噴入空氣冷卻器,另一路是把帶純堿氣流從沉降室的前頂部垂直噴入預(yù)除塵器,以形成正交預(yù)附過濾模式。每路鈉基脫硫噴入純堿加入量為10～14 kg/h,并且為均勻連續(xù)供給,要求熔煉爐在冶煉階段,兩路噴入系統(tǒng)同時(shí)開啟,熔煉爐在燜燒階段開啟一路噴入系統(tǒng)。輸送純堿氣流是采用管式換熱器出口空氣(熔煉爐一次送風(fēng)),該空氣溫度為200℃左右,輸送氣流量4 000～5 000 m3/h,空氣冷卻器的工況溫度為300℃左右,預(yù)除塵器工況溫度為220℃左右,高效布袋除塵器濾袋濾料為耐高溫的覆膜針刺氈材料,耐溫250℃,布袋除塵器工況溫度200℃左右。

圖3 30 m2鉍熔煉爐煙氣干式鈉基正交預(yù)附過濾技術(shù)工藝圖

2.5 30 m2鉍熔煉煙氣用干式鈉基正交預(yù)附技術(shù)進(jìn)行脫硫的應(yīng)用效果

由于鉍反射爐熔煉工藝分為加料、燜燒、熔煉、放渣和出鉍等幾個(gè)階段,每個(gè)階段系統(tǒng)所需的風(fēng)量和風(fēng)壓均不相同,因而煙氣中SO2的總含量也不相同。單爐熔煉周期排風(fēng)量變化見表4。

考慮到脫硫過程中化學(xué)反應(yīng)的不完全性,在實(shí)際操作中采取在產(chǎn)生煙氣量大的階段(熔煉階段)二路噴入系統(tǒng)同時(shí)投入使用,在產(chǎn)生煙氣量少的階段(燜燒階段)投入一路噴入系統(tǒng)使用,每路噴入系統(tǒng)噴入純堿量為10～14 kg/h。

脫硫裝置投入運(yùn)行后,熔煉爐在燜燒階段投入一路噴入系統(tǒng)使用,測(cè)得煙氣中SO2的濃度由270 mg/m3下降到52 mg/m3(平均值),熔煉爐在熔煉階段,投入二路噴入系統(tǒng)使用,測(cè)得煙氣中SO2濃度由360 mg/m3下降到68 mg/m3(平均值),煙氣中SO2脫除率超過80%,這二個(gè)階段的煙氣SO2排放濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)850 mg/m3。同時(shí),經(jīng)測(cè)算30 m2鉍熔煉爐煙氣每年SO2的排放量可減少32 t。測(cè)定結(jié)果見表5、表6、表7、表8。

表3 30 m2鉍熔煉爐煙塵凈化系統(tǒng)設(shè)備配置

表4 單爐熔煉周期排風(fēng)量變化表

表5 熔煉階段中未開啟鈉基脫硫裝置的SO2濃度

表6 燜燒階段中未開啟鈉基脫硫裝置的SO2濃度

表7 熔煉階段中開啟二臺(tái)鈉基脫硫裝置的SO2濃度

表8 燜燒階段中開啟一臺(tái)鈉基脫硫裝置的SO2濃度

3 結(jié) 論

干式鈉基正交預(yù)附脫硫技術(shù)在30 m2大型鉍熔煉爐煙氣凈化中得到了成功的應(yīng)用,該技術(shù)和裝置經(jīng)過二年的運(yùn)行具有如下特點(diǎn):

1.脫硫裝置簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,操作維護(hù)方便。

2.煙氣脫硫率大于80%,SO2排放濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.吸收劑——純堿取自鉍熔煉爐熔煉工藝的熔劑,多余純堿隨煙塵返爐二次使用,煙氣脫硫成本低。

4.鉍熔煉煙氣采用干式脫硫,脫硫產(chǎn)物返爐熔煉進(jìn)入爐渣,無二次污染。

5.鉍熔煉煙氣采用干式脫硫,有價(jià)鉍煙塵得到干法捕集,有效提高了貴重金屬的回收率。

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Abstract:The orthogonal pre-adhered filtering technology and process of orthogonal pre-attached were analyzed, together with the analysis of the characteristics of the flue gas in bismuth smelting furnace,feasibility of the application of dry sodium-based orthogonal pre-attached desulfurization technology in bismuth smelting furnace flue gas was proposed.With the analysis of theory and results of practical application,effectiveness and practicality of the application of dry sodium-based orthogonal pre-adhered desulfurization technology in bismuth melting furnace flue gas was described.

Key words:dry sodium-based;orthogonal pre-ahered;purification;flue gas in bismuth smelting furnace

The Study of the Application of Dry Sodium-based Orthogonal Pre-adhered Purification Technology in Bismuth Smelting Furnace Flue G as

ZHU Yong-gui
(Hunan L abor Protection Institute of Nonferrous Metals,Changsha410014,China)

X701

A

1003-5540(2012)05-0048-05

2012-07-13

朱永貴(1966-),男,高級(jí)工程師,主要從事環(huán)保、暖通研究工作。