周英貴

(江蘇世清環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇南京，210012)

隨著國家對大氣污染的環(huán)保排放要求越來越嚴格，鋼鐵冶金行業(yè)的煙氣治理越來越受到重視，其SO2、NOx和粉塵顆粒物在2015年的排放量分別達到173.6萬噸、104.3萬噸和357.2萬噸，占全國重點調(diào)查工業(yè)企業(yè)的排放量的比例分別為12.4%、9.6%和32.2%[1]。為減少煙氣中污染物質(zhì)的排放量，使其排放指標滿足環(huán)保標準要求，同時為改善當?shù)卮髿猸h(huán)境，很多高效的脫硫脫硝除塵技術已被應用。

目前國內(nèi)外煙氣脫硫技術可以分為干法脫硫、半干法脫硫和濕法脫硫三大類。其中濕法脫硫主要有石灰石石膏法，會產(chǎn)生廢水和腐蝕；半干法煙氣脫硫主要有循環(huán)流化床脫硫、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫硫、NID脫硫等，系統(tǒng)故障點多，達到超低排放難度大；干法脫硫主要有電子束干法脫硫、活性炭吸附脫硫等常規(guī)方法，設備投資大[2,3]；為減少回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣中的二氧化硫、氮氧化物、粉塵污染物的排放，滿足國家環(huán)保政策的嚴格要求，太鋼集團在鎂鈣砂回轉(zhuǎn)窯煙氣環(huán)保處理項目上應用了高效的SCR脫硝技術和SDS(Sodium bicarbonate dry powder spray)碳酸氫鈉干粉噴射脫硫技術，該工藝無廢水排放，經(jīng)SCR脫硝反應和SDS脫硫反應后，煙氣進入高效布袋除塵器，除塵器出口二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放濃度達到排放指標。

本項目設計的脫硝脫硫除塵工藝是利用SCR脫硝+SDS脫硫工藝對一條鎂鈣砂Φ2.5×110m回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線的窯尾煙氣進行脫硝脫硫除塵達標排放處理。

1 脫硫脫硝原理及流程

1.1 SCR脫硝原理

利用氨對NOx的還原功能，在催化劑的作用下將NOx(主要是NO)還原為對大氣沒有影響的N2和水。還原劑氨水，轉(zhuǎn)換方法為蒸發(fā)塔內(nèi)熱空氣直接接觸式蒸發(fā)，生成氨氣、水蒸氣和空氣的混合物，且其氨氣體積濃度控制在5%以下。

SCR工藝主要反應方程式如下：

4NO+4NH3+O2→3N2+6H2O

(1)

4NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

當煙氣中有氧氣時，氨消耗量與氮氧化物還原量有一對一的關系[2]。鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯SCR反應器入口煙氣溫度350℃，可選用常用中高溫催化劑溫度，NOX脫除效率高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOX反應。

1.2 SDS脫硫原理

從SCR反應器脫除氮氧化物的煙氣進入空冷塔冷卻降溫，煙氣溫度從350℃降至200℃左右，達到SDS脫硫和布袋除塵器的工藝溫度要求，進入SDS反應器的煙溫在180-220℃之間。在SDS脫硫反應器內(nèi)噴入高活性的碳酸氫鈉超細粉，在熱煙氣環(huán)境加熱激活，顆粒發(fā)生爆米花效應的爆漲，比表面積增加，生成活性很強的像海綿一樣的多孔微通道結構，同時分解成Na2CO3、CO2和水，具有很高的反應活性和吸附活性，激活前后的顆粒物理尺寸變化如圖1所示。

小蘇打激活前 小蘇打激活后

新產(chǎn)生的Na2CO3在生成瞬間有高度的反應活性，可自發(fā)地與煙氣中的酸性污染物進行下列反應：

2NaHCO3(S)=Na2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g)

(3)

SO2(g)+Na2CO3(s)=Na2SO3(s)+CO2(g)

(4)

部分反應：

SO2(g)+Na2CO3(s)+O2=Na2SO4(s)+CO2(g)

(5)

副反應：

SO3(g)+Na2CO3(s)=Na2SO4(s)+CO2(g)

(6)

2HCl(g)+Na2CO3(s)=2NaCl(s)+CO2(g)

(7)

2HF(g)+Na2CO3(s)=2NaF(s)+CO2(g)

(8)

1.3 脫硝脫硫工藝流程

鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯窯尾排出的高溫煙氣經(jīng)余熱鍋爐換熱后，送入SCR反應器，在催化劑的作用下，煙氣中氮氧化物與噴入的氨氣發(fā)生還原反應，氮氧化物達標排放。未反應的二氧化硫和未脫除的粉塵隨煙氣經(jīng)空冷塔降溫后，引出與SDS脫硫反應器進口煙道相連接。在SDS脫硫塔進口水平總煙道上，通過干式噴射器將研磨器磨制好的碳酸氫鈉超細顆粒噴入煙道內(nèi)。均布器設置在噴射器下游，使得碳酸氫鈉在噴入煙道內(nèi)被熱煙氣迅速加熱活化激活，生成的碳酸鈉顆粒同時完成充分均勻混合。進入脫硫塔反應器后，活性和比表面積均增大的碳酸鈉與煙氣中污染物充分接觸，發(fā)生物理吸附、化學反應，煙氣中的SO2，HCL等酸性氣體被高效吸收凈化。脫硫副產(chǎn)物隨煙氣進入布袋除塵器脫除凈化，布袋上的粉塵層含有未反應器的碳酸鈉成分進行進一步的脫硫反應和煙塵凈化。整套脫硫脫硝除塵系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 SCR脫硝+SDS脫硫除塵系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)設計及參數(shù)

2.1 項目概況

煙氣的參數(shù)如表1所示。單套回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)配置一套SCR反應器、一套空冷降溫塔、一套SDS脫硫反應器裝置和一套布袋除塵器。系統(tǒng)裝置的窯尾煙氣處理能力達到60000Nm3/h。煙氣經(jīng)凈化處理后，NOx≤150mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3，粉塵顆粒排放濃度≤10mg/Nm3。

表1 鎂礦砂窯尾煙氣參數(shù)條件

2.2 SCR脫硝系統(tǒng)組成

SCR脫硝系統(tǒng)構成包括如下內(nèi)容：

(1)煙氣系統(tǒng)：包括SCR反應器、催化劑、整流格柵、導流板、噴氨格柵、煙道。

(2)氨水蒸發(fā)系統(tǒng)：包括氨水蒸發(fā)塔、空氣/煙氣換熱器、聯(lián)箱、氨氣分配系統(tǒng)。

(3)催化劑吹掃系統(tǒng)：包括聲波吹灰器和壓縮空氣管路及附件。

(4)氨水儲存供應系統(tǒng)：包括卸氨模塊、氨水罐、呼吸罐、輸送模塊、計量模塊和霧化噴槍。

2.3 SDS脫硫除塵系統(tǒng)組成

SDS脫硫系統(tǒng)構成包括如下：

(1)高效研磨系統(tǒng)：包含碳酸氫鈉儲倉、星型給料器、中間粉倉、螺旋輸送計量裝置、高效研磨器、離心風機、氣力輸送管道等。

(2)脫硫煙氣系統(tǒng)：包括煙道、文丘里噴射段、導流板、脫硫反應器、布袋除塵器等。

(3)碳酸氫鈉噴射裝置：噴射器、均布器。

煙氣經(jīng)余熱鍋爐降溫后進入SCR脫硝反應器，氨水蒸發(fā)器的熱源是利用SCR出口煙道內(nèi)的管式換熱器升溫加熱，在蒸發(fā)塔內(nèi)熱空氣與氨水直接接觸式蒸發(fā)稀釋，產(chǎn)生的氨氣經(jīng)噴氨格柵均勻和煙氣混合后，在催化劑作用下，與煙氣中的氮氧化物反應生成氮氣和水，脫硝后的煙氣經(jīng)過空冷塔降溫后引接至SDS脫硫塔入口煙道。

SDS系統(tǒng)中所用的脫硫劑經(jīng)超細粉磨機研磨制成<10um的細粉(通過率97%)，且其中小于3um的細粉占40%左右，比表面積大。系統(tǒng)運行過程中的脫硫劑用量為150kg/h,脫硫劑的過量系數(shù)為1.05。

進入布袋除塵器進一步脫硫和除塵，煙氣速度降低到0.7m/min以下。在布袋除塵器內(nèi)，吸附在濾料表面未反應的脫硫劑繼續(xù)同煙氣中的酸性污染物發(fā)生反應，煙氣中的酸性污染物成分含量進一步降低。最后，經(jīng)過布袋除塵過濾后的凈煙氣被引風機引出，送入煙囪排放。

3 運行效果分析

3.1 脫硝的影響因素分析

脫硝用催化劑采用的是中高溫催化劑，具有反應溫度窗口寬、二氧化硫轉(zhuǎn)化率和氨的逃逸率低、抗硫性好、脫硝效率高、比表面積大、結構強度高、壽命長等特點?；剞D(zhuǎn)窯煙氣溫度為320℃-350℃，處于催化劑窗口溫度區(qū)間的高效區(qū)，在入口煙氣中氮氧化物濃度為4300mg/Nm3的條件下，SCR反應器出口氮氧化物濃度以接近100mg/Nm3的高效脫除。反應器空塔設計煙氣流速不大于3.5m/s，保證了催化劑小孔通道的沖刷跑灰能力，同時也控制了催化劑層的壓力損失，單層催化劑壓差損失不大于180Pa。

3.2 煙氣溫度對脫硫的影響

煙氣溫度是SDS脫硫過程是一個重要的影響因素。一般情況下，NaHCO3在50℃以上開始逐漸分解，生成Na2CO3、CO2和水，270℃時完全分解，煙氣溫度在140℃和250℃窗口區(qū)間具有高度活性[4]，通常略微過量的碳酸氫鈉就能自發(fā)完全地與煙氣中的酸性污染物進行化學反應。當窯尾煙氣上升到140℃以上時，脫硫效率達到96%，煙氣溫度在200℃左右時，脫硫效率達到97%以上，當溫度小于140℃，脫硫效率下降明顯。

3.3 煙氣負荷對SDS脫硫的影響

進入脫硫塔的煙氣量降低，塔內(nèi)的煙氣流速降低，脫硫劑在塔內(nèi)的停留時間延長，強化了低負荷工況下煙氣中的二氧化硫的脫硫反應效果，脫硫效率相對提高，根據(jù)測試分析，在煙氣負荷為55%時，脫硫效率接近98%；煙氣負荷為82%時，脫硫效率接近97.2%；在煙氣負荷為100%時，脫硫效率接近97%。

3.4 不同噴射位置對脫硫的影響

碳酸氫鈉通過壓縮空氣噴入煙道內(nèi)，在均布裝置的湍流強混下，與煙氣均勻混合，使得脫硫塔截面上的顆粒濃度分布偏差在合理范圍內(nèi)。同時為了對比在脫硫塔體上噴射加入脫硫劑的脫硫效果，本項目脫硫塔裝置在脫硫塔體的文丘里擴散出口段設計脫硫劑加料接口，如圖3所示。

圖3 不同脫硫劑加料位置示意圖

圖3中列出2種方案，第一種為在塔入口水平煙道設置加料口和均布器；第二種為在脫硫塔文丘里出口段塔體上設置加料口。在煙氣負荷接近100%時，脫硫效率分別為98.1%、和83%。結果表明，在脫硫塔體上加入碳酸氫鈉，脫硫效率低；在塔入口煙道上加入脫硫劑，脫硝效率高；主要原因是：(1)在塔入口煙道噴入脫硫劑，因均布器、塔底文丘里段的紊流和噴射作用，強化了脫硫劑與煙氣的均勻混合，脫硫效率更高；(2)在塔體上噴入脫硫劑，在塔內(nèi)紊流擴散和混合不強，分布均勻性較差，即使出脫硫塔后，未反應完的脫硫劑顆粒在布袋除塵器的不同區(qū)域布袋上，沉積的灰分中脫硫劑含量也有差異性，導致脫硫效率降低。

3.5 布袋除塵器對脫硫的影響

脫硫副產(chǎn)物隨煙氣進入布袋除塵器，大量的粉塵聚集粘附在布袋上，形成一層粉塵層，粉塵層中含有未反應完的脫硫劑，煙氣在經(jīng)布袋除塵器過濾的過程中，吸附在濾料表面的脫硫劑繼續(xù)同煙氣中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應，煙氣中的酸性物質(zhì)含量進一步降低。

4 項目實施問題分析

4.1 催化劑使用應注意的問題

堿金屬與催化劑表面接觸，會使催化劑活性降低。本項目還原劑為氨水，氨水中含有堿金屬鹽成分，應選用堿金屬含量低的合格品質(zhì)氨水；脫硝裝置內(nèi)應避免水蒸氣凝結，凝結在催化劑上的水會將飛灰中的有毒物(堿金屬，鈣，鎂)轉(zhuǎn)移到催化劑上，從而導致催化劑失活[5]，在運行過程中需保持氨水蒸發(fā)后溫度高，避免不利因素；飛灰沉積會導致反應器內(nèi)流場惡化，需優(yōu)化煙氣流程，設置導流板和煙氣整流格柵，安裝吹灰設備，催化劑入口頂端采用硬化技術，改善催化劑磨損；硫及硫銨鹽是造成催化劑堵塞的另一個主要原因，煙溫250℃以下，很容易形成硫銨鹽，不僅堵塞催化劑微孔，而且會造成下游換熱設備的粘污，本方案設計最低運行溫度280℃。

4.2 節(jié)能氨水蒸發(fā)系統(tǒng)的運行

常規(guī)氨水蒸發(fā)熱源一般用蒸汽或電加熱，空氣加熱至180℃-200℃后，與霧化氨水液滴直接接觸式加熱蒸發(fā)，本項目在反應器內(nèi)設計了盤管換熱裝置，節(jié)省能耗和降低故障率，離心風機把空氣升壓后送入下部聯(lián)箱管，煙氣在盤管內(nèi)加熱后匯集于上部聯(lián)箱管后送至蒸發(fā)塔蒸發(fā)氨水，產(chǎn)生的氨氣和水蒸氣，經(jīng)熱空氣稀釋后送入噴氨格柵。

圖4 新型氨水蒸發(fā)系統(tǒng)

4.3 脫硫劑的研磨

SDS干法脫硫系統(tǒng)要保證有比較高的脫硫效率，碳酸氫鈉的顆粒粒徑是關鍵，經(jīng)超細粉磨機研磨制成<10um的細粉(通過率97%)，可達到比較高的脫硫效率，超細的粉塵研磨，對研磨機的要求比較高，本項目選擇了進口品牌帕爾曼高效研磨機，并設計了防止研磨板結的加藥自動沖洗系統(tǒng)，連續(xù)加入一定量的潤滑藥劑，保證了研磨機穩(wěn)定連續(xù)工作。

4.4 脫硫劑的均勻分布

由3.3節(jié)可知，脫硫劑在塔入口水平煙道段噴入，且在其下游段設置均布裝置，脫硫效果最好。脫硫劑顆粒在脫硫塔截面上的均勻分布與噴射器、均布裝置有關，為了獲得較好的效果，借鑒了專利號CN201949798[6]設計思路并做了優(yōu)化，開發(fā)了多組X型渦流混合器，如圖5所示。

圖5 多組分布X型渦流混合器示意圖

4.5 脫硫灰的有效處理

與其他干法脫硫方法相比，SDS系統(tǒng)的脫硫劑用量少，因此脫硫副產(chǎn)物少。副產(chǎn)物中Na2SO4所占比例很高，便于綜合利用[7]。副產(chǎn)物為干態(tài)粉狀料，其中，Na2SO4質(zhì)量約占總質(zhì)量的90%，Na2CO3質(zhì)量約占總質(zhì)量10%。可用范圍包括：(1)摻入水泥作添加劑;(2)在玻璃生產(chǎn)中代替純堿;(3)用作尾礦固化劑的生產(chǎn)原料；(4)在造紙工業(yè)中用于制造硫酸鹽紙漿時的蒸煮劑;(5)在化學工業(yè)中用作制造硫化鈉的原料;(6)在紡織工業(yè)中用于調(diào)配維尼綸紡絲凝固劑等。這些應用中，除(1)和(3)項對純度要求不高，其他各項應用均需要比較好的脫硫副產(chǎn)物純度，因此進入SDS脫硫塔反應器入口的煙氣粉塵濃度越低，脫硫副產(chǎn)物利用價值越高。

5 結論

SCR脫硝+SDS脫硫除塵能同時使系統(tǒng)達到NOx、SO2和粉塵達標排放。在SCR反應器內(nèi)布置空氣/煙氣換熱器加熱空氣，不僅節(jié)能，且運行簡單。脫硫塔底部煙道布置脫硫劑噴射口和均布器，保證了碳酸氫鈉在熱煙氣中激活的同時，也有利于提高碳酸鈉顆粒在脫硫塔截面上的分布均勻性，提高脫硫效率；同時布袋上的粉塵層有未反應的脫硫劑，在除塵過濾的過程中，吸附在濾料表面的脫硫劑繼續(xù)同煙氣中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應，進一步提高脫硫效率，獲得如下結論：

(1)SCR脫硝+SDS脫硫工藝效率高，能夠滿足目前的超低排放限值要求，且系統(tǒng)全干態(tài)運行，無需防腐，沒有廢水排放問題。

(2)新型氨水蒸發(fā)器利用了煙氣余熱，降低了系統(tǒng)中空冷塔的負荷，降費節(jié)能，且運行簡單。

(3)煙氣溫度對脫硫效率有直接影響，當溫度低于140℃，脫硫效率下降明顯，當溫度上升到200℃左右時，脫硫效率高。

(4)脫硫劑加料最佳位置在脫硫塔入口煙道設置，加料口下游煙道安裝均布器，脫硫效率高。