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硫尘硝一体化技术应用于烧结机烟气治理的可行性

北极星大气网  来源:《环境工程》  作者:林柳柳 林荷等  2019/9/11 10:12:03  我要投稿  

北极星大气网讯:摘要:通过分析带式烧结机烟气中SO2,NOx浓度及烟气温度随烧结机烧结过程进行的变化规律,研究硫尘硝一体化技术应用在烧结机烟气治理中的可行性。提出工艺路线:将烧结机烟气根据各风箱的烟温分为100℃以下的低温部分、100℃以上的中高温部分。中高温部分烟气可直接引入硫尘硝一体化设备进行烟气综合治理,而低温部分烟气则可通过布袋除尘器等预除尘处理后作为冷却机的冷空气对热铁矿进行冷却处理,冷却后的300~400℃高温废气再汇入硫尘硝一体化设备,与烧结机中高温部分烟气一同进行250~400℃的脱硫、除尘、脱硝一体化超净处理。将硫尘硝一体化技术应用于烧结烟气治理中,是节能简易且高效的超净治理。

引言

随着钢铁行业的快速发展,金属填料天然富矿在产量和质量上都远远无法满足高炉冶炼的要求,而大量贫矿经选矿后得到的精矿粉却不能直接入炉冶炼,因此,往往通过人工方式将精矿粉制成块状的人造富矿供给高炉使用。目前生产人造富矿的方法主要有烧结法和球团法,其中铁矿粉的烧结是目前最重要的造块技术,因此烧结烟气也不可避免地成为钢铁行业废气污染物的主要排放源。据《钢铁烧结烟气多污染物的排放特征及控制技术》报道,钢铁烧结工序的粉尘排放量约占钢铁生产总排放量的20%,SO2占比高达60%,同时钢铁烧结烟气粉尘排放浓度约为1000~5000mg/m3;SO2排放浓度约为300一10000mg/m3,SO2浓度变化大,平均排放浓度可达1575mg/m3。因此烧结烟气的治理也是钢铁企业废气污染防治的重中之重。特别是GB28662-2012《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》的实施,对SO2,NOx、粉尘的排放均有非常严格的要求,可见烧结烟气的治理将日渐严峻。

1常规治理工艺

目前,针对烧结烟气的治理方式很多,然而烧结机机头烟气具有负压高(最高达20000Pa)、含湿量大、含有SO2,H2S等腐蚀性气体且粉尘比电阻较高等特点,给电除尘器的设计、选型带来了很大困难。长期以来,中、小型烧结机机头收尘系统都采用旋风、多管等除尘效率较低、故障率较高的除尘器,严重影响了烧结机的正常生产和环保治理。而针对烧结烟气的脱硫处理,截至2012年底,我国已建成投运烧结脱硫设施389台,而全国烧结机共超1200台,脱硫覆盖率不足1/3。调查发现,我国烧结烟气脱硫市场混乱,简单模仿、低质低价、恶性竞争现象普遍;防腐、外保温、副产物处理等环节缺失;普遍缺乏有效的运营维护,设备故障率高,投运率低。依据2012年相关环保部门核查结果显示,全国平均综合脱硫效率仅为38.6%。针对烧结烟气的脱硝处理,由于烧结烟气平均温度为150℃左右,而往往脱硝催化反应要求的反应温度为260~380℃,过低的反应温度将显著提高副反应的发生,如生成(NH4)2SO4或NH4HSO4附着在催化剂表面,堵塞催化剂的通道和微孔,从而大大降低催化剂的活性。因此,烧结烟气的综合治理不仅要脱除粉尘、SO2,NOx和二噁英等有害物质,还应对烟气净化产物进行无害化处理,消除二次污染并节约资源及经济成本。目前,烧结烟气的常规治理工艺中典型的超低排放技术路径有

1)以活性炭吸附法脱硫脱硝处理为主的静电除尘器+活性炭吸附法+袋式除尘器工艺,从脱硫适应性、有无二次污染及脱硝等方面,能够取得较好的脱硫脱硝效果,并可同时脱除二噁英,但存在系统投资非常大,运行维护成本高,占地面积大,系统较为复杂等诸多问题。

2)以中高温选择性催化还原法(SCR)脱硝处理及湿法脱硫处理为主的静电除尘器+烟气加热+中高温SCR+烟气换热+石灰石石膏湿法脱硫+湿式电除尘+烟气脱白雾装置工艺,虽然技术相对成熟,具有较高的脱硝效率,在燃煤电厂也已得到广泛应用,但应用在烧结烟气治理系统则需要经历先升温后降温的处理,能耗高,同时湿法脱硫后产生的大量废水也需要进行二次处理,整体运行成本非常高。为此,开发一套适合烧结烟气的多污染物超低排放工艺迫在眉睫。

烧结烟气的常规工艺往往以烟气平均温度150℃左右为出发点进行相应的工艺设计,从而采用低温的湿法脱硫、布袋除尘、电除尘、活性炭脱硫脱硝等方式进行烟气处理,而有着优异脱硝性能的SCR技术处理则需要通过燃烧器等升温再通过烟气再热器(GGH)等降温的配合才能实现烟气的达标排放。通过利用烧结烟气的余热产生蒸汽进行发电的技术早已存在,以济南第二烧结厂为例,其余热回收段烟气温度为300~400℃,该段烟气通过进人高效余热锅炉,加热锅炉内的水能够产生375℃的过热蒸汽和0.37MPa的低压饱和蒸汽供给汽轮机发电。因此,烧结烟气也能找到更高的温度段进行多污染物的超低排放综合治理,从而避免低温处理带来的诸多弊端。

2烧结工艺分析

烧结是指在一定的高温作用下,使部分铁矿粉颗粒表面发生软化和熔化,产生一定量的液相,并与其他未熔矿石颗粒作用,冷却后液相将矿粉颗粒藏结成块的过程。其中,带式烧结机是我国冶金钢铁企业使用最为广泛的一种烧结机型号,其技术先进、可靠且实用,适用于大、中型规模烧结厂的铁矿粉烧结处理。本文将以带式烧结机为研究对象,进行工艺分析。

带式烧结机主要组成部分有烧结机驱动装置、点火装置、走行轨、导轨、滑道、风箱、密封装置等。

带式烧结机是由铺设在钢结构上的封闭轨道和在轨道上连续运动的一系列烧结台车组成。首先将烧结矿中分出的铺底料(10-20mm)加至台车上,以保护台车箅条并减少废气中的含灰量,然后再将烧结混合料经布料机加至台车上,并保持规定的高度。随之进行抽风点火烧结,随着台车的前进,通过抽风助燃,烧结过程将由料层表面向下不断进行,将混合料由上至下烧透,生成烧结矿。至机尾时烧结完成,台车翻转而将烧结饼倾卸。烧结饼经破碎和筛出热反矿后,送至冷却机冷却。空台车沿下部轨道继续运行回烧结机头部,进行新一轮的加料点火烧结过程,如此循环。而烧结废气则由料层中抽出至台车下的风箱从而并入集气总管及烟道,经处理后排向烟囱。

带式烧结机的抽风烧结过程是自上而下的,烧结料层依据高度温度变化可分为烧结矿带、燃烧带、干燥预热带和过湿带。这4个分带的厚度体现了烧结过程所有热状态特性,同时导致各带产生的烧结烟气温度也存在明显差异。其烟气温度分布规律大致为:

1)烧结矿带:烧结矿层经高温点火后,烧结料中燃料燃烧释放大量的热使表面料层中矿物产生熔融,由于燃烧层下移及冷空气的通过,生成的熔融液相将被冷却而再结晶(1000~1100℃)凝固成网孔结构的烧结矿。

2)燃烧带:燃料在该层燃烧,温度高达1350~1600℃,使矿物软化熔融粘结成块,该层除燃烧反应外,还发生固体物料的熔化、还原、氧化以及石灰石和硫化物的分解等反应。

3)预热干燥带:经燃烧层的高温废气,把混合料很快预热到着火温度,一般为400~800℃,此层内开始进行固相反应,结晶水及部分碳酸盐、硫酸盐分解、磁铁矿局部被氧化。废气下行并继续将下层物料加热,使下部料层温度很快上升到100℃以上,料层中的游离水大量蒸发。

4)过湿带:经预热干燥层的热废气含有大量水分,料温低于水蒸气的露点时,废气中的水蒸气会重新凝结,使混合料中水分大量增加而形成过湿层,此层水分过多,使料层透气性变差,降低烧结速度。

烧结结束后所获得的热烧结矿,温度高达600~1000℃,必须经过冷却机吸人的冷空气冷却至150℃以下才能由带式输送机运往高炉,冷却废气温度约为300~400℃。

3烧结烟气多污染物排放特征

研究表明,烧结烟气中SO2的主要来源于铁矿石中的硫化物、硫酸盐等分解及固体燃料(如煤粉)的燃烧;NOx的主要来源为烧结点火过程、固体燃料燃烧及高温反应阶段。结合烧结工艺可知,烧结过程废气污染物成分会随烧结料层分带而不同,而燃烧带及干燥预热带很可能是废气中SO2,NOx的主要来源。烧结过程始于机头的高温点火,并随台车前进,在抽风机作用下由料层表面向下不断进行并于机尾完成。而烧结废气则由料层中抽出至台车下的风箱从而并入集气总管及烟道,经处理后排向烟囱。因此,通过对不同的风箱进行不同的烟气处理,将可能找到烧结烟气更为适合的超低排放工艺。

通过朱廷饪等对某钢铁企业烧结烟气中SO2及NOx浓度沿烧结方向的变化研究,及其与济钢集团400m2烧结机、福建省三钢(集团)180m2烧结机测试结果的对比可以发现:SO2与NOx的浓度随烧结机位置的不同而变化,中后部烟气SO2浓度高,机头浓度几乎为0;NOx浓度沿烧结方向的变化与SO2不同,NOx在机头最高,而中部及机尾浓度低;同时,风箱烟气温度也随烧结方向不同而变化,前端和中段温度较低,约50~100℃,而中段及末端温度较高,约100~400℃,两者风箱数比例约1:1。

4硫尘硝一体化技术(LongkingSCR+)

LonkingSCR+是近年来龙净环保股份有限公司从国外引进并优化整合出的一套新型烟气中高温干法超净治理工艺,工艺特点为

1)采用循环流化床烟气脱硫技术(CFB-FGD)对烟气进行250~400℃的干法脱硫处理,其依托于传统CFB-FGD技术的循环流化床原理,能够使吸收剂在反应器内多次再循环,延长了吸收剂与烟气的接触时间,从而大大提高了吸收剂的利用率。不但具有一般干法脱硫工艺的诸多优点,如流程简单、占地少、投资低以及副产品可以综合利用等,而且能在钙硫比很低(Ca/S=1.1—1.2)的情况下达到与湿法脱硫工艺相当的脱硫效率(95%左右)。

2)采用带脱硝催化剂型的复合陶瓷滤筒为核心元件进行烟气的脱硝、除尘一体化处理(以下简称尘硝一体化技术),该技术采用过滤式的除尘方式,通过陶瓷滤筒表面的筛滤和拦截作用对烟气中粉尘进行拦截,从而实现除尘;同时,由于复合滤筒内部载有大量SCR脱硝催化剂,当烟气由滤筒表面进人滤筒内的除尘过程中,烟气中的NOx也能够在催化剂作用下与预先注人的氨进行反应生成N2,从而实现烟气的除尘脱硝同步处理。尘硝一体化的优势在于其采用的陶瓷滤筒,表面覆膜孔径小,可处理亚微米级颗粒物,具有非常高效的除尘效果,同时由于其本身为陶瓷耐火材料,最高能耐受近850℃高温,从而确保其能在250~400℃的最佳脱硝反应温度下同步进行高效除尘处理而不损坏滤料,进一步节约设备投资及占地。

3)硫尘硝一体化技术集合了CFB-FGD烟气脱硫技术与尘硝一体化技术,采用的中高温+法治理工艺不产生污水等二次污染,也避免了烟囱的腐蚀。同时,其特殊的中高温干法一体化处理方式既避免了干湿结合工艺中烟气反复升温降温的弊端,还有利于净烟气的余热回收。因此,若能找到烧结烟气中合适的温度段,则硫尘硝一体化技术优势明显。

5硫尘硝一体化技术应用在烧结烟气治理的可行性

LongkingSCR+是以循环流化床脱硫、滤筒除尘及SCR脱硝为一体的250~400℃的中高温干法综合处理工艺,而烧结烟气中NOx主要集中于前端的低温段,SO2的排放主要集中于中后段的高温段,因此若能提高烧结机前端的烟气温度,则能很好地使用该技术对烧结烟气的SO2,NOx及粉尘进行综合的治理,从而减少废水、烟囱腐蚀、烟气再热器(GGH)升温降温等。此外,烧结机烧结后还有一个必备的冷却阶段,需要通过吸人冷空气将温度高达600~1000℃的热烧结矿冷却至150℃以下才能运送至高炉使用,而冷却废气高达300~400℃,这将为烧结机前端烟气温度的提高提供一个非常节能且便捷的方式。冷却机废气也是目前烧结机余热回收发电的主要余热来源。

为此,针对烧结烟气的综合治理,最可行的工艺路线可能为将烧结机烟气根据各风箱的烟温分为100℃以下的低温部分、100℃以上的中高温部分,中高温部分烟气可直接引人硫尘硝一体化设备进行烟气综合治理,而100℃以下的低温部分烟气则可通过布袋除尘器等预除尘处理后作为冷却机的冷空气对热铁矿进行冷却处理,冷却后的300~400℃高温废气再汇入硫尘。

硝一体化设备,与烧结机中高温部分烟气一同进行250一400℃的脱硫、除尘、脱硝一体化超净处理。净化后烟气可再次经过余热回收后再排人烟囱(如图1所示)。将硫尘硝一体化技术应用于烧结烟气超净治理中有以下优势:

1)能够通过直接利用烧结后的热铁矿余热进行烟气的升温而不需使用额外的加热器等昂贵设备;

2)硫尘硝一体化技术能够将脱硫、除尘、脱硝同步进行高效的超净处理,大大简化了工艺并再次节约了设备成本;

3)硫尘硝一体化技术的中高温干态烟气处理工艺,减少了废水等二次污染,避免了烟囱腐蚀等问题,也有利于净烟气的余热回收利用。

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