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日钢600m2烧结烟气活性炭脱硫工艺优化及运行实践

北极星大气网  来源:烧结球团  作者:李洁 贾庆晓  2020/4/22 14:16:17  我要投稿  

北极星大气网讯:摘要: 简要介绍了活性炭干法脱硫技术的工艺原理及系统。该技术自2015 年在日照钢铁控股集团有限公司( 以下简称日钢) 600m2烧结投入运行以来仍存在一些问题,在后续运行过程中相继对再生烟气管道、活性炭温度控制、吸附塔气室隔栅、卸料器管道及冷凝酸的收集处理进行了改进,并对系统操作进行了优化。这些优化改进措施取得了显著效果,进一步推进了烧结工序的减排。

钢铁工业是资源、能源消耗大户,同时也是污染大户,钢铁行业每年向大气中排放大量的SO2,而烧结工序烟气产生的SO2占钢铁企业排放总量的80%。随着近年来国内环保问题日益突出,新《环境保护法》于2015 年正式实施,而《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》从2015 年1 月1 日起要求,无论现有企业还是新建企业,烧结机烟气中污染物排放浓度均执行以下限值要求: SO2排放浓度≤200mg /Nm3 ; 颗粒物排放浓度≤50 mg /Nm3 ; NOx排放浓度≤300 mg /Nm3; 氟化物排放浓度≤4. 0mg /Nm3; 二噁英类排放浓度≤0. 5 ng-TEQ/Nm3。

日钢600m2烧结机是目前国内单机面积最大的烧结机之一,该烧结机配套建设的烟气脱硫系统采用活性炭吸附烟气净化工艺。该工艺由中冶北方和上海克硫联合开发,专门用于处理大烟气量、低浓度的烧结机废气,具有完全自主知识产权,可实现全部设备国产化。该技术自2015 年在日钢600m2烧结机上应用后,经过3年的运行摸索,结合日钢脱硫现场实际情况和对烧结指标控制的要求,对其工艺和设备做了进一步优化,在后期操作过程取得了良好的效果。

1 活性炭干法脱硫技术

1. 1 工艺原理

烧结过程产生的135~145℃的烟气以一定速度进入吸附塔( 高于150℃时系统自动采取降温措施,将烟气温度降低至约130℃; 高于180℃时系统自动接入旁路系统外排) ,烟气均匀的穿过活性炭吸附层,在吸附层内SO2、汞、砷等重金属、HF、HCl 和气相二噁英等大分子氧化物被脱除,脱硫反应是物理吸附和化学吸附相结合的复合反应,主要反应如下:

物理吸附: SO2→SO2( SO2吸附在活性炭微细孔中)

化学吸附: SO2+O2+H2O→H2SO4

再生反应: H2SO4+C→CO2+SO2+H2O

净化后的烟气由烟囱排出,吸附SO2后的活性炭,在加热情况下,其所吸附的H2SO4与C ( 活性炭) 反应被还原为SO2,同时活性炭恢复吸附性能,循环使用; 活性炭的加热再生反应相当于对活性炭进行再次活化,活化后的活性炭吸附和催化活性不但不会降低,还会有一定程度的提高。其工艺流程如图1 所示。

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1. 2 工艺系统

活性炭干法脱硫工艺主要由烟气系统、吸附净化系统、活性炭再生系统、物料循环输送系统、除尘系统、制酸系统、氨站系统以及其他辅助系统组成。

烟气系统: 主要由进出气烟道、增压风机、旁路烟道、切换风门、膨胀节以及相关管路组成,完成烟气系统增压及脱硫装置与旁路烟道的切换。

吸附净化系统: 主要由吸附塔及相关管路组成,是活性炭干法脱硫工艺的核心装置,通过活性炭的吸附和过滤作用净化烟气中的SO2和烟尘。

活性炭再生系统: 主要由再生塔、热风炉及相关管路组成,通过恢复活性炭的活性,并收集再生过程中产生的富含SO2的气体。

物料循环输送系统: 主要由链斗机、振动筛及斗式提升机组成,通过输送设备、筛分设备、储料设备完成活性炭的循环运输、给料补充等。

除尘系统: 主要由脉冲布袋除尘器和收尘风机、收集炭粉灰罐组成,根据活性炭物料输送系统特点,对链斗机、斗式提升机、振动筛以及料仓进行抽风,确保运行环境的清洁,然后对抽取的含活性炭粉尘的气体进行除尘净化。

制酸系统: 主要由动力波、洗涤塔、冷却塔、电除雾器、转化器组成,经过净化冷却后的SO2气体经干燥塔干燥,在转化器钒触媒的催化作用下将SO2转化成SO3,再送入吸收塔进行吸收,转化吸收后,尾气通过烟道返回到活性炭吸附塔中,烟气闭路循环,不外排。

氨站系统: 主要由氨压缩机、液氨蒸发器、液氨储罐、氨气缓冲罐、稀释风机组成,通过向吸附塔提供氨气,实现活性炭装置脱硝功能。

2 工艺优化

活性炭干法脱硫技术自2015 年在日钢600 m2烧结机上应用后,依据综合脱硫效率并根据现场的问题反馈,对其工艺和设备做了进一步优化,在后期操作过程中运行良好。

2. 1 再生烟气管道的堵塞、腐蚀

由于日钢600 m2烧结因现场基建面积有限,所以再生塔产生的再生烟气经管线总长700 m的管道输送至硫酸系统,由于再生气中粉尘浓度较高,且烟气中含有焦油、炭沫等物质,引起管道大面积结垢甚至堵塞,导致SO2风机进口压力增大,烟气循环不畅将严重影响脱硫效率,严重时会导致烧结机减产停机。而且从再生塔产生的富集SO2气体温度可达335 ℃,在经过总长700 m 的管道时产生大量冷凝酸,冷凝酸在大面积堵塞的管道里很难通过预留外排口泄出,造成管道腐蚀严重,甚至造成现场管道直接腐蚀断裂,直接影响脱硫系统运行进而导致烧结机减产或停机。

在经过一段时间的管道修补和更换之后,600 m2烧结厂在2016 年全部将腐蚀严重的不锈钢管道更换为耐腐蚀的玻璃钢纤维管道,同时在再生塔下方增加净化洗涤塔一座。从再生塔出来的富集SO2高温气体直接经过洗涤塔化洗涤,这一过程很大程度降低了SO2气体的温度( 从335 ℃降到100 ℃) ,同时清理了烟气中的粉尘、焦油等其他杂质。洗涤过后的SO2气体一方面符合玻璃钢纤维管道的承受温度,另一方面也减少了管道结垢堵塞,冷凝酸顺利通过外排口收集到酸罐中。

从目前的运行实绩来看,此方案可完全避免再生烟气管道的堵塞、腐蚀现象。温度和杂质通过“源头”的治理也为后续洗涤、冷却环节提供了便利,洗涤塔和冷却塔改为一用一备,节省了成本,保证了烧结脱硫工序的正常生产。

2. 2 吸附塔内活性炭超温

活性炭本身具有巨大的比表面积,吸附力强且有蓄热性能,一旦塔内活性炭超温,温度上升较快,同时在含氧量足够的情况下,容易发生自燃。如若处理不当将会发生重大安全生产事故,直接关乎正常生产和员工的人身安全。2016 年9 月因生产跟脱硫主控配合不当,在烧结机开机时大量高温烟气( 150 ℃) 涌入吸附塔,造成吸附塔多点严重超温直接导致停机。后期通过开仓将超温活性炭排除才得以恢复正常生产。因此,确保吸附塔内活性炭温度正常非常重要。

活性炭干法脱硫技术体量很大( 排空一个吸附塔的活性炭大约需要30 h) ,工况波动一旦超出其设计处理能力范围,其可调节手段有限,且调节时间长、相对滞后。为了确保活性炭不超温,除了严格控制入口烟温( 通过对冷风和喷淋双重保护确保入口烟温小于130 ℃) 和进气量之外,还加入前馈控制,在烧结加风门提产和烟温波动时,提前通过变频器控制吸附塔二层卸料器的电机转速,加速吸附塔的物料循环。在扰动还未影响输出以前,直接改变操作变量,以使输出不受或少受外部扰动的影响。实践证明,此优化方案完全可行、效果良好,确保了活性炭稳定在正常温度。活性炭温度前馈控制图如图2所示。

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2. 3 吸附塔气室隔栅漏料

活性炭干法脱硫工艺在投产运行的3 年多时间里,出现了多次气室隔栅漏料事故。隔栅漏料后处置十分困难,一方面为了以防引燃活性炭,无法使用电气焊作业,另一方面需人员进入气室进行人工清理,而作业空间狭小,且空间内有大量的SO2气体,需置换塔内气体确保人员施工安全,作业难度较大。

为杜绝吸附塔气室隔栅漏料情况,日钢经过一段时间的分析和总结,从操作和设备两方面解决了此问题。一是对控制室人员进行了操作要求: ①确保顶置料仓不长时间缺料。缺料会使活性炭之间重力跟摩擦力之和小于烟气的压力,造成活性炭被烟气通过隔栅带入气室;②确保入塔压力不超过一定值。压力太大直接会把活性炭吹送到气室; ③每天关注活性炭填装使用量。使用量突然增加就检查气室是否出现隔栅漏料情况。二是检修期间对隔栅进行了加密焊补处理。通过两项措施有效解决了吸附塔气室隔栅漏料问题,确保了活性炭脱硫系统的正常运行。吸附塔气室隔栅结构示意图如图3所示。

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2. 4 卸料器管道结块堵塞

吸附塔内的活性炭经卸料器通过下面的管道将活性炭送到输送机上,吸附大量SO2的活性炭由于比较潮湿,所以在循环过程中产生较多的炭沫,极易造成管道的积垢堵塞,直接影响吸附塔活性炭的循环。一般的解决方法是振打或者气焊割开管道疏通物料,但这样的处理方式“治标不治本”。通过不断的分析研究,发现堵塞管道的大多数都是活性炭粉末,加上所处的空间潮湿,所以结垢堵塞管道。在之后的操作过程中,一方面尽量通过兑换过冷风而不是喷淋降温,确保活性炭干燥,另一方面在上料和振动筛分环节确保进入吸附塔的活性炭没有粉末。此举效果显著,极大地减少了卸料器管道的堵塞。

需要强调的是,对活性炭进料的筛选十分重要,防止一些金属颗粒、焊条、木屑进入吸附塔,这些物质由于其燃烧点跟蓄热性与活性炭不相同,会造成吸附塔活性炭超温。这些杂物在吸附塔内没法取出和观察,只能通过开仓将其排出才能恢复生产。

2. 5 冷凝酸的收集处理

前文提到再生塔产生的再生烟气需经长700 m 的管道输送至硫酸系统,富集SO2的高温气体在输送过程中会在管内产生大量的冷凝酸( 酸浓在5%~10%) ,需要通过预留的外排口排放到桶内汇集处理。首先,排放收集过程全靠人工,这可能会导致冷凝酸喷洒外溅,造成环境污染甚至伤及员工。其次,冷凝酸排出的气味刺激性极强,即便在排放的过程中劳保用品穿戴齐全,伤及员工的事情仍时有发生,对脱硫过程控制造成了诸多不利影响。为此,在对脱硫设施改造过程中,在所有的外排口下面安装一个带有排酸泵的密封大桶,酸泵会根据液位的高低对冷凝酸进行自动的外排,将所有的冷凝酸汇集后,通过添加氢氧化钠中和处理。这样采用密封自动外排控制的方式,既不会污染环境,又确保了员工的人身安全。

3 运行实践

日钢600m2烧结活性炭脱硫设施经过一系列工艺调整及优化后,系统运行状况明显优于从前,其2017年重点运行参数如表1 所示。

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从表1 可看出,600 m2 烧结活性炭脱硫设施净化后的烟气SO2排放浓度仅有55 mg /Nm3,远低于国家2015 年1 月1 日颁布的《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》200 mg /Nm3的排放要求。符合当前环保要求和烧结烟气净化技术的未来发展趋势,并进一步促进了钢铁行业的节能减排。

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