玻璃熔窑烟气污染物深度减排技术研究与工程化应用

摘要：当前我国大气污染防治工作有序开展,随着煤电行业烟气超低排放改造逐渐进入收尾阶段,建材等行业的烟气治理已成为下一个重点。我国玻璃熔窑烟气治理工作较煤电行业起步晚、技术发展不成熟。该文通过多年研发与工程实践积累,得出玻璃熔窑烟气污染物深度减排技术方案,并结合工程实际案例进行技术分析,为玻璃行业烟气达标排放,特别是重点地区满足特殊排放限值提供借鉴。

随着我国经济社会的不断发展,工业化程度逐渐加深,其中玻璃工业从20世纪90年代以来有了飞速发展,玻璃产量已居世界第一。近年来,我国大范围的灰霾天气频发,已成为制约我国经济可持续发展的障碍之一。在大气污染源中,玻璃工业排放的烟气污染物也占据一定比例,而且治理工作开展时间较电力及冶金等行业晚,治理难度大。玻璃熔窑烟气中的主要污染物为PM、SO2和NOX ,同时还有HCl、氟化物等非常规污染物。初步估算,2016 年玻璃行业颗粒物年排放总量约9.2 万t,SO2 约28.9 万t,NOX 约40.7万t,虽然相比于煤电、钢铁等行业占比较小,但鉴于其集中分布在华北等重点地区,仅京津冀及周边“2+26”城市就集中了全国平板玻璃近30%的产量,加剧了京津冀等重点区域灰霾、酸雨等问题。2017年6月13日环保部发布《关于征求<钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准>等20项国家污染物排放标准修改单(征求意见稿)意见的函》(环办大气函[2017]924号),对平板玻璃等行业大气污染物排放标准增加了排放特别限值,其中平板玻璃主要污染物颗粒物排放标准由50mg/m3 提高到20mg/m3,SO2 由400mg/m3 提高到100mg/m3,NOX 提高到400mg/m3。

在烟气脱硫、脱硝、除尘等污染排放控制技术领域,国内外研究机构已经开发了多种烟气污染控制技术,针对燃煤锅炉烟气排放控制的研究与工程应用较多,但对玻璃熔窑烟气综合治理工艺研究较少。欧美、日本等发达国家玻璃窑燃料多为天然气,且多无余热发电,烟气治理相对简单,而我国玻璃熔窑燃料除少数采用天然气和煤气外,大部分采用重油、焦油、石油焦粉等高硫燃料。我国针对以气体为燃料的玻璃熔窑烟气治理技术已基本成熟,深度减排还有待继续优化;针对以重油、焦油、石油焦粉为燃料的玻璃熔窑烟气治理则处于起步阶段。

由于玻璃生产工艺特殊性,其熔窑烟气具有温度高、成分复杂导致的粘性高、NOX 含量高等“三高”特点,且窑炉周期性换火会造成PM、SO2、NOx 浓度变化剧烈,环保设备运行过程还需保证窑压平衡,再加上多有余热发电,烟气治理流程复杂、治理难度大[7,8]。在借鉴燃煤锅炉烟气处理经验的同时,还需要根据玻璃工业烟气自身特点,开发设计玻璃行业特有的高温、高氮、高粘尘玻璃熔窑烟气排放控制技术。此外,玻璃熔窑烟气中包括氟化物和氯化物等非常规污染物,多污染物协同深度减排也是今后研究的重点。针对玻璃炉窑烟气污染物深度减排技术需求,特别是当前行业标准逐步趋严,重点地区已提出特别排放限值的要求。该文结合多年研究的烟气调质改性技术、高温电除尘技术、高/低温段余热利用与SCR脱硝耦合技术、旋转喷雾干燥吸收(R-SDA)脱硫技术,形成一套烟气多污染物深度减排及余热利用整体解决方案,并结合工程实际案例对其进行技术分析,为建材特别是玻璃行业烟气达标排放,尤其是重点地区满足特别排放限值提供借鉴。

1 整体方案

来自熔窑的高硫高氮高粘尘烟气450~500 ℃首先进入余热发电锅炉高温段,使烟气温度降至适宜中高温脱硝的温度段350~420 ℃后引入调质反应器,经调质改性后进入高温静电除尘器,预处理后的烟气与喷入的氨水进行充分混合均匀后再进入SCR 反应器,在催化剂的作用下氨与氮氧化物发生氧化还原反应,生成氮气和水蒸汽,从而完成烟气预处理、除尘、脱硝过程。经脱硝后的低尘烟气320~380℃返回余热发电锅炉低温段充分回收余热,再进入R-SDA 脱硫塔由氢氧化钙与二氧化硫发生中和反应,并完全干燥形成粉末,最终经袋式除尘器气固分离后的烟气达到硫硝尘的深度减排要求,工艺流程图见图1。

2 技术分解

2.1 烟气调质改性技术

对于玻璃熔窑烟气,由于玻璃生产原料及燃料的原因,高温熔化玻璃表面经过气相升华,会造成玻璃窑炉烟气中的粉尘含有硫酸钠盐。当采用重油、石油焦粉时,烟气中SO3含量较高,即使燃料为天然气,其烟气中也会有来自燃料的硫氧化物,随之产生SO3气体。在特定温度下,通常为200~500℃,从高温冷却下来的硫酸钠与烟气中的气态SO3混合后产生粘性大、腐蚀性强的颗粒物。如果此类烟气不经预处理直接引入下游除尘及脱硝装置,不仅会粘附和腐蚀除尘极板,降低除尘效率,给除尘振打清灰和灰斗清灰带来很多问题,同时也极易引起催化剂堵塞,缩短其使用寿命,增加整个系统的阻力。

为改善玻璃窑烟气粉尘性质,降低其腐蚀性与粘性,同时减少烟气中硫含量,控制脱硝过程中硫氨生成,对下游环保设备起到保护作用,必须对玻璃窑烟气进行不同于电力、冶金等行业烟气的调质改性处理。

目前,国内外普遍采用液相调质剂或者向烟气加入添加剂,如SO3、硫酸铵等,改善烟气颗粒物性质,这些方法并不适用于玻璃熔窑烟气,同时烟气的腐蚀性也并没有得到降低,对下游电除尘器、脱硝催化剂的脱除效率及使用寿命都构成极大影响[10]。江苏中建材环保研究院根据玻璃熔窑烟气特性,开发出新型玻璃窑烟气干法调质脱硫一体化装置,见图2。

从图2可以看出,该装置设计安装在除尘器进口前,通过喷入调质改性剂,可有效改善烟气中颗粒物的粘性及腐蚀性,同时起到较好的预脱硫的作用,且脱硫灰可循环使用,为后续的除尘及脱硝提供了有效保护。

2.2 高温静电除尘技术

电除尘器在电力、冶金等行业烟气治理中已得到广泛应用,且技术成熟,一般适应温度在250~300℃左右[11]。但是,玻璃熔窑烟气温度一般在450℃左右,普通电除尘器并不适用,需对其进行升级改造,提高耐受的运行温度。此外,由于SCR脱硝催化剂的最佳活性温度在300~400℃,因此也对其上游的除尘器提出了耐高温的要求。高温电除尘器改进主要从以下几个方面进行:

1)优化电除尘器结构设计及选材,满足耐高温运行要求 钢材的性能与作用温度有着密切关系,其与焊缝的强度均会随着温度的上升而下降。温度越高对钢材的性能影响越大,当温度达到350~400 ℃时,壳体的设计要考虑相应的温度折减系数,抵消高温造成的性能衰减,并从整体上对电除尘器进行详细的结构力学分析,确保电除尘器部件在高温环境下的变形量在正常范围内。

针对除尘器壳体及部分钢结构,采用材质为Q235或Q345的钢材进行设计,其温度折算系数如表1所示:对于系统内部的阴阳极系统:阳极系统采用耐高温的ZT24型阳极板,厚度δ=1.2mm,可有效耐受高温烟气;阴极系统采用V15型圆钢针刺线,抗拉强度高,适合用于高温烟气环境。

对于系统内部的阴阳极系统:阳极系统采用耐高温的ZT24型阳极板,厚度δ=1.2mm,可有效耐受高温烟气;阴极系统采用V15型圆钢针刺线,抗拉强度高,适合用于高温烟气环境。

2)改善除尘器结构热变形状况 电除尘器体积较大,其在400℃高温下与常温下相比热膨胀量比较大。如果没有消除热膨胀的措施,除尘器高温下整体会产生较大的变形量,进而对内部电场产生影响,严重影响自身正常运行。通过将电除尘器的钢支座制作成可滑动支座,从而实现在多个方向上调节消除除尘器自身的热膨胀。此外,阴极系统设计成分段框架式悬挂,分为大、小框架,并采用螺栓卡扣相连,预留膨胀空间,避免阴极线产生热变形,影响电场除尘效果。

3)改进阳极板系统,减小极板变形 普通除尘器的阳极板在高温烟气中变形量大,造成电场不稳定,极易引起短路,对除尘效果影响极大。针对此问题对阳极板进行了特别设计,开发了高温电除尘器阳极板防变形技术,目的在于增强高温电除尘器阳极板的热稳定性,防止因极板高温变形所造成的放电极和阳极板的定位精确性。同时采用重物垂拉的方式保证极板的平整,避免对极板的振打清灰造成影响。

高温电除尘器阳极板防变形技术主要包括振打系统、极板固定系统和极板防变形系统。该装置通过重物垂吊增强极板的热稳定性,保证极板在竖直方向的平整,防止极板热变形影响放电及振打清灰的效果,维持电场稳定运行。