焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝凈化技術(shù)與工藝

馬晨紅

(山西焦化集團(tuán)有限公司，山西 臨汾 041606)

在焦?fàn)t生產(chǎn)過程中，煙氣污染問題不可避免，當(dāng)下，針對焦?fàn)t煙氣的治理，主要以脫硫脫硝處理為主。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，將NOx的排放整合至總量控制因子中，并規(guī)定在焦?fàn)t煙氣中，二氧化硫的質(zhì)量濃度一定要控制在小于50 mg/Nm3，氮氧化物的質(zhì)量濃度控制在小于500 mg/Nm3，方可排放至大氣中[1]。故此，對焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝凈化工藝進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 焦?fàn)t煙道氣特點(diǎn)

1) 焦化廠焦?fàn)t煙道氣參數(shù)多樣，對焦?fàn)t煙道氣成分影響的因素也多樣，以焦?fàn)t生產(chǎn)工藝、焦?fàn)t類型、燃料種類、焦?fàn)t運(yùn)行機(jī)制、煉焦原料煤有機(jī)硫構(gòu)成比等為主。

2) 和電廠320 ℃～400 ℃煙氣溫度相對比，焦?fàn)t煙道氣溫度值相對較低，約為180 ℃～300 ℃，以200 ℃～230 ℃居多。若在工藝生產(chǎn)過程中能應(yīng)用高爐煤氣加熱焦?fàn)t，那么煙道氣溫度將會(huì)更低(<200 ℃)。

3) 焦?fàn)t煙道氣內(nèi)SO2含量范圍相對較廣：60 mg/m3～800 mg/m3；NOx含量的差異相對較大：400 mg/m3～1 200 mg/m3；含水量存在很大區(qū)別：5.0%～17.5%。

4) 焦?fàn)t煙道氣成分構(gòu)成，伴隨著焦?fàn)t液壓交換機(jī)操作形式的變化也出現(xiàn)規(guī)律性變化，所以，煙氣內(nèi)SO2、NOx、氧含量的波峰與波谷指標(biāo)差異較大。

5) 焦?fàn)t煙囪務(wù)必從始至終維持在熱備的運(yùn)行狀態(tài)中，為確保煙氣凈化設(shè)備在突發(fā)狀態(tài)下能維持焦?fàn)t生產(chǎn)作業(yè)的正常性，產(chǎn)生的環(huán)境污染相對較輕微。和電廠煙氣相比，焦?fàn)t煙囪務(wù)必在整個(gè)生產(chǎn)周期維持熱備狀態(tài)，經(jīng)脫硫脫硝后的煙道氣溫度一定要高于煙氣露點(diǎn)溫度，且煙氣溫度一定要高于130 ℃時(shí)方可直接回到原煙囪，所以，焦?fàn)t煙道廢氣需經(jīng)加熱方可回到原煙囪；而在煙氣溫度偏低或含水量偏高情況時(shí)，由于焦?fàn)t煙囪未應(yīng)用防腐措施只能排放到大氣環(huán)境中。

6) 焦?fàn)t煙道氣成分復(fù)雜多變，以硫化氫、一氧化碳、甲烷、焦油等為主[2]。

2 焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝常見工藝和特點(diǎn)

2.1 干法脫硫工藝

干法與半干法煙道氣脫硫系統(tǒng)內(nèi)的固體堿性吸收劑被噴至煙道氣流內(nèi)，或促使煙氣以穿透堿性吸收劑的形式與吸收劑氣相觸及。不管是哪種形式，煙氣內(nèi)所含有的SO2均會(huì)與固體堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成相對應(yīng)的硫酸鹽和亞硫酸鹽。為促進(jìn)以上反應(yīng)的快速進(jìn)行，固體堿性物質(zhì)一定要具備細(xì)碎或疏松等特征。在半干法煙道氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需將適量水添加至煙道氣內(nèi)，進(jìn)而促進(jìn)堿性物質(zhì)顆粒表層有液膜生成，在這樣的情況下SO2會(huì)順利溶入其中，對固體堿性物質(zhì)與其反應(yīng)效率均起到正向作用。不管是干法脫硫技術(shù)中的脫硫吸收還是產(chǎn)物處理工序，均是在相對干燥的環(huán)境下進(jìn)行的，該種工藝方法運(yùn)行過程中不會(huì)對設(shè)備產(chǎn)生明顯的腐蝕作用，并有效規(guī)避了污染水排出現(xiàn)象，煙氣在凈化過程中溫度不會(huì)明顯降低，該種脫硫工藝技術(shù)能促使煙囪更易排氣與擴(kuò)散。但該工藝類型在運(yùn)行過程中存在脫硫劑利用率與脫硫效率普遍偏低、設(shè)備龐大等不足[3]。

2.2 濕法脫硫工藝

當(dāng)下，世界各國的濕法煙氣脫硫工藝在工藝程序、運(yùn)行機(jī)制與形式等方面存在異曲同工之處，其均通過使用石灰石、碳酸鈉、石灰等物質(zhì)，促使其轉(zhuǎn)化為洗滌劑，在反應(yīng)塔內(nèi)對煙氣進(jìn)行洗滌，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)除去煙氣內(nèi)SO2的目標(biāo)。該種工藝方法已經(jīng)有數(shù)千年的應(yīng)用歷程，并始終處于不斷改良與優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài)中，技術(shù)日趨成熟化，脫硫效率高于95%，副產(chǎn)品更易回收[4]。

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝由于吸收劑成本相對較低，故此在濕法脫硫領(lǐng)域應(yīng)用范疇不斷拓展。該種工藝技術(shù)的特征是脫硫率、吸收劑利用率相對較高，能更好地適應(yīng)高濃度SO2的煙氣條件。但是，其具有基礎(chǔ)建設(shè)造價(jià)成本高、脫硫廢水有一定腐蝕性等缺點(diǎn)，并且，由于石灰石需連續(xù)引進(jìn)，這在很大程度上增加了采購成本及副產(chǎn)品亞硫酸鈣處理的難度。

2.3 SCR法脫硝工藝

回顧多種脫硝技術(shù)的應(yīng)用歷程發(fā)現(xiàn)，選擇性催化還原法(SCR)為脫硝率相對較高、應(yīng)用范疇及相對成熟的技術(shù)類型。SCR技術(shù)的應(yīng)用原理是，在特定溫度與催化劑作用下，使用氨或烴作還原劑，進(jìn)而有針對性地將煙氣內(nèi)的NOx還原成氮?dú)馀c水。催化反應(yīng)的環(huán)境溫度通常在200 ℃～400 ℃，該類工藝技術(shù)在應(yīng)用過程中無任何副產(chǎn)品生成，采用填充大量催化劑方式，促使煙氣脫硝率達(dá)到80%以上。

SCR系統(tǒng)中的反應(yīng)由主反應(yīng)與副反應(yīng)兩大部分構(gòu)成，其中，主反應(yīng)見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

副反應(yīng)見式(3)、式(4)。

(3)

(4)

在SCR法系統(tǒng)運(yùn)行過程中，煙氣溫度是影響催化劑運(yùn)行效率的主要參數(shù)。SCR技術(shù)在脫硝方面效能的發(fā)揮需具備相對較高的溫度條件，促進(jìn)催化反應(yīng)的發(fā)生與進(jìn)行，同時(shí)，催化反應(yīng)過程中也存在最佳催化溫度，這是每類催化劑特有屬性之一，即，溫度直接影響催化反應(yīng)效率。故此，焦?fàn)t煙氣要安設(shè)煙氣加熱系統(tǒng)。反應(yīng)產(chǎn)物以N2與H2O為主，不能回收利用，只會(huì)造成一定原料與動(dòng)力耗損，不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，催化劑每隔3年需更換1次，費(fèi)用投入量相對較大[5]。

SCR法脫硝工藝經(jīng)催化劑性能改進(jìn)后，可促使反應(yīng)條件溫度有一定降幅，一般在180 ℃～200 ℃，但是，在低溫環(huán)境下，SCR工藝因?yàn)镠2O、SO2及氨易生成銨鹽導(dǎo)致催化劑中毒，可能對催化劑效能造成不同程度影響。

3 焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化措施

3.1 先脫硫后脫硝工藝

該種工藝技術(shù)的運(yùn)行特征體現(xiàn)在煙氣經(jīng)脫硫處理后，其SO2濃度明顯降低，此時(shí)，脫硝催化反應(yīng)過程中硫酸銨、硫酸氫銨物質(zhì)的生成量明顯降低，有效維護(hù)了脫硝催化劑的生物活性，延長了其使用年限。但是，該種工藝運(yùn)行期間不可選用濕法脫硫，即便是應(yīng)用了干法脫硫，溫度也會(huì)有10 ℃～20 ℃的降幅，對脫硝反應(yīng)有序性造成負(fù)面影響，若增設(shè)煙氣加熱系統(tǒng)，其余熱利用率偏低。

3.2 先脫硝后脫硫工藝

該種工藝最大的優(yōu)勢在于未經(jīng)處理的焦?fàn)t煙氣溫度范疇基本在180 ℃～300 ℃，迎合了低溫SCR法脫硝反應(yīng)進(jìn)行的需求，筆者認(rèn)為應(yīng)加設(shè)煙氣加熱系統(tǒng)，這樣確保在結(jié)焦時(shí)間拖延或在其他特殊情況下對煙氣加熱的持續(xù)性，以維護(hù)脫硝反應(yīng)的順利進(jìn)行[6]。煙氣經(jīng)過脫硝反應(yīng)后，能直接進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收利用，最后直接進(jìn)行濕法脫硫。該工藝流程見圖1。

圖1 煙氣先脫硝后脫硫工藝流程示意圖

該工藝在運(yùn)行過程中，暴露兩個(gè)問題：1) 焦?fàn)t煙氣中含有SO2、焦油等物質(zhì)，SO2在180 ℃～230 ℃溫度區(qū)間時(shí)，易和氨氣反應(yīng)生成硫酸銨、硫酸氫銨，生成的銨鹽和原煙氣中的焦油吸附在催化劑表層不僅會(huì)增加阻力，還會(huì)導(dǎo)致其活性喪失，部分情況下會(huì)阻塞管道及腐蝕設(shè)備。為解決以上問題，在設(shè)計(jì)過程中可在裝置中增設(shè)焦油預(yù)處理和熱風(fēng)解析系統(tǒng)，進(jìn)而有效去除焦油和催化劑表層的雜質(zhì)。2) 濕法脫硫的反應(yīng)溫度約為60 ℃，而經(jīng)由濕法工藝處理后的煙氣溫度約為45 ℃，基本是處于露點(diǎn)之下，若不經(jīng)加熱處理而直接排放到煙囪中，易形成酸雨，腐蝕煙囪，影響煙氣擴(kuò)散效率。需對凈化后的煙氣再加熱到130 ℃，易促使焦?fàn)t煙囪運(yùn)行全程處于熱備狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文結(jié)合環(huán)保相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對焦?fàn)t煙氣常用的幾種煙氣脫硫脫硝工藝進(jìn)行分析、歸納與改進(jìn)，對煙氣脫硫脫硝的基本程序方案設(shè)計(jì)及有關(guān)問題進(jìn)行改進(jìn)，希望對脫硫脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行有一定指導(dǎo)作用。