低溫SCR脫硝技術(shù)在含銅污泥處理煙氣中的應(yīng)用探討

岳煥玲

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

我國水處理行業(yè)及電鍍行業(yè)都會產(chǎn)生大量的污泥，其中電鍍行業(yè)污泥含有大量的銅、鎳等有價(jià)金屬，是可以利用的城市礦產(chǎn)資源。近年來，含銅污泥資源化利用的研究方向和方法很多，主要有濕法浸出、衛(wèi)生填埋和火法熔煉三種[1]。本文主要針對富氧側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉處理含銅污泥后的煙氣特性，探討低溫SCR法脫硝技術(shù)的應(yīng)用。

1 處理含銅污泥的煙氣特性

1.1 富氧側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝流程

富氧側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝是較先進(jìn)的處理固體廢物的連續(xù)熔池熔煉技術(shù),其主要工藝流程見圖1。工藝主要包括干燥和側(cè)吹熔煉兩部分，其中干燥煙氣中僅含有顆粒物，SO2、NOx等含量很低，因此煙氣經(jīng)過收塵系統(tǒng)處理后即可達(dá)標(biāo)排放；重點(diǎn)需要處理的是側(cè)吹熔煉產(chǎn)生的煙氣。

1.2 側(cè)吹熔煉煙氣特性

由于側(cè)吹熔煉爐中加入的物料種類較多、成分復(fù)雜，因此導(dǎo)致煙氣成分也很復(fù)雜，典型的上升煙道出口煙氣成分見表1，煙塵成分見表2。

1.3 側(cè)吹熔煉爐煙氣脫硝技術(shù)選擇

目前煙氣脫硝技術(shù)種類較多，主要應(yīng)用的有選擇性非催化還原法(SNCR法)、選擇性催化還原法(SCR法)、低溫氧化法和活性焦脫硫脫硝一體化法等，選擇原則是針對不同行業(yè)的煙氣特性選擇合適的一種或兩種方法。

1.3.1 選擇性非催化還原法(SNCR法)

SNCR脫硝技術(shù)適應(yīng)性較強(qiáng)、流程簡單、投資較低、施工期短，針對側(cè)吹熔煉爐煙氣，可將含有氨基的還原劑噴入余熱鍋爐內(nèi)900～1 100 ℃的溫度區(qū)域，在約1 s的停留時間內(nèi)可完成脫硝反應(yīng)。側(cè)吹熔煉爐為連續(xù)生產(chǎn)，煙氣量波動較小，對還原劑噴入量的控制要求不是特別高，易于操作。不利之處是煙氣中SO3含量較高，容易在下游低溫區(qū)(280 ℃以下)形成硫酸銨，導(dǎo)致系統(tǒng)局部堵塞、系統(tǒng)阻力增大；另外需考慮NH3耗和NH3泄露等問題，該脫硝技術(shù)實(shí)際脫硝效率在30%～50%。針對側(cè)吹熔煉爐煙氣中NOX含量在1 200 mg/Nm3的情況，只用SNCR一種脫硝方法不能使煙氣達(dá)標(biāo)排放，須和其他脫硝方法疊加使用。

1.3.2 選擇性催化還原法(SCR法)

SCR法有高溫、中溫和低溫三種不同的工藝。高溫SCR法一般指的是催化劑的適用溫度在450～600 ℃及以上；中溫SCR法是指催化劑的適用溫度在320～450 ℃；低溫SCR法是指催化劑的適用溫度在120～300 ℃或更低溫度。目前高、中、低溫催化劑都有比較成熟的應(yīng)用。對于側(cè)吹熔煉爐煙氣，如果采用高溫或中溫SCR法，需布置在余熱鍋爐后面，煙氣中顆粒物和SO3含量均較高,生成的硫酸銨鹽類物質(zhì)也較多。顆粒物和硫酸銨鹽類物質(zhì)會導(dǎo)致催化劑孔道堵塞，大孔道堵塞后導(dǎo)致孔徑變小，總孔容下降，比表面積和孔徑的減少引起催化劑的吸附性能下降，降低催化劑的活性[2]。最為重要的是由于側(cè)吹爐煙氣成分復(fù)雜，煙氣和煙塵中的As、Pb、Cd、Na、Ca、Mg等均可引起催化劑中毒[3]，與催化劑本身發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，造成催化劑失去活性，無法再促使NOX與氨基還原劑反應(yīng)，并且一旦發(fā)生中毒，催化劑將很難恢復(fù)原有脫硝性能，甚至有時會導(dǎo)致完全失活。因此針對側(cè)吹熔煉爐煙氣，如果采用SCR法脫硝技術(shù)，煙氣須經(jīng)過收塵、濕法脫硫凈化，再進(jìn)入低溫SCR脫硝系統(tǒng)。

圖1 富氧側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝流程

成分及煙氣溫度N2/V%O2/V%H2O/V%CO2/V%SO2/V%As2O3/V%HCl/V%HF/V%NOX/mg·Nm-3煙氣溫度/℃煙氣含塵/g·Nm-3含量及值37.674.5041.4915.890.250.00010.120.081200112527.66

表2 側(cè)吹熔煉爐煙塵成分 %

1.3.3 低溫氧化法

低溫氧化法現(xiàn)已應(yīng)用于中小型燃煤機(jī)組及石化系統(tǒng)裂化氣脫硝。該工藝主要原理是在低于180 ℃的煙氣溫度下，利用一定濃度的臭氧(O3)作為氧化劑在氣相中將不溶于水的NO轉(zhuǎn)化為可與水完全反應(yīng)的高價(jià)態(tài)氮氧化物，然后利用堿性吸收劑(或水)將生成的高價(jià)態(tài)氮氧化物捕集下來。而在這一溫度區(qū)間，O3對于SO2的氧化非常緩慢，可以忽略不計(jì)[4]。對于側(cè)吹熔煉爐煙氣來說，應(yīng)用低溫氧化法脫硝技術(shù)不存在重金屬氧化物使催化劑中毒的問題,而且脫硝系統(tǒng)布置于收塵和脫硫之間，脫硝效率較高；不足之處在于高價(jià)態(tài)的氮氧化物與堿性吸收劑反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物硝酸鹽和亞硝酸鹽，與脫硫產(chǎn)物混合在一起，而硝酸鹽在水中的溶解度較高，而該部分廢水處理的投資費(fèi)用和運(yùn)行成本均較高，大部分企業(yè)難以接受。

1.3.4 活性焦脫硫脫硝一體化法

活性焦脫硫脫硝一體化法是一種干法脫硫脫硝技術(shù)，可在一個系統(tǒng)內(nèi)同時脫除SO2、NOx、重金屬(如Hg、Pb等)和二噁英類物質(zhì)等。SO2的脫除率可達(dá)到95%以上，NOx的脫除率可達(dá)到55%以上[5]。該工藝流程簡單、布局緊湊，可節(jié)省大量水資源，但是脫硫、脫硝效率均不高，更適合處理NOx濃度300～500 mg/m3，SO2濃度1 000～3 000 mg/m3的煙氣，否則一次性投資和運(yùn)行成本會大大增加。而側(cè)吹熔煉爐煙氣中SO2和NOx濃度均較高，如果采用該方法則難以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，該方法更適合于處理鋼鐵行業(yè)燒結(jié)機(jī)煙氣。

綜上所述，適合側(cè)吹熔煉爐煙氣脫硝的技術(shù)可以采用SNCR法+低溫SCR法或者單獨(dú)使用低溫SCR法。本文將重點(diǎn)探討低溫SCR法的應(yīng)用。

2 低溫SCR法脫硝技術(shù)應(yīng)用探討

2.1 低溫催化劑

催化劑是SCR脫硝的核心部件，在170～300 ℃的溫度范圍內(nèi)依然具有較高脫硝性能的催化劑稱為低溫催化劑。目前，對于低溫催化劑，國內(nèi)外的研究主要集中在錳基(MnOx)、釩基(V2O5)，以及其他金屬氧化物基(如鈰基CeO2、鐵基FeOx、銅基CuO)等催化劑的方向上。常見的金屬氧化物催化劑有三類：非負(fù)載型、以TiO2為載體和以Al2O3為載體的金屬氧化物催化劑。已工業(yè)化的SCR催化劑主要為負(fù)載型金屬氧化物催化劑。

目前有關(guān)低溫SCR催化劑的研究主要集中在兩個方面：①針對不同的載體，例如碳材料、金屬氧化物載體A12O3、TiO2或金屬離子交換分子篩載體ZSM- 5等開發(fā)高效低溫SCR催化劑；②在高效載體上配合不同的活性物質(zhì)，如V、W、Mn、Cu、Ni和Pt等金屬氧化物，使催化劑具有高抗SO2和水蒸氣活性。目前主要研究的幾種低溫SCR脫硝催化劑性能見表3[6]。

表3 幾種催化劑的低溫SCR脫硝性能[7]

2.2 低溫SCR法脫硝技術(shù)應(yīng)用探討

2.2.1 工程概況

本文以某工程側(cè)吹熔煉爐煙氣為例，探討低溫SCR法脫硝技術(shù)的應(yīng)用。項(xiàng)目處理18.1萬t/a廢棄物，采用干燥機(jī)干燥- 側(cè)吹熔煉工藝，處理原料量見表4，干燥工序設(shè)2臺干燥機(jī)，順流干燥，24 h連續(xù)作業(yè)。設(shè)1臺12 m2的富氧側(cè)吹浸沒燃燒爐，24 h連續(xù)作業(yè)。干燥機(jī)煙氣經(jīng)收塵處理后可達(dá)標(biāo)排放，側(cè)吹爐煙氣經(jīng)收塵、濕法脫硫后進(jìn)入低溫SCR法脫硝裝置，具體煙氣參數(shù)見表5。

表4 干燥- 側(cè)吹工藝處理原料量如下

表5 進(jìn)入低溫SCR脫硝煙氣參數(shù)

2.2.2 工藝流程簡述

由于側(cè)吹爐煙氣含水量較高，經(jīng)過濕法脫硫后的煙氣溫度約為79 ℃，為了降低煙氣中的含水量，該煙氣首先經(jīng)冷卻器降溫，然后進(jìn)入蒸汽加熱器，由于廠內(nèi)有富裕的蒸汽(1.8 MPa飽和蒸汽、207 ℃)，因此首先采用蒸汽加熱至170 ℃左右。如果廠內(nèi)沒有富裕蒸汽，也可和脫硝后的煙氣(200 ℃)通過換熱升溫。然后利用廠內(nèi)多余天燃?xì)猓O(shè)置補(bǔ)燃燃燒器再次升溫至205 ℃，補(bǔ)燃燃燒器有兩個作用：一是升高煙氣溫度；二是當(dāng)催化劑活性下降時，通過天燃?xì)庋a(bǔ)燃使煙氣溫度升至350 ℃，實(shí)現(xiàn)催化劑在線解析再生。

升溫后的煙氣進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)，同時向反應(yīng)器的上游煙氣中噴入氨類還原劑，在催化劑的作用下使煙氣中的NOX轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?。?jīng)過脫硝后的煙氣(200 ℃)可根據(jù)需要回收余熱后進(jìn)入煙囪排放，因?yàn)闊煔鉁囟瓤煽刂圃陲柡蜏囟纫陨?，煙囪無需防腐且能有效避免煙氣冒白煙的現(xiàn)象。主要工藝流程見圖2。

圖2 低溫SCR脫硝工藝流程圖

2.2.3 主要設(shè)備

2.2.3.1 脫硝反應(yīng)器

脫硝反應(yīng)器作為SCR脫硝系統(tǒng)最為關(guān)鍵的設(shè)備，其截面的設(shè)計(jì)不但要考慮最佳煙氣流速，還要考慮能夠適應(yīng)不同類型的催化劑模塊布置、安裝的要求。因此，反應(yīng)器截面與催化劑的支撐梁的設(shè)計(jì)要按通用(滿足蜂窩式、平板式、波紋板式催化劑模塊)設(shè)計(jì)考慮，使得每種類型的催化劑模塊都能互換安裝。

為了保證煙氣在催化劑層的均勻性與入射角度，反應(yīng)器頂部應(yīng)設(shè)計(jì)有煙氣整流層；為了防止反應(yīng)器內(nèi)部導(dǎo)流板、支撐結(jié)構(gòu)等部件掉落的積灰以及煙道內(nèi)絮狀雜物堵塞催化劑孔道，反應(yīng)器內(nèi)應(yīng)設(shè)置碎灰格柵。

反應(yīng)器獨(dú)立支撐，設(shè)有催化劑安裝門、檢修門、取樣孔等配套設(shè)施。反應(yīng)器內(nèi)催化劑采用3+1層設(shè)計(jì)，初裝三層，預(yù)留一層空間。

2.2.3.2 催化劑

對于SCR脫硝而言，催化劑成本占脫硝工程總成本的20%～40%，因此催化劑的選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)該引起足夠的重視，本項(xiàng)目催化劑主要參數(shù)見表6。

2.2.3.3 吹灰器

盡管煙氣中粉塵含量較低，為了防止富集而導(dǎo)致堵塞現(xiàn)象，設(shè)計(jì)有吹灰裝置。采用耙式壓縮空氣吹灰器，系統(tǒng)自動控制吹灰器的運(yùn)行，為防止冷空氣對催化劑產(chǎn)生影響，故需要對壓縮空氣進(jìn)行加熱，加熱熱源可利用脫硝后的熱煙氣能量，將壓縮空氣加熱至120～150 ℃。

2.2.4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

低溫SCR脫硝系統(tǒng)處理后煙氣排放指標(biāo)見表7，低溫SCR脫硝系統(tǒng)物料與能源消耗指標(biāo)見表8。

3 結(jié)論

1)SCR法脫硝技術(shù)以其較高的脫硝效率而得到廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的SCR脫硝裝置工作溫度范圍一般為300～400 ℃，布置在除塵系統(tǒng)之前，這一溫度區(qū)間雖然可獲得較高的脫硝效率，但是由于長期在高塵、高重金屬環(huán)境下運(yùn)行，易造成催化劑磨損、腐蝕及中毒等問題。尤其是側(cè)吹熔煉爐煙氣成分復(fù)雜，煙氣中重金屬含量較高，很容易造成催化劑中毒，導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)無法長期運(yùn)行。因此煙氣經(jīng)過除塵、脫硫凈化后加裝低溫SCR脫硝，催化劑可

表6 低溫SCR脫硝催化劑參數(shù)

表7 煙氣排放指標(biāo)

在“潔凈”的環(huán)境下工作，延長催化劑壽命，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。另外，煙氣的升溫可采用廠內(nèi)多余蒸汽或者廢余熱，也可通過和脫硝后的煙氣換熱升溫，能源消耗低。

2)目前，國內(nèi)絕大多數(shù)含銅污泥處理系統(tǒng)尚未安裝SCR脫硝裝置，若加裝高溫SCR法進(jìn)行脫硝，很容易受到現(xiàn)有場地條件的限制，實(shí)施成本較高。如果采用低溫SCR脫硝，布置在脫硫設(shè)施之后，不需要對原有系統(tǒng)進(jìn)行改造，安裝方便，總體成本可大幅下降。

表8 物料與能源消耗指標(biāo)

3)低溫SCR脫硝在170～300 ℃的范圍內(nèi)可穩(wěn)定運(yùn)行，且脫硝效率較高，有效解決了水泥玻璃爐窯、鋼鐵燒結(jié)爐、焦化廠等不具備高溫區(qū)加裝條件的行業(yè)實(shí)施脫硝的難題。