熔煉爐煙氣超低排放治理應(yīng)用分析

林 煒， 楊家軍

（1．浙江天暢環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310012； 2．浙江德創(chuàng)環(huán)保科技股份有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)固廢的減量化、無(wú)害化、資源化，大部分采用了焚燒冶煉技術(shù)，提取有用物質(zhì)，如鐵、鎳、銅（Fe，Ni，Cu）等，達(dá)到最大價(jià)值化。 其中，熔煉爐是應(yīng)用較廣泛的一種爐型， 在熔煉焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣， 其污染物主要為粉塵、 酸性氣體（HCl，HF，SOx，NOx等）、重金屬（Hg，Pb，Cr 等）、有機(jī)劇毒性污染物（二噁英、呋喃、VOCs 等）等[1-2]。 為了防止對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，必須采取煙氣凈化措施。由于熔煉爐一般爐型較小，廠區(qū)分散，很難發(fā)展成區(qū)塊的聯(lián)合治理。而且工業(yè)爐窯由于燃燒固廢成分復(fù)雜，造成煙氣組分復(fù)雜，變化波動(dòng)大，對(duì)煙氣治理造成了很大的困擾，2019 年7 月1 日四部委聯(lián)合發(fā)布了《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》，對(duì)工業(yè)爐窯大氣污染治理2020 年形成完善治理體系，推進(jìn)工業(yè)爐窯全面達(dá)標(biāo)排放和實(shí)施污染深度治理。

特力再生資源有限公司現(xiàn)有的2 臺(tái)熔煉爐煙氣超低排放改造治理是對(duì)熔煉爐煙氣超低排放治理的一次初級(jí)探索， 在滿足超低排放要求的污染物排放指標(biāo)的同時(shí)可以協(xié)同脫除多種污染物。

1 煙氣超低排放治理工藝

1．1 設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)

本項(xiàng)目為2 臺(tái)熔煉爐的煙氣超低排放治理改造工程， 熔煉爐以冶煉廠的污泥、 除塵灰為原料摻燒煤，提取價(jià)值產(chǎn)物為Ni，Cu 等。 因原料均化裝置的均化程度有限且每批次的原料成分不穩(wěn)定， 故造成污染物的濃度波動(dòng)較頻繁。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目為立式燒結(jié)還原熔煉爐，根據(jù)GB 9078—1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》熔煉爐、Fe 礦燒結(jié)爐污染物排放濃度按實(shí)測(cè)濃度計(jì)， 不進(jìn)行過(guò)量空氣系統(tǒng)換算。 改造前已配套每爐1 套的布袋除塵器及2 爐1 塔的鈉堿濕法脫酸塔。

1．2 工藝路線

為了實(shí)現(xiàn)NOx，SO2， 粉塵等達(dá)到火電廠的超低排放標(biāo)準(zhǔn)（ρ（NOx）＜50 mg/m3，ρ（SO2）＜35 mg/m3，ρ（粉塵）＜5 mg/m3）并考慮同時(shí)脫除可揮發(fā)性有機(jī)物VOCs，CO，二噁英等污染物，煙氣凈化改造工藝路線為熔煉爐出口的原煙氣（110 ℃）經(jīng)布袋除塵器收集粉塵及重金屬后由引風(fēng)機(jī)送至換熱器的低溫側(cè)進(jìn)行升溫，升溫至250 ℃進(jìn)入RTO，消除VOCs 及CO；RTO 出口的煙氣溫度調(diào)節(jié)至滿足SCR 的反應(yīng)溫度（350 ℃）后進(jìn)入SCR 反應(yīng)器（4 層催化劑層）脫除NOx；高溫?zé)煔庠俳?jīng)換熱器降溫（150 ℃）后由增壓風(fēng)機(jī)引入濕法脫酸系統(tǒng)脫除煙氣中的酸性物質(zhì)， 如：SO2，HCl，HF 等； 濕電可以深度脫除細(xì)微顆粒物，最終達(dá)到粉塵小于5 mg/m3的排放質(zhì)量濃度。 工藝路線見(jiàn)圖1。

圖1 煙氣治理工藝路線

2 運(yùn)行情況分析

2．1 布袋除塵器（利舊）

現(xiàn)有的布袋除塵器采用PTFE + PTFE 覆膜濾料，除塵器入口溫度110 ℃，差壓：800 Pa，過(guò)濾風(fēng)速：1．0 m/min，粉塵排放質(zhì)量濃度指標(biāo)達(dá)＜50 mg/m3，實(shí)際排放質(zhì)量濃度＜15 mg/m3，此次改造布袋除塵器利舊，已運(yùn)行近3 a，性能良好，其中1 臺(tái)爐的布袋除塵器出現(xiàn)了漏灰現(xiàn)象，經(jīng)更換濾袋后恢復(fù)使用性能。整套煙氣處理工藝投運(yùn)后， 系統(tǒng)增加的阻力由增壓風(fēng)機(jī)克服，而且除塵器位于煙氣治理最前端，改造后對(duì)除塵器的運(yùn)行沒(méi)有影響。 為了增強(qiáng)對(duì)布袋性能的監(jiān)控， 本次改造增加了袋后粉塵儀及布袋各室的差壓來(lái)監(jiān)控濾袋破損情況。

2．2 RTO

RTO 的額定處理煙氣量為50 000 m3/h，進(jìn)口的CO 原始質(zhì)量濃度4 000 ～8 000 mg/m3；VOCs 質(zhì)量濃度為200 ～1 600 mg/m3。RTO 共5 個(gè)陶瓷蓄熱室，兩進(jìn)兩出一反吹。每個(gè)蓄熱室設(shè)置3 層蓄熱層，從下層至上層運(yùn)行溫度分別為：250 ～310 ℃，300 ～370 ℃，370 ～520 ℃。 為了滿足SCR 的反應(yīng)器溫度，RTO 出口煙氣是采用2 股煙氣的混合： 一股是陶瓷蓄熱室出來(lái)的煙氣（250 ～310 ℃），一股是焚燒室出來(lái)的煙氣（850 ～1 000 ℃），經(jīng)調(diào)試焚燒室煙氣擋板門開(kāi)度40%～50%，混合后煙氣溫度達(dá)到360 ℃。 經(jīng)測(cè)試，RTO 的CO 脫除率約97%，VOCs 脫除效率達(dá)到95%，系統(tǒng)熱能回收率達(dá)到95%以上。

RTO 燃燒室出口風(fēng)門經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，關(guān)閉風(fēng)門SCR入口溫度只有260 ～300 ℃，蓄熱室的最上層溫度可以升高到600 ℃以上，但最下層溫度變化不大260 ～300 ℃（因進(jìn)風(fēng)溫的影響）， 所以為了達(dá)到SCR 的反應(yīng)溫度（350 ～380 ℃），燃燒室的煙氣風(fēng)門不能完全關(guān)閉，經(jīng)調(diào)試優(yōu)化后開(kāi)度40%～50%，天然氣每臺(tái)耗量50 m3/（h）， 比投運(yùn)初期的100 ～120 m3/h·臺(tái)大大節(jié)省， 滿足SCR 反應(yīng)溫度的同時(shí)節(jié)省天然氣耗量。旁路風(fēng)門開(kāi)度與混合溫度及天然氣耗量關(guān)系和RTO 運(yùn)行數(shù)值見(jiàn)圖2 和 圖3。

圖2 旁路風(fēng)門開(kāi)度與混合溫度及天然氣耗量關(guān)系

圖3 RTO 運(yùn)行數(shù)值

2．3 SCR

由于NOx原始質(zhì)量濃度波動(dòng)大，峰值高，最大可超過(guò)4 000 mg/m3，SCR 反應(yīng)器設(shè)置了4 層催化劑，型式為板式，而且目前使用的是再生的催化劑。從目前運(yùn)行情況看， 效率可以達(dá)到98．6%以上，SCR 入口NOx濃度與噴氨量、脫硝效率曲線見(jiàn)圖4。 由圖4可以看出，SCR 反應(yīng)器阻力200 ～250 Pa，可以滿足NOx初始質(zhì)量濃度＜3 500 mg/m3，排放質(zhì)量濃度＜50 mg/m3，遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本項(xiàng)目還原劑采用20%的氨水， 未進(jìn)行氣化直接通過(guò)雙流體噴嘴霧化后噴射于SCR 進(jìn)口煙道里與高溫原煙氣混合。經(jīng)過(guò)計(jì)算，投加設(shè)計(jì)值100 L/h的20%氨水，煙氣濕度增加量為0．2%，煙氣溫降6．4 ℃，對(duì)濕度的增加量很小可以忽略，RTO 出口煙氣按360 ℃經(jīng)噴氨溫降后還有351．8 ℃（再考慮煙道常規(guī)的每10 m 溫降1 ℃）； 當(dāng)NOx初始質(zhì)量濃度達(dá)到了3 500 mg/m3， 投氨量210 L/h， 此時(shí)的煙氣溫度為342．9 ℃，濕度增加量0．5%。 因此，在極限工況下，噴氨量對(duì)煙氣溫度的影響均能滿足SCR 運(yùn)行溫度要求，噴氨量與SCR 進(jìn)口溫度及煙氣濕度增加量曲線見(jiàn)圖5。本項(xiàng)目的氨水噴射點(diǎn)離催化劑層有15．7 m，有1．08 s 的混合停留時(shí)間，可確保氨水完全汽化（常規(guī)氨水氣化時(shí)間0．5 s），經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，SCR 運(yùn)行從脫硝反應(yīng)速度及運(yùn)行狀態(tài)上均無(wú)影響。 氨水輸送泵的選型余量較大，可滿足NOx大范圍的波動(dòng)。 故本項(xiàng)目采用直接噴射氨水是可行的。

圖5 噴氨量與SCR 進(jìn)口溫度及煙氣濕度增加量曲線

2．4 換熱器

為了綜合利用熱能， 項(xiàng)目設(shè)置了換熱器， 利用SCR 出口的高溫?zé)煔饧訜酭TO 的進(jìn)口煙氣， 同時(shí)SCR 出口的煙氣得到了降溫， 節(jié)省了后續(xù)濕法脫酸系統(tǒng)的水耗，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。根據(jù)目前的運(yùn)行效果，換熱效果達(dá)到了設(shè)計(jì)值，實(shí)際運(yùn)行值：凈煙氣管線：進(jìn)口350 ℃，出口170 ℃；原煙氣管線：進(jìn)口99 ℃，出口316 ℃。 設(shè)計(jì)值：凈煙氣（進(jìn)）：330 ℃，凈煙氣（出）：149．2 ℃；原煙氣（進(jìn)）：98 ℃，原煙氣（出）：280 ℃。

根據(jù)除塵之后原煙氣冷凝液成分的分析結(jié)果，見(jiàn)表2。 換熱器的高低溫段材質(zhì)為高溫段304，低溫段2 205，GGH 的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖6。 高溫段煙氣水平進(jìn)出， 低溫段煙氣垂直進(jìn)出并有彎頭。 從實(shí)際運(yùn)行情況，在高溫度有積灰現(xiàn)象，可能在煙氣溫降的過(guò)程中有部分物質(zhì)凝結(jié)析出比如硫酸氫銨等附著在換熱板上。 GGH 設(shè)計(jì)選型考慮的污垢系數(shù)：凈煙氣為4×10-5（m2·k）/W，原煙氣為4×10-5（m2·k）/W；GGH 無(wú)設(shè)置清灰措施，導(dǎo)致積灰后清理困難，這是今后需要改進(jìn)之處。

表2 冷凝液分析結(jié)果

圖6 GGH 結(jié)構(gòu)形式

2．5 濕法脫酸

本項(xiàng)目濕法脫酸利用現(xiàn)有系統(tǒng)， 采用鈉堿法脫酸工藝，2 爐1 塔配置，脫硫塔采用3 層噴淋，一般運(yùn)行2 層噴淋層，上部采用折板式除霧器。目前的運(yùn)行效果良好，SO2初始質(zhì)量濃度160 ～450 mg/m3，排放質(zhì)量濃度：3 ～15 mg/m3，脫除率達(dá)到95%以上。 脫硫塔出口溫度60 ℃。

2．6 濕式電除塵器

濕式電除塵器為臥式濕電，處理煙氣量為120 000 m3/h，2 爐合用并留有一定的余量。 目前已投運(yùn)8 個(gè)月，煙囪CEMS 監(jiān)測(cè)粉塵排放質(zhì)量濃度：＜5 mg/m3。 2臺(tái)爐投運(yùn)實(shí)際煙氣量約60 000 ～100 000 m3/h，濕式電除塵器的額定電流為400 mA， 額定二次電壓65 kV。 RTO 運(yùn)行時(shí)，濕電二次電流下降至160 mA，投氨運(yùn)行后二次電流下降至120 mA， 粉塵有超標(biāo)現(xiàn)象，提升二次電流和電壓后，粉塵可以達(dá)標(biāo)， 濕電二次電流與粉塵排放濃度曲線見(jiàn)圖7。 說(shuō)明濕電系統(tǒng)可調(diào)性比較強(qiáng)，滿足設(shè)計(jì)運(yùn)行要求。

綜上所述，從運(yùn)行上看，煙氣超低工藝的各系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)到達(dá)了設(shè)計(jì)值， 整條煙氣治理工藝路線不僅可以滿足超低排放要求的3 個(gè)指標(biāo)：粉塵、NOx和SO2，還可以把HCl，HF 等酸性物，CO，VOCs，二噁英等多污染物協(xié)同脫除。 根據(jù)項(xiàng)目的運(yùn)行情況看此熔煉爐的煙氣超低排放工藝是可行的。

圖7 濕式電除塵器的二次電流與粉塵排放濃度曲線

3 系統(tǒng)改進(jìn)

由于本項(xiàng)目的除塵器、脫酸系統(tǒng)利舊，限制了工藝的選取及設(shè)備布置， 比如原有的2 爐1 塔脫酸系統(tǒng)利舊導(dǎo)致了濕式電除塵器只能是2 爐合用， 存在一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。 為了使超低工藝系統(tǒng)更完善更經(jīng)濟(jì)，本項(xiàng)目在目前的工藝基礎(chǔ)上可進(jìn)行改進(jìn)。

3．1 采用低溫催化劑并結(jié)合二噁英催化劑

目前，項(xiàng)目采用的催化劑為常規(guī)催化劑，反應(yīng)溫度區(qū)間為310 ～420 ℃（最佳350 ～380 ℃）[3-4]； 若采用低溫催化劑可降低煙氣溫度至180 ～280 ℃[5-6]。可以降低系統(tǒng)的換熱需求，減小換熱器的體積；減小燃燒室的旁路風(fēng)門開(kāi)度甚至取消旁路，降低RTO 天然氣耗量。

復(fù)合催化劑具有脫硝和除二噁英的雙重效果，除二噁英催化劑一般反應(yīng)溫度：160 ～210 ℃[7-8]，并同時(shí)具有一定的脫硝效果。 因除二噁英催化劑的反應(yīng)溫度略低于脫硝低溫催化劑， 在布置上可采用組合方式：3 層低溫催化劑+1 層（底層）除二噁英催化劑。 如此，在脫硝的同時(shí)除二噁英，給本系統(tǒng)對(duì)二噁英的控制可控性增強(qiáng)。

3．2 活性炭吸附系統(tǒng)

目前系統(tǒng)尚無(wú)二噁英的脫除措施， 根據(jù)長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度＜7 mg/m3，二噁英可滿足排放指標(biāo)，這種模糊控制存在著一定的安全隱患，可在當(dāng)前系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加活性炭吸附備用系統(tǒng)。 在布袋除塵器前煙道設(shè)置活性炭添加系統(tǒng)[9-11]，活性炭隨煙氣進(jìn)入布袋，附著在濾袋表面對(duì)二噁英、重金屬等進(jìn)行吸附脫除[12]。 投運(yùn)活性炭吸附系統(tǒng)，可增強(qiáng)污染物脫除率， 系統(tǒng)可控性增強(qiáng)。 并且對(duì)后續(xù)的SCR催化劑有保護(hù)作用，防止催化劑中毒。

3．3 消除白煙

濕法脫硫和濕電后的煙氣溫度較低50 ～60 ℃，通過(guò)煙囪排放會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水產(chǎn)生白煙現(xiàn)象[13-14]，參照目前火電廠煙氣排放要求，電廠已步入脫白時(shí)代。本項(xiàng)目可以適當(dāng)考慮后期增加脫白措施， 采用煙氣再熱裝置或者先冷凝后再熱等工藝措施提高煙氣排放溫度，消除白煙[15-16]。

4 結(jié)論

熔煉爐的煙氣治理工藝是為了達(dá)到超低排放要求而進(jìn)行的改造，不但粉塵、NOx和SO2這3 項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了超低的要求， 同時(shí)也控制了VOCs，CO 及酸性物質(zhì)等多項(xiàng)污染物的排放。 項(xiàng)目改造后從運(yùn)行上可以看出， 污染物的運(yùn)行數(shù)據(jù)達(dá)到了設(shè)計(jì)值并優(yōu)于設(shè)計(jì)值，說(shuō)明此工藝的可行性。系統(tǒng)的脫硝效率大于98．6%， 脫硫效率大于95%，CO 脫除率約97%，VOCs 脫除效率大于95%。

本工藝SCR 采用氨水直噴方式，省略了氨水蒸發(fā)系統(tǒng)，停留時(shí)間滿足氨水蒸發(fā)要求，對(duì)煙氣濕度、溫度沒(méi)有較大的影響，滿足SCR 運(yùn)行要求，是可行、節(jié)能、省投資的一種模式。GGH 滿足換熱需求，但結(jié)構(gòu)型式需完善，解決積灰問(wèn)題。超低工藝仍有一些待改進(jìn)的地方， 比如多種污染物協(xié)同脫除上考慮復(fù)合催化劑的選?。?簡(jiǎn)化工藝及降低能耗上可考慮低溫催化劑； 后續(xù)的脫白措施及活性炭除二噁英備用系統(tǒng)等可待進(jìn)一步研究、論證及試用。