燃氣鍋爐煙氣脫硫脫硝工藝初探

陳明磊

[摘? ? 要 ]我國鋼鐵產(chǎn)量持續(xù)在世界首位，這一過程中所產(chǎn)生的高爐煤氣與轉爐煤氣產(chǎn)量巨大，燃氣鍋爐的使用量也在逐年上升。如果燃氣尾氣直接排放到大氣中，將會對空氣造成嚴重污染。由于燃氣鍋爐尾氣中含有大量的二氧化硫，以及一氧化氮、二氧化氮等物質(zhì)會對大氣環(huán)境造成嚴重的危害。這其中二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮會與空氣中水蒸氣相結合，形成酸雨，從而造成土地二次污染。因此對于燃氣鍋爐煙氣脫硫脫硝工作要持之以恒的保質(zhì)保量的完成。

[關鍵詞]燃氣鍋爐;脫硫;脫硝;尾氣;污染物

[中圖分類號]X701 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]My country's steel output continues to rank first in the world. The output of blast furnace gas and converter gas produced in this process is huge， and the use of gas boilers is also increasing year by year. If the gas exhaust is directly discharged into the atmosphere， it will cause serious pollution to the air. Because the exhaust gas of gas boiler contains a large amount of sulfur dioxide， nitrogen monoxide， nitrogen dioxide and other substances， it will cause serious harm to the atmospheric environment. Among them， sulfur dioxide， nitrogen dioxide， and nitrogen monoxide will combine with water vapor in the air to form acid rain， thereby causing secondary pollution of the land. Therefore， the flue gas desulfurization and denitrification of gas boilers must be completed with consistent quality and quantity.

[Keywords]gas boiler， desulfurization， denitration， tail gas， pollutants

1 燃氣鍋爐尾氣組成

1.1 高爐煤氣與轉爐煤氣的化學成分

我國主要高爐燃氣為煉鐵過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，主要成分為：CO、CO2、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量約占25%，H2、CH4的含量很少，CO2、N2的含量分別占15%、55%，熱值僅為3500kJ/m3左右。高爐煤氣的成分和熱值與高爐所用的燃料、所煉生鐵的品種及冶煉工藝有關，現(xiàn)代的煉鐵生產(chǎn)普遍采用大容積、高風溫、高冶煉強度、高噴煤粉量的生產(chǎn)工藝，采用這些先進的生產(chǎn)工藝提高了勞動生產(chǎn)率并降低能耗，但所產(chǎn)的高爐煤氣熱值更低，增加了利用難度。高爐煤氣中的CO2、N2既不參與燃燒產(chǎn)生熱量，也不能助燃，相反還會吸收大量的燃燒過程中產(chǎn)生的熱量，導致高爐煤氣的理論燃燒溫度偏低。高爐煤氣的著火點并不高，似乎不存在著火的障礙，但在實際燃燒過程中，受各種因素的影響，混合氣體的溫度必須遠大于著火點，才能確保燃燒的穩(wěn)定性。高爐煤氣的理論燃燒溫度低，參與燃燒的高爐煤氣的量很大，導致混合氣體的升溫速度很慢，溫度不高，燃燒穩(wěn)定性不好。

燃燒反應能夠發(fā)生的另一條件是氣體分子間能夠發(fā)生有效碰撞，即擁有足夠能量的相互之間能夠發(fā)生氧化反應的分子間發(fā)生的碰撞，大量的CO2、N2的存在，減少了分子間發(fā)生有效碰撞的幾率，宏觀上表現(xiàn)為燃燒速度慢，燃燒不穩(wěn)定。

高爐煤氣中存在大量的CO2、N2，燃燒過程中基本不參與化學反應，幾乎等量轉移到燃燒產(chǎn)生的煙氣中，燃高爐煤氣產(chǎn)生的煙氣量遠多于燃煤。

轉爐煤氣生成于轉爐煉鋼過程中，鐵水中的碳在高溫下和吹入的氧生成CO和少量CO2的混合氣體?；厥盏捻敶笛蹀D爐爐氣含60%～80%CO、15%～20%CO2，以及氮、氫和微量氧。轉爐煤氣的發(fā)生量在一個冶煉過程中并不均衡，成分也有變化。

2 煙氣凈化脫硫脫硝系統(tǒng)改造

以無氨脫硫工藝為例，對其工藝進行初步探究。3臺燃氣鍋爐。在其出口處引風機并聯(lián)到一條主煙氣管道上。然后通過管道進入脫硫脫硝凈化塔內(nèi)。最后再由出口處設置一臺增壓風機將凈化物排入到煙囪中。整個吸收塔，由12個并聯(lián)反應器組成。燃氣鍋爐燃燒后產(chǎn)生的煙氣整體流向采用由下至上并聯(lián)而出的方式構成。在反應器內(nèi)反應器的不棄板均勻的不止。在布氣板上反映藥劑均勻涂層，經(jīng)過脫硫脫氮后。凈化的煙氣從出口進入到煙氣管道，通過增加風機增加后排入到煙道內(nèi)。

在此結構中脫硫脫硝的藥劑采用蝶翼狀顆粒物分布。鈣顆粒具有耐酸性、抗熱性、抗震性。此結構通過剛玉砂作為骨料，以氫氧化鈣、氫氧化鎂、碳酸鈣等堿性物質(zhì)作為反應劑，同時配有。玻璃粉、滑石、高活性稀土元素、木炭粉等作為脫硫脫硝催化劑。

該操作的具體過程是堿類反應劑、碳粉催化劑、三氧化二鋁、碳化硅等原料進行預燒結。預燒結過程后。產(chǎn)生的粉末過篩，加入高活性鑭系稀土元素作為黏結劑。再將其粉末與20～50 μm的木炭粉末相融合，這其中木炭粉末的比例占20%，這其中木炭粉末起到了造孔作用。然后將混合粉末加熱至1400°，燒成顆粒相對較大的管狀基體支撐。經(jīng)過此項工藝后，再集體外包一層纖維陶瓷。經(jīng)過纖維陶瓷包裹后，將整個機體進入到莫萊石懸浮液中。經(jīng)過充分浸泡，將機體取出干燥燒結后得到既定厚度的多孔的表面過濾膜。通過以上方式進行得到的整個機體。具有技能防止小顆粒進入到大孔支撐體內(nèi)。做到表層去除粉塵，內(nèi)層去除硫氮的作用。這樣既解決了化學反應脫硫脫硝的問題，同時也解決了清除灰塵的問題。并且由于整個機體的孔徑變化，使得壓縮機產(chǎn)生的空氣壓力損失較少。整個機體經(jīng)過20%濃度的硫酸，以及1%濃度的氫氧化鈉溶液，煮沸均未產(chǎn)生明顯的變化。這證明機體的耐酸性及耐堿性均有良好的性能。另外整個機體燒灼至600°高溫，在常溫中驟冷。循環(huán)30次，均未發(fā)生明顯形變，證明復合膜機體具有良好的溫度適應性。另外在抗壓實現(xiàn)中。機體在11.8 MPa和10.5 MPa實驗中均為產(chǎn)生裂痕。

經(jīng)改造后，塔內(nèi)添裝此藥劑。經(jīng)實驗測得煙氣除塵率幾乎達到100%，較直排煙氣顆粒有巨大改進。經(jīng)改造后的藥劑，其反應溫度在120 ℃左右，遠遠低于無氨催化脫硝劑。反應溫度300～450 ℃。在這個過程中，無需要氨氣作為還原劑，這就直接杜絕了氨氣泄漏，以及氨氣對設備腐蝕的危險。極大地降低了安全生產(chǎn)隱患。該藥劑吸附原理在于催化還原脫硫技術，催化氧化技術以及氣象反應脫硝技術。

3 脫硫脫硝反應基本原理

3.1 脫硫反應原理分析

該工藝脫硫反應基本原理采用固定床技術，通過高豐度的鑭系稀土活性炭氧化劑，將燃氣鍋爐產(chǎn)生的尾氣中的SO2氣體氧化為SO3。然后再與氫氧化鈣反應生成硫酸鈣也就是工業(yè)石膏固體。所產(chǎn)生的化學反應如下。

活性炭催化氧化劑與堿類反應劑結構中形成的過濾膜具有多孔稀松的特點。在理論研究上依靠氣體尾氣流動性能使吸收塔內(nèi)藥劑顆粒表層預約尾氣反應相互摩擦，致使反物脫落，從而使得新的藥劑不斷暴露出來，增強了反應的效率。在整個反應過程中不需要水的參加，廢液產(chǎn)量也可以忽略不計，在反應中不需要消煙。由于整個反應過程中的煙溫不敏感，使得不受季節(jié)變換影響使用廣泛。理論上講，通過煙氣與藥劑的調(diào)節(jié)，能夠做到脫硫效率的100%。但是在實際操作過程中，脫硫效果的好壞受到煙氣濃度，吸收塔內(nèi)部結構以及煙氣在吸收塔內(nèi)滯留的時間長短，還有藥劑表層生成物脫落效率要記得更新周期等方面因素影響。

SO2的凈化率可由下面的計算公式表示出來。

η=Cin-Cout/Cin×100%

該方程式中η表示SO2的凈化效率;Cin表示煙氣口的SO2濃度，Cout表示為煙氣口出口的SO2濃度

3.2 脫硝反應原理分析

燃氣鍋爐尾氣脫硝過程即去除尾氣中NOX的化學反應過程。氮氧化物可分為以下三種類型：快速型，燃料型，熱力型。

（1）熱NO。熱NO的產(chǎn)生是由于空氣中的氮氣在燃氣鍋爐火焰的峰值溫度下氧化而成的。其對溫度具有高度的依賴性。在火焰溫度在1000 ℃條件下。熱力型–NO濃度高達12%，但是由于熱力型一氧化氮受溫度制約，隨著溫度的降低，其氣體濃度會迅速下降。溫度降低到800 ℃以下時，熱力型NO濃度接近0。

其反應方程如下：N2+O2→2NO

N2+2OH-→2NO+H2

（2）快速NO?？焖僖谎趸漠a(chǎn)生在燃料負極區(qū)，碳氫化合物的自由基會與氮氣碰撞迅速反應，形成一氧化氮的前期。HCN，然后隨著HCN在被繼續(xù)氧化，從而生成NO。這個化學反應過程被我們稱作快速NO?？焖僖谎趸窃谌紵^程中空氣中的氮氣被氧化成一氧化氮的一種類型，其主要的生成溫度低于一氧化氮型的生產(chǎn)溫度。

其主要的化學反應方程式可表達為：

CH+N2→HCN+N

C+N2→CN+N

NOX化合物對于大氣污染主要表現(xiàn)為三大主要方面：第一，對于人體健康來講，具有直接的危害，一氧化氮是無色無味的毒性氣體，當其人體內(nèi)的血紅細胞結合時，該血紅蛋白就不再具有攜氧的功能。從而使人出現(xiàn)缺氧的癥狀，嚴重者會導致生命危險。第二，氮氧化物。會與空氣中水蒸氣反應形成酸雨，對經(jīng)濟造成最大損失，同時也影響動植物的生長。第三氮氧化物會產(chǎn)生光化學煙霧。光化學煙霧具有極大的危害性。

研究發(fā)現(xiàn)羅氏無氨鑭系低溫催化脫硝技術：用催化氧化NO成為NO2

η（NOX）=C（NO）in+Cin-C（NO）out-Cout/C（NO）in

+C×100%

該方程式中;η（NOX）表示NOX的去除率：C（NO）in表示入口處的NO濃度，Cin表示入口處的NO2濃度，C（NO）out表示出口處的NO濃度，Cout表示出口處的NO2濃度。

4 改進相關技術探究技術方向

根據(jù)研究我們發(fā)現(xiàn)可用活性炭混鋼渣，作為催化劑可提高脫銷效率。（活性炭負載活潑金屬可以提高尾氣中一氧化氮的轉化率）三氧化二鐵可用。轉爐燃氣尾氣脫硝可以在脫硝過程中混入活性炭鋼渣的方式來提高脫硝的效率。轉爐燃氣，鍋爐鋼渣微粉可以作為新型脫硫劑，應用于濕法脫硫技術，并具有極強的可行性，因為鋼渣屬于堿性物質(zhì)。在脫硫脫硝過程中可將鋼渣粉末進行堿性復合，一方面提高鋼渣作為回填材料的安全性，另一方面起到了以廢治廢的濕法脫硫效果給企業(yè)效益帶來了提高。最終實現(xiàn)了環(huán)境減負的效果。在燃氣鍋爐尾氣脫硫脫硝工藝當中，由于摻燒高爐煤氣尾氣當中水分含量多為床溫度下降幅度大。導致其排煙損失大，鍋爐效率降低，而傳統(tǒng)純高爐燃氣則沒有此現(xiàn)象發(fā)生。實驗對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著石灰石粉末粒徑的降低其與煙氣接觸面重大，理論上來講，石灰石粉粒徑越小，脫硫效果越好。但在實際當中，由于石灰石粉末過細。進入爐堂會熱解為CaO從而降低脫硫效果，影響脫硫效率，因此再經(jīng)過反復實驗選擇出。粗粒徑石灰石粉末作為吸收劑，能夠達到較好的脫硫效果。

燃氣鍋爐尾氣殘留的CO，在高效催化氧化劑作用下，將CO2還原為N2，這一過程效果的好壞取決于煙氣中CO的殘留含量。該反應方程如下。

2NO+O2→2NO2

2NO2+4CO→2N2+4CO2

經(jīng)過實驗分析可以得知，為了能夠保證燃氣鍋爐效率。通常在燃燒過程中，我們采用富氧燃燒已實現(xiàn)燃氣鍋爐中氣體完全燃燒，通常檢測發(fā)現(xiàn)鍋爐內(nèi)的CO含量極低，固本過程不易在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)。

當燃氣鍋爐產(chǎn)生的煙氣中，CO含量不足時以進行氮化物固結處理。就是說催化氧化生成的二氧化氮與支撐體中堿性物質(zhì)進行反應：

3NO2+Ca（OH）2→Ca（NO3）2+NO+H2O

有以上化學反應方程式可知，但顧及是整個氣體氮排量減少的過程。也就是說脫硝反應過程，實際測得生產(chǎn)進行中氮氧化物的去除率可達67%以上。這樣通過調(diào)整涂料層來控制氮氧化物的濃度?？梢酝瓿擅撲N過程達到國家生產(chǎn)標準，實現(xiàn)清潔排放的目的。

5 結束語

鍋爐煙氣是焦化廠工業(yè)廢氣之一，通過對鍋爐煙氣進行脫硫脫硝處理，可以減少煙氣中二氧化硫和氮氧化物排入大氣的排放量，可以有效改善空氣質(zhì)量和人類生存環(huán)境。通過科學有效的生產(chǎn)工藝指導來完成煙氣的脫硫脫硝，不僅功在當下利在千秋，而且對實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的推動作用。

參考文獻

[1] 王永強，馬旭.無氨干法脫硫脫硝技術在燃氣鍋爐上的應用[J].冶金動力，2020（3）：46-48.

[2] 趙軍.低氮燃燒+貴金屬催化脫硝技術應用[J].區(qū)域供熱，2016（4）：23-26.