焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用及工藝優(yōu)化分析

郭 卉

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

煉焦是對煤炭進(jìn)行處理的環(huán)節(jié)之一，該環(huán)節(jié)可對煤炭的熱量進(jìn)行充分利用。在煉焦過程中勢必會產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣，焦?fàn)t煤氣直接排放不僅會對環(huán)境造成污染，還會導(dǎo)致資源的浪費(fèi)[1-2]。因此，為了兼顧環(huán)境保護(hù)和資源的充分利用對焦?fàn)t煤氣回收利用是非常有必要的。但是，焦?fàn)t煤氣中含有的氮氧化物以及硫化物等均是影響其應(yīng)用效果的因素。因此，必須對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行凈化處理，重點(diǎn)對其中的氮氧化物和二氧化硫進(jìn)行去除。本文將對焦?fàn)t煙氣的脫硫脫硝工藝進(jìn)行研究，具體闡述如下。

1 工程概況

本文所研究焦化廠的焦?fàn)t煙氣排放量為180 000 m3/h，該煙氣的溫度為270 ℃；所排放的焦?fàn)t煙氣中二氧化硫的質(zhì)量濃度為500 mg/m3，氮氧化物的質(zhì)量濃度為1 500 mg/m3。為保證焦?fàn)t煙氣的脫硫脫硝的效果，所選擇的工藝需遵循如下原則：

1）所選擇的脫硝脫硫工藝需要與本工程所排放焦?fàn)t煙氣的量相匹配；

2）脫硝脫硫工藝所選擇的脫硝劑和脫硫劑應(yīng)具備穩(wěn)定供應(yīng)、低成本以及高性能的要求；

3）在保證穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，要求脫硫脫硝工藝具備低成本和低運(yùn)行費(fèi)用的條件[3]。

結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，針對焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝的需求可選擇的工藝路線包括有：半干法脫硫—低溫SCR脫硝—余熱回收—排放、低溫SCR 脫硝—余熱回收—半干法脫硫—布袋除塵—排塵、低溫SCR 脫硝—余熱回收—濕法脫硫—排放、低溫SCR 脫硝—余熱回收—濕法脫硫—煙氣換熱—排放四種[4]。結(jié)合上述四條工藝路線，并結(jié)合現(xiàn)場的生產(chǎn)條件具體確定脫硫脫硝的工藝路線。

分析如下：本工程中焦?fàn)t煙氣中的二氧化硫的質(zhì)量濃度500 mg/m3，不屬于高硫環(huán)境，該環(huán)境不會對脫硝催化劑的活性造成影響。同時，在實(shí)際操作中脫硝要求的溫度高于脫硫溫度；因此，可將余熱回收裝置置于脫硝和脫硫工藝之間，在高效回收余熱降低運(yùn)行成本的同時也可保證脫硫的溫度[5]。此外，綜合考慮脫硝和脫硫工藝的效率、投資以及運(yùn)行成本等因素，最終確定的工藝路線為：布袋除塵—低溫SCR 脫硝—余熱回收—濕法脫硫—排放，具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 焦?fàn)t煙氣脫硝脫硫工藝流程圖

2 焦?fàn)t煙氣脫硝脫硫工藝參數(shù)的確定

在上述確定焦?fàn)t煙氣脫硝脫硫工藝路線的基礎(chǔ)上，本節(jié)基于Aspen Plus 對上述煙氣脫硫脫硝工藝參數(shù)進(jìn)行模擬研究，最終得出最佳的工藝參數(shù)。

2.1 模型建立

結(jié)合圖1 中的脫硫脫硝工藝流程圖，為其配套基于物料平衡的反應(yīng)器、基于化學(xué)平衡的反應(yīng)器、動力學(xué)反應(yīng)器，選擇Heater 中的SIMP-HS 換熱器；根據(jù)各個設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Aspen Plus 中構(gòu)建脫硫脫硝工藝流程的模擬圖，如圖2 所示。

圖2 脫硝脫硫工藝流程模擬圖

2.2 工藝參數(shù)的確定

基于圖2 中構(gòu)建的脫硝脫硫工藝流程圖，對不同工藝參數(shù)對工藝系統(tǒng)的影響進(jìn)行模擬研究；重點(diǎn)關(guān)注煙氣流速、氨氣與一氧化氮體積比對脫硝效率的影響，關(guān)注液氣比和鈣硫比對脫硝效率的影響。

2.2.1 脫硝關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定

本次數(shù)值模擬仿真研究采用控制變量法進(jìn)行研究，在保證其他工藝參數(shù)和條件不變的基礎(chǔ)上，對不同煙氣流量對脫硝效率的影響進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 煙氣流量對脫硝效率的影響

分析圖3 可知，隨著煙氣流量的增加對應(yīng)的焦?fàn)t煙氣中的一氧化氮濃度增加，即脫硝效率降低。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中考慮到運(yùn)行工藝的效率，煙氣流速并不能太低。因此，經(jīng)研究對應(yīng)的焦?fàn)t煙氣中的一氧化氮流量為1.23 kmol/h，此時的脫硝效率可達(dá)84.6%。

2.2.2 氨氣與一氧化氮體積比對脫硝效率的影響

在保證其他工藝參數(shù)和條件不變的基礎(chǔ)上，對還原劑氨氣的流量進(jìn)行調(diào)整，對不同氨氣濃度對脫硝效率的影響進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果見表1。

表1 不同還原劑氨氣流量對脫硝效率的影響

由表1 可知，隨著還原劑氨氣流量的增加對應(yīng)其中一氧化碳的流量減少，即說明脫硝效率增加。但是，綜合對比曲線走勢可以看出，當(dāng)還原劑氨氣流量增加到一定程度后，煙氣中的一氧化氮幾乎不再減少。因此，綜合考慮脫硝效率和還原劑氨氣的使用量，將氨氣與一氧化氮的體積比控制在1.03～1.06 之間。

2.2.3 液氣比對脫硝效率的影響

從理論上將，液氣比將直接影響脫硝工藝中脫硫塔中的組分分配比、傳動以及傳質(zhì)情況，進(jìn)而影響脫硫工藝的反應(yīng)速度和反應(yīng)程度。因此，本小節(jié)在保證其他工藝參數(shù)和條件不變的基礎(chǔ)上，通過對液氣比進(jìn)行調(diào)整，對不同液氣比對脫硫效果的影響進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 液氣比對脫硫效率的影響

分析圖4 可知，隨著煙氣流量的增加對應(yīng)煙氣中二氧化硫的濃度減小，即對應(yīng)的脫硝效率增加。但是，當(dāng)煙氣流量增加到一定程度后二氧化硫濃度的減小幅度非常小，將對應(yīng)此時的煙氣流量換算為液氣比為1.3。綜合分析，將脫硫工藝中的液氣比控制在1.3 之間，對應(yīng)的脫硫效率高達(dá)99.7%。

2.2.4 鈣硫比對脫硫效率的影響

在保證其他工藝參數(shù)和條件不變的基礎(chǔ)上，調(diào)整鈣硫比（物質(zhì)的量之比）參數(shù)，對不同鈣硫比對脫硫效率的影響進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同的碳酸鈣質(zhì)量比對脫硫效率的影響

分析圖5 可知，當(dāng)碳酸鈣為70 kg 時對應(yīng)的鈣硫比為0.5；此時煙氣中的二氧化硫流量從最初的1.37 kmol/h 降低至0.023 kmol/h，硫元素對應(yīng)轉(zhuǎn)化為亞硫酸氫根離子和亞硫酸鈣。隨著鈣硫比的增加對應(yīng)的二氧化硫全部轉(zhuǎn)化為二水合亞硫酸鈣，此時的碳酸鈣為137 kg。

因此，為保證二氧化硫的高效去除，同時保證轉(zhuǎn)化物的穩(wěn)定性，將鈣硫比確定為1。

3 結(jié)語

焦?fàn)t煙氣為煤炭焦化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，其中含有二氧化硫和氮氧化物等污染物，對其直接排放不僅會對環(huán)境造成污染，而且還會造成資源的浪費(fèi)。但是，對焦?fàn)t煙氣的再利用需要對其凈化處理，本文重點(diǎn)對焦?fàn)t煙氣的脫硫脫硝工藝進(jìn)行研究。總結(jié)如下：

1）結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中煙氣的參數(shù)和現(xiàn)場生產(chǎn)條件，最終確定的脫硫脫硝工藝路線為：布袋除塵—低溫SCR 脫硝—余熱回收—濕法脫硫—排放。

2）基于ASPEN 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究確定的最佳工藝參數(shù)為：煙氣流速確定為3.2 m/s，氨氣與一氧化氮的體積比控制在1.03～1.06 之間，液氣比控制在1.3 之間，鈣硫比確定為1。