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逆流活性炭煙氣凈化裝置關鍵技術

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-10-06  作者:宋清明,代 兵  瀏覽次數:609
 
核心提示:摘要: 介紹了河鋼邯鋼響應國家減排號召,在 2# 435 m2 燒結機上進行的國內首套逆流活性炭煙氣凈化裝置的研究與應用情況。該逆流吸附裝置中進行了多項關鍵技術研究與應用,具體包括: 脫硫區和脫硝 區分離吸附技術、模塊疊加技術、模塊離線技術、多點噴氨與混勻一體化技術、活性炭靜態分揀技術等。煙氣凈化裝置應用后,具有處理燒結煙氣 150 萬 Nm3/ h 的能力,煙氣排放指標達到了國家現行超低排放要求。 關鍵詞: 燒結煙氣;逆流;活性炭;脫硫脫硝分離;模塊疊加和離線技術;多點噴氨與混勻一體化;靜態分揀
 逆流活性炭煙氣凈化裝置關鍵技術

宋清明,代 兵

(河鋼集團邯鋼設計院,河北 邯鄲 056015)

摘要: 介紹了河鋼邯鋼響應國家減排號召,在 2# 435 m2 燒結機上進行的國內首套逆流活性炭煙氣凈化裝置的研究與應用情況。該逆流吸附裝置中進行了多項關鍵技術研究與應用,具體包括: 脫硫區和脫硝 區分離吸附技術、模塊疊加技術、模塊離線技術、多點噴氨與混勻一體化技術、活性炭靜態分揀技術等。煙氣凈化裝置應用后,具有處理燒結煙氣 150 萬 Nm3/ h 的能力,煙氣排放指標達到了國家現行超低排放要求。

關鍵詞: 燒結煙氣;逆流;活性炭;脫硫脫硝分離;模塊疊加和離線技術;多點噴氨與混勻一體化;靜態分揀

0  引言

京津冀地區是我國鋼鐵工業最集中的地區之一。在鋼鐵工業中,燒結工序產生的顆粒物、SO2、NOx 和二噁英等污染物分別約占鋼鐵生產總排放量的 40% 、60% 、30% 和 95% ,是鋼鐵生產中最主要的污染物產生環節。

進入“十三五”以來,隨著國家減排指標越來越嚴格,除了嚴格要求 SO2 和顆粒物的排放指標外,已經進一步要求 NOx、二噁英、重金屬等減排指標。

借鑒發達國家燒結煙氣治理的經驗: 活性炭一體化凈化技術能同時脫除 SO2、NOx、二噁英、重金屬及粉塵等多種污染物,并且能回收硫資源,是一種較為理想的資源回收型綜合煙氣治理技術。之前,在我國太鋼、永鋼、日鋼、寶鋼等企業進行了錯流活性炭技術的運用,運行情況表明單級活性炭錯流吸附工藝對燒結煙氣中污染物的凈化水平還難以達到超低排放的要求。

河鋼邯鋼通過對歐洲企業考察得到的啟迪,逆流吸附技術具有極高的污染物脫除率,結合國內錯流工藝生產實踐經驗,開發國產活性炭逆流吸附技術實現污染物的超低排放具有可行性。鑒于此情況,河鋼邯鋼于 2015 年 6 月成立了項目組,決定在2# 435 m2燒結機上進行國內首套逆流式活性炭凈化裝置的研究與開發。

1 技術方案

1.1 逆流煙氣吸附裝置

逆流技術相比于錯流技術,除氣相與固相接觸的動力學優勢外,要實現 SO2≤35 mg /Nm3、NOx≤50 mg /Nm3、顆粒物≤10 mg /Nm3的超低排放指標,需把煙氣中各種污染物的高效吸附和污染物的超低排放做為研究重點。為此,在逆流吸附裝置的研制中進行了如下攻關。

1. 1.1 脫硝反應區與脫硫吸附區分離

通過調研和理論分析,在吸附裝置中把脫硫、脫硝兩段任務,分 2 個步驟完成煙氣凈化。即在第一個活性炭床層進行粉塵、二噁英、重金屬、SO2、鹵化物的脫除,煙氣分離出來再進入下一個活性炭床層完成脫硝任務。該方案可以充分發揮兩個工藝過程的協同優勢,有利于提升污染物的脫除效率。脫硝反應區與脫硫吸附區分離示意圖如圖 1 所示。

圖片1 

為實現脫硫與脫硝分區完成,在脫硫與脫硝之間的有限空間內設置過渡區。過渡區采用活性炭排料漏斗組、配氣格柵與布料管組集成布置的方式,具體技術方案如下。

(1) 脫硝段排料漏斗組。在吸附模塊活性炭脫硝床層底部6.0 m × 6.6 m 的截面上,吸附模塊設置為相互分隔的 110 個 0.56 m × 0.56 m 的排料大斗,每個排料大斗之上嵌入了 4 個 0.3m × 0.3m 的排料小斗。脫硝床層中的活性炭在重力作用下通過排料小斗、排料大斗,實現活性炭從脫硝段向脫硫段的排料功能。

(2) 配氣格柵。排料大斗內側與嵌入其內的小斗四周留有 30 mm 的環形縫隙,每個模塊 6 0 m ×6.6 m 在截面上共計 440 個環形縫隙。密集、均勻分布的環形縫隙構成了配氣格柵結構,如圖 2 所示。這樣,從吸附塔下部進入的煙氣在壓力的驅使下,通過配氣格柵進入活性炭床層中,與模塊中的活性炭逆流接觸,實現煙氣均勻配氣功能。

圖片2 

3) 脫硫段布料管組。吸附模塊過渡段的每個排料大斗下部連接一段 0.12 m × 0.12 m 矩形管道,每個模塊在 6.0 m × 6.6 m 截面上共有 110 個矩形管道,均勻布置的管道組構成下部活性炭床層的布料管組,管道下的活性炭形成自然堆角,完成脫硫床層的布料任務。

這樣,排料漏斗組、配氣格柵與布料管組實現了在脫硫脫硝過渡區有限空間內的集成布置,解決了脫硫區與脫硝區有效分離的難題。

1.1.2 活性炭的布料與排料裝置

吸附塔箱體尺寸較大,水平截面達到 6.0 m ×6.6 m,截面上不同部位的活性炭移動速度不可能完全一致,極易導致活性炭的偏析,影響煙氣分布的均勻性。項目組創新設計了可精細化控制的布料裝置與推拉式排料裝置,如圖 3 所示。該裝置解決了活性炭布料與排料偏析問題。

圖片3 

在吸附塔每個模塊頂部設有活性炭儲料箱。活性炭靠重力從儲料箱流入模塊上部的布料斗,每個模塊共由 106 個小布料斗組成,布料斗下面連接一段管道,活性炭經過管道并在管道的下口面自然堆積形成活性炭床層的頂面。從下逆流而上與活性炭經過充分接觸并發生反應后的煙氣也從該處與活性炭分離開來,該煙氣為凈煙氣,進入與箱體相連的煙道中,自上而下的活性炭依次進入脫硝床層。

排料裝置為氣動活塞驅動,安裝在吸附塔配氣格柵板的下方,是吸附塔內唯一的運動機構。它帶動整個卸料耙子做往復運動,每一次的排料可以使活性炭床層均勻地向下平移,整個床層截面垂直流動。床層上部的活性炭由儲料箱經過布料斗自動補充到床層頂部,使活性炭床層高度始終保持穩定。

該裝置應用后,吸附塔模塊內床層布料與排料均勻、穩定,煙氣分布均勻,無活性炭偏析現象。

1.2 模塊組的上、下疊加技術

將傳統平行布置的 2 個模塊組進行上下疊加。上層模塊組與下層模塊組具有完全一樣的裝料、脫硝、噴氨、脫硫和排料等功能。模塊組疊加以后活性炭裝料系統和活性炭排料系統共用,實現吸附裝置總占地面積減少 50% ,上部鋼結構和下部鋼結構數量減少 50% 。

圖片4 

模塊組上下疊加技術的主要難點是,解決模塊組之間的活性炭輸送通道的交叉與隔離、模塊組之間進出煙氣通道的交叉與隔離問題。為此進行了如下攻關:

(1) 上、下層模塊組的排料、裝料通道設置

位于上層的模塊組,活性炭的進料口直接與頂部鋼結構上的裝料緩沖罐相連,實現活性炭的裝料。活性炭的排料是從上層箱體底部卸料,下部由于布置有下層模塊組,因此上層模塊組的排料通道被下層模塊組遮擋,無法實現上層模塊組的排料。同理,下層模塊組上部布置有上層模塊組,因此下層模塊組的裝料通道也被上層模塊組遮擋,無法實現下層模塊組的裝料。

為此,將上層模塊組的箱體底部設置 4 個內置排料斗,排料斗與 4 根排料管道相連,4 根管道從下層模塊組穿過,可以直接排到最下部的鎖氣斗中,實現了上層模塊組的順利排料。同理,下層模塊組頂部緩沖斗上方設置 4 根裝料管道,4 根管道從上層模塊組穿過,可以直接與頂部的裝料緩沖罐相連,實現了下層模塊組的順利裝料。而4 根直徑為 DN200mm 的管道,在 6 m × 6. 6 m 的模塊截面上僅占 3‰ 的面積,不會對模塊組活性炭床層造成影響。

(2) 共用鎖氣斗

上、下模塊組的排料斗與原煙氣進氣煙道相連,內部為 3 500 ~ 4 500 Pa 的正壓,如果排料斗中的活性炭直接排入鏈斗機中,煙氣將隨活性炭通道外泄而污染外部環境。為此開發了共用鎖氣斗,解決了活性炭外排時煙氣密封難題,實現了上、下模塊組共用 1 個卸料口,保證煙氣密封不串流,實現了模塊組的排料功能,同時降低了投資。

1.3 活性炭模塊離線技術

將吸附塔分成 64 個獨立模塊,模塊間均有獨立的煙氣切斷閥門與活性炭切斷閥門,如圖 5 所示( 圖中右側模塊為離線檢修狀態) 。當某一模塊因某種原因需要維護時,可以切斷該模塊的煙氣閥門與活性炭閥門,將該模塊隔離出來,而其他模塊仍正常工作,實現模塊離線檢修,完成檢修后,可以根據實際需要再重新投入系統中運行。

圖片5 

另外,模塊出現熱點報警或燒結煙氣量過低而打破模塊內部熱平衡時,同樣通過切斷該模塊的煙氣閥門與活性炭閥門,將該模塊隔離出來,自動向模塊內充 N2 進行保護,可防止活性炭溫度持續升高引發安全事故。

活性炭模塊離線檢修技術可以將需檢修的任何模塊組離線,而不影響其他模塊組的正常運行,吸附裝置的理論作業率可達到 100% 。

1.4 多點噴氨與混勻一體化技術

國內脫硝技術通常利用液氨作為脫硝劑,液氨蒸發后轉化為高純度氨氣,作為還原劑有效成分高、運行成本低。但液氨同時也是高危化品,氣態時與空氣混合易發生爆炸,其儲存、運輸環節均有極嚴格的要求。

針對上述問題,采用氨水替代液氨作為脫硝還原劑的技術思路。并通過煙氣中水分對活性炭脫硝率的影響測試實驗驗證了該思路的可行性。通過研發氨水的高效汽化與稀釋系統。以及多點噴氨與混勻技術,實現了以氨水為還原劑的高效脫硝技術。

(1) 氨水為脫硝還原劑的特點

項目組通過調研、分析,提出了以氨水作為脫硝還原劑的技術思路,并開展了煙氣中水分對活性炭脫硝率的影響測試實驗。

通過實驗,將不同水分含量的實驗結果繪制成NO 的還原曲線,如圖 6 所示。

圖片6 

實驗結果表明: 采用 18% 的氨水作為還原劑,氨水氣化為氨蒸氣,由氨水氣化后帶入的水蒸氣,僅會使煙氣的含水量提高 0.39%,其帶入燒結煙氣的水分引起煙氣含水量的變化對脫硝率的影響十分有限。

濃度為 18% ~ 25% 的氨水作為還原劑安全、有效,同時氨水具有濃度低、擴散范圍小、濃度范圍易控制、無需壓力容器儲存等優勢,比較適合場地有限的企業使用。

(2) 氨水的高效汽化與稀釋

①采用噴頭高效霧化、高溫稀釋氣化技術。在氨水氣化爐周圍設置了氨水噴槍,利于壓縮空氣對氨水高效霧化。霧化的氨水與氣化爐頂部來自氨加熱爐換熱器的 500 ℃ 熱空氣逆向接觸,使霧化氨水充分氣化,沿氣化爐從上至下經過氣化、混勻等過程,并將氨氣濃度降低到 5% 以下,稀釋后的氨蒸氣在 200 ℃左右被送到吸附塔噴氨區進行噴氨。

②采用帶輻射換熱器與列管式換熱器的立式加熱爐系統。可提供氨水氣化與稀釋所需要的 500 ℃熱空氣。

(3) 多點噴氨與混勻技術

在吸附塔 64 個模塊中,每個模塊均配置了 5 個噴槍,并創新性地在每個噴槍端部設置了氨氣擴散圓盤( Φ 300 mm) ,圓盤下方 80 mm 處設有與噴槍一一對應的煙道支管。氨氣通過噴槍沿圓盤徑向擴散,同時脫硫后的煙氣經煙道支管與噴槍圓盤充分接觸,同樣沿圓盤徑向擴散。該方式下煙氣無其他通道,煙氣與氨氣接觸面顯著增大,混勻效果更為理想。

1.5 靜態分揀技術

活性炭作吸附劑的煙氣凈化裝置要求活性炭床層具有良好的透氣性,以降低系統阻力。隨著工藝運行時間的增加,活性炭經過磨損和化學消耗,顆粒尺寸會越來越小。小顆粒及粉塵充斥在活性炭床層縫隙中會增大煙氣阻力,如果分布不均勻還會形成偏析引起不穩定氣流,增加系統的不穩定性,降低吸附效果。且活性炭粉容易堆積在吸附塔內,積熱造成局部溫度升高,形成熱點,嚴重威脅工藝系統安全。一般采取的解決措施是在活性炭輸送系統中設置一臺高效平衡式振動篩,篩分出小顆粒活性炭,但由于活性炭粉塵和小顆粒比重較小,在除塵風的影響下,很難去除干凈。

針對該情況,項目組研發了獨特的活性炭風篩分揀裝置,如圖 7 所示。

圖片7 

該裝置工作過程為: 含粉的活性炭從給料裝置的進料口進入,大小可調節,活性炭由自重沿進料管向下流動,散落在散料器頂部蘑菇頭上向四周散落,再經過主分選、次分選實現活性炭的均勻離散分布,與逆流而上的熱空氣充分接觸。在熱空氣流的帶動下,活性炭中的粉塵、小顆粒逐步經過流化、懸浮、分離等過程,最終在氣流的牽引作用下被分離出來。

該裝置進風口帶有調節閥門,通過調節進風的熱空氣流量,改變風篩內部氣流速度,以達到將不同粒徑的小顆粒活性炭分離的目的。此外,該裝置入口熱空氣是利用解析塔廢熱煙氣換熱而來,充分利用了余熱。活性炭經過風篩分揀后,小于等于 2.5 mm的小顆粒及粉塵含量降低到 0.1% 以下,保證了活性炭床層良好的透氣性,降低活性炭床層阻力,減小 產生熱點的可能性。

2  結語

項目于 2017 年 3 月 19 日在河鋼邯鋼 2 # 435m2燒結機上實施后,燒結煙氣的各項排放指標達到了國內的最好水平,SO2≤5 mg /Nm3,NOx≤40 mg /Nm3,顆粒物≤10 mg /Nm3,低于國家超低的排放標準,實現了超低排放和綠色清潔生產。

逆流吸附裝置是針對錯流吸附工藝存在的一系列問題進行的創新,在充分利用了逆流技術在氣固接觸上的動力學優勢基礎上,為我國燒結煙氣治理技術的發展與進步進行了有益探索與實踐,對推動燒結煙氣凈化技術的升級,為京津冀地區乃至全國大氣治理工作起到良好引領與示范作用。

 
 
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