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科技新进展:陶瓷催化滤管一体化脱硫脱硝技术在涟钢焦化的应用

发布时间:2022/09/06

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一、研究的背景与问题

近年来,环保政策越来越严,国家和地方都出台了相关政策,制定了相应的超低排放标准,大大推动了钢铁行业“减排降污”治理进程。焦化工序作为钢铁联合企业的能耗、污染大户,根据GB16171-2012《炼焦化学工业污染物排放标准》规定焦炉烟囱排超低放标准:颗粒物≤10mg/m³、SO2≤30mg/m³、NOx≤150mg/m³。为满足超低排放要求,各企业纷纷响应,上马焦炉烟道气脱硫脱硝系统,实现排放达标。

传统脱硝技术不能满足焦炉烟道气脱硝需求,不能实现焦炉高效脱硝。主要有3方面原因:

(1)焦炉烟道气在脱硝之前,其温度一般为180℃~300℃,煤电烟气脱硝前温度为300℃~450℃,焦炉烟道的温度无法匹配传统工艺的温度条件,从而阻碍了一些技术工艺在焦炉烟道气脱硝方面的应用。

(2)焦炉烟气的污染物成分与煤电行业的不同,煤电行业烟道气中SO2含量偏高,NOx含量偏低,而焦炉烟道气中NOx含量偏高,SO2含量偏低,且含有焦油、硫化氢(H2S)、一氧化碳、甲烷、游离炭等组分,这导致活性焦联合脱硫脱硝法等适合于高硫低氮烟气工况的工艺在焦化行业难以适用。

(3)焦炉烟囱内部必须保持130℃以上的温度(焦化行业称之为烟囱热备),在引风机出现故障时,能够保证焦炉烟囱还能为炼焦工艺提供稳定的压力出口条件,而不影响整个焦炉的生产,所以排烟温度过低的湿法工艺在焦化行业的应用受到制约。

当前焦炉烟道气脱硫脱硝工艺主要有:活性焦脱硫脱硝工艺、传统SDA半干法/SDS干法脱硫+SCR脱硝工艺,但都会存在集成度低、占地面积大或产生次生二次污染等问题,难以满足工艺及场地布置要求。因此,湖南钢铁集团华菱涟源钢铁有限公司与安徽紫朔环境工程技术有限公司合作,开发了陶瓷催化滤管一体化脱硫脱硝技术,并在涟钢焦化得到成功应用。

二、解决问题的思路与技术方案

对于焦化行业的烟气特点是烟气中二氧化硫和粉尘浓度低,而氮氧化物浓度高,为了达到超低排放要求,一般需要脱除效率不小于90%,但是焦炉烟气温度低(相对于脱硝反应的温度窗口)、粉尘中含碱金属和煤焦油等成份,又不利于脱硝反应的进行,因此焦化烟气治理的难点在于脱硝,而脱硝的难点在于整体脱硫、脱硝和除尘工艺的选择和布置。

本技术方案以焦炉烟道气为研究对象,针对现有技术系统集成度低、占地面积大和可能存在二次污染产生的问题,开展了焦炉烟道气工况参数分析及焦炉周围布置实地调研,根据焦炉烟道气工况参数和实地调研情况,以SDS干法脱硫+SCR脱硝为基础设计开发了一种低温、耐硫、耐焦油、能够长期不间断运行的全干法陶瓷催化虑管一体化脱硫脱硝技术,并最终实现工业应用。

图1  尘硫硝一体化系统工艺流程图

1、陶瓷催化虑管脱硫脱硝原理

(1)含尘气体通过导流板均流后进入滤管,外进内出;粒径较大的粉尘在重力作用下沉降;粒径小的粉尘沉积在滤料表面;烟气中的颗粒物及有害杂质在粉饼层进行高效过滤,充分杜绝有毒害物质与催化剂直接接触。

(2)陶瓷虑管表面形成脱硫固定床辅助脱硫。

(3)无尘、硫气体与滤管壁内的催化剂接触发生反应氮氧化物被还原。

(4)净化后的气体进入净气室通过风机排出,当粉尘在滤料表面沉积到一定值后启动压缩空气对滤管脉冲反吹清灰。

图2 陶瓷催化虑管工作原理 图3 陶瓷催化虑管反吹清灰

2、焦炉烟道气工况参数

本方案焦炉烟气温度250~290℃相对较高,SO2、NOx波动范围大(主要与加热用高炉煤气参混焦炉煤气比例有关),烟尘颗粒物含量总体30~60mg/m³,平均45mg/m³。因此在设计SDS干法脱硫时最低烟气温度会在ABS露点之上,不会产生结露现象,故无需配套设计烟道气控温器装置。

表1 烟道气工况参数

3、脱硫脱硝除尘一体化技术

焦炉烟气经过地下烟道引出,在引出烟道处,通过磨粉机多路喷射+精确计量装置+均布装置定量喷入碳酸氢钠超细粉,烟道中均匀混合后进行一次脱硫反应,再经喷氨系统,将18%~20%浓度的氨水通过双流体雾化喷枪喷入滤管反应器入口烟道,通过导流板和气流分布板分布均流后进入陶瓷滤管装置,粒径较大的粉尘在重力作用下沉降,粒径小的粉尘沉积在滤料表面形成尘饼层,并在陶瓷管表面的尘饼层上进行二次脱硫,无尘硫气体通过滤料表面再与滤管壁内的催化剂层接触发生反应氮氧化物被一次脱除,清洁烟气再通过引风机烟囱排出。

图4 脱硫脱硝一体化反应器

三、主要创新性成果

1、开发了陶瓷催化虑管尘、硫、硝一体化脱除技术

(1)前端干法脱硫和陶瓷虑管尘饼层辅助脱硫结合(相当于管道混合脱硫和陶瓷管尘饼层两次干法脱硫),脱硫效率高;搭配添加相应的添加剂,可以有效地去除SO2、HCl、H2S、HF等酸性气体;兼容各种干法/半干法脱硫工艺,减少了烟气中煤焦油、焦炭、粉尘以及粉尘中重金属离子对脱硝催化剂的影响,增加了催化剂的使用寿命。

(2)在一体化反应器前段喷入氨时,陶瓷纤维催化滤管负载高效脱硝催化剂具有一次脱硝功能,且脱硝效率高。

(3)工艺集成度高,占地面积和空间小,分仓室设计,可以分仓室离线检修,运行费用少。

2、采用刚性陶瓷虑管结构

(1)陶瓷虑管阻燃、耐高温、耐腐蚀,不易破损,寿命长。

(2)陶瓷过滤管结构坚硬,不会导致粉尘穿透,而且不具有挠性,过滤效果好。

3、形成了全干法工艺,不产生废水和固废等二次污染。

图5 陶瓷催化虑管与传统布袋除尘对比

四、应用情况与效果

陶瓷催化虑管一体化脱硫脱硝技术已经在涟钢成功运行,各项性能指标均满足焦炉烟道气超低排放要求。投运至今,已经安全平稳运行超4个月,出口烟气SO2含量平均在10mg/m³左右,脱硫率在92.7%左右;出口烟气NOx平均在50.8mg/m³,脱硝率在90.8%左右;出口烟气颗粒物平均在6.02mg/m³,除尘效率平均在89%左右。企业实现了焦炉烟道气超低排放目标,具有良好的环境效益,履行了企业的社会责任。

图6 工业化装置现场

信息来源:湖南华菱涟源钢铁有限公司

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