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活性炭脫硫脫硝顆粒物排放生產實踐

河鋼邯鋼集團有限公司
2022-03-30
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    申明強 閻占海 白仲彬

  摘 要活性炭脫硫脫硝系統可同步脫除燒結煙氣中的SO2、NOx、顆粒物、重金屬等多種污染物,目前在燒結煙氣治理過程中得到廣泛應用。由于系統對顆粒物脫除率比較低,在脫除顆粒物時,入口顆粒物濃度和活性炭本身特性及工藝操作均會對顆粒物排放產生較大影響。當入口顆粒物偏高時,將會造成出口顆粒物偏高;活性炭脫硫脫硝系統和燒結工藝參數的變化也會對顆粒物的排放產生重要影響。通過長期的生產實踐,對顆粒物排放特性進行分析,找到影響顆粒物排放的因素及控制方法。

  關鍵詞活性炭 脫硫脫硝 顆粒物排放 生產實踐

  前言

  隨著國家環保標準的提高,活性炭脫硫脫硝以其對燒結煙氣中SO2、NOx、顆粒物、重金屬、二噁英等的協同處理得到大面積推廣應用。但由于活性炭對顆粒物的脫除能力有限再加上自身在吸附塔內破碎、摩擦等產生顆粒物,造成了該工藝在顆粒物的排放控制上存在瓶頸。如何降低顆粒物排放,甚至是達到超低排放成為目前技術攻關的主要方向。

  1 活性炭脫除顆粒物機理及特性

  活性炭移動層的除塵原理與普通的過濾除塵相同,通過沖撞,遮擋以及擴散捕捉效果進行除塵。經電除塵器過濾后的燒結煙氣中含有的微小顆粒物主要通過慣性碰撞、攔截、擴散沉降等方式在活性炭孔洞、凹陷區域、表面等沉積。通常,直徑1μm以上的粒子可通過沖撞效果進行捕捉。而不到1μm的粒子要通過遮擋和擴散捕捉效果進行捕捉。[1]

  活性炭脫硫脫硝系統隨煙氣排出的顆粒物大致可以分為兩類,一類是由燒結煙氣帶入后經活性炭吸附脫除后逃逸的顆粒物,另一類是活性炭自身在運轉、碰撞、摩擦等產生的。通過對排放顆粒物進行成分分析,活性炭自身產生的顆粒物約占顆粒物總排放的18%~40%?;诨钚蕴棵摿蛎撓豕に噷Y煙氣中顆粒物脫除原理以及自身產生顆粒物的特性,為降低脫硫脫硝系統出口顆粒物濃度排放,需要從兩方面入手:1)降低入口顆粒物濃度;2)減少活性炭自身產生的顆粒物。

  2 入口顆粒物濃度對顆粒物排放的影響

  2.1 燒結過程對入口顆粒物的影響

  合適的燒結生產參數既是保證燒結礦產質量的關鍵,也是減少燒結生產污染物排放的主要參數。當燒結生產過程參數匹配時,燒結燃燒速度和傳熱速度一致,此時燃燒帶溫度將會達到最高,燃燒帶變窄,部分難熔的燒結料將會粘結在一塊,燒結煙氣中的顆粒物濃度也會降低。當燒結參數出現波動時,將會導致垂直燒結速度、燒結風量等的波動,造成顆粒物排放升高。

  2.2 顆粒物吸附飽和理論

  2.2.1 定義

  活性炭吸附顆粒物飽和值是指煙氣達標排放時活性炭吸附(脫除)顆粒物的最大值。

  值得說明的是顆粒物吸附飽和值與煙氣在吸附塔內通過的流速呈負相關關系。如果用在某流速下顆粒物實現達標排放的持續時間(t)來表示活性炭對顆粒物吸附的飽和值(t飽和),其與流速(v)之間的關系如下:

  t飽和=k/v

  其中k是比例系數,t飽和的最小值tmix≥d/v(d為活性炭床層厚度)。

  也就是說活性炭對顆粒物吸附(脫除)的飽和值是相對于不同的煙氣流速而說的,煙氣流速越高,該飽和值越小。

  2.2.2 入口顆粒物濃度嚴重偏高情況

  當入口顆粒物濃度高于某一數值時,顆粒物隨著煙氣在通過活性炭床層時雖然大部分被攔截脫除,但仍有部分顆粒物隨煙氣直接排出,并致使出口數據超過排放限值。因此我們在實際生產中應對入口顆粒物嚴格管控,確保入口數據不超過此值,否則顆粒物將無法控制。

  2.2.3 入口顆粒物濃度長期偏高情況

  當入口顆粒物濃度未達到上述的限值,但仍處于偏高狀態時,顆粒物排放在短時間不會超標,但如果長期保持這一狀態,排放數據會逐漸升高并最終會超出排放限值。而顆粒物在某一數值持續保持時間與顆粒物濃度呈反比關系,顆粒物濃度越高,實現達標排放的持續時間越短。

  2.2.4 顆粒物排放的滯后性

  顆粒物排放的滯后性是指當入口顆粒物濃度持續偏高一段時間然后明顯降低,在入口偏高時間段內顆粒物排放并未超標,反而在濃度降低后出現排放超標的情況(如圖1、圖2所示)。主要原因為煙氣從吸附塔底部(或一側)進入,最先接觸煙氣的活性炭吸附的顆粒物最多,在排料過程中,部分附著在活性炭表面的顆粒物與活性炭脫離并隨煙氣在活性炭層中多次出現吸附、脫離再吸附再脫離,最終有部分顆粒物隨煙氣排出,造成出口顆粒物超標排放。

  3 脫硫脫硝系統對顆粒物排放的影響

  3.1 活性炭自身產生顆粒物的原因及影響因素

  活性炭在物料循環過程中,由于活性炭與活性炭之間的物理摩擦、擠壓、物料循環路徑上的磨損等因素。再加上活性炭在脫硫脫硝過程中C元素參與化學反應進行消耗,導致活性炭的強度變差而加劇的物理磨損等。影響活性炭自身產生顆粒物的因素主要有以下幾個方面:

  3.1.1 活性炭物理性質

  活性炭的物理性能有很多,例如水分、裝填密度、粒度、耐壓強度、耐磨強度等。其中粒度反映了新焦的破碎程度,耐磨耐壓性能則主要表現在活性炭在轉運、移動床內產生顆粒物的難以程度。如果耐磨耐壓強度不合格,會導致在使用過程中由于不能承受料壓和移動過程中的相互擠壓,逐漸破碎。

  3.1.2 活性炭物料輸送的影響

  在脫硫脫硝系統設計時,如果活性炭轉運次數多、落差大、排料閥擠料、吸附塔下料不均勻等原因會造成活性炭破損嚴重?;钚蕴康钠茡p必然導致活性炭自身產生的顆粒物數量增加,對顆粒物排放產生影響。為降低活性炭破損應采取如下措施:

  1)吸附塔、解析塔采用均勻排料裝置,保證活性炭排料均勻,防止活性炭在料壓和移動的雙重影響下造成活性炭擠壓破碎;

  2)減少物料循環系統的鏈斗機數量,降低倒運次數;

  3)選擇密封性好的卸料閥,減少卸料閥在卸料時由于閥芯和閥殼之間間隙大造成的擠料。

  4)系統內各緩沖倉采取中高料位控制,減少活性炭進入緩沖倉的摔打破碎。

  3.2 物料循環量的影響

  要保持吸附塔對SO2、NOx、顆粒物及其他污染物的持續脫除,必須及時排出吸附塔內已飽和的活性炭,送到解析塔解析再生,從而恢復活性。因此活性炭的循環量是保持活性炭脫硫脫硝系統污染物排放的重要參數。

  提高活性炭循環量不僅造成了活性炭消耗的增加,也會造成系統出口顆粒物排放的上升。其主要原因為隨著炭循環量的增加,活性炭在吸附塔內的流動速度加大,活性炭之間相互摩擦、擠壓、碰撞加劇,造成活性炭破損,由此產生的顆粒物會隨著煙氣排出,導致顆粒物升高。

  由于活性炭對顆粒物的吸附存在飽和,當對顆粒物的脫除達到極限時就必須及時把活性炭排出,使新活性炭有繼續脫除顆粒物的能力。因此,為保證系統顆粒物的穩定排放,必須保證活性炭的循環量。

  但上文談到,炭循環量增加會導致活性炭自身產生的顆粒物增加,兩者之間存在一定矛盾。因此在控制出口顆粒物濃度上炭循環量存在一個平衡點,當入口顆粒物濃度較高時,必須適當增加炭循環量,使吸附在活性炭上的顆粒物盡快從系統中排出;當入口顆粒物濃度較低時,加大炭循環量活性炭自身產生的顆粒物增加,為降低顆粒物排放可適當降低炭循環量。

  3.3 解析效果對顆粒物排放的影響

  活性炭的解析效果不僅影響到活性炭對煙氣中SO2、NOx的吸附和脫除,對系統顆粒物濃度的排放也起到至關重要的影響。通過活性炭對顆粒物的脫除原理可知,活性炭對顆粒物的吸附也是脫除顆粒物的主要方式之一。保證良好的解析效果,使吸附在活性炭微孔內化學物質和其他大分子物質析出,活性炭對顆粒物的吸附能力大大增加,系統對顆粒物的脫除能力將會提高。

  圖3為2018年8月-10月顆粒物排放數據趨勢圖。7月末到8月初由于解析塔上下旋轉閥、富硫風機頻繁故障、高爐煤氣壓力不足等一系列問題,活性炭解析效果變差,出口顆粒物持續升高。隨著以上問題逐步解決,活性炭解析效果逐漸改善,顆粒物呈逐步穩定下降趨勢。

  4 其它因素對顆粒物排放的影響

  4.1 燒結過燒對排放的影響

  由于燒結生產波動造成燒結終點提前或滯后,當燒結終點提前時燒結礦在臺車上冷卻,燒結礦攜帶的顯熱進入燒結煙氣,造成煙氣溫度升高。由于活性炭脫硫脫硝系統對入口煙氣溫度的苛刻性要求,在煙氣溫度偏高時必須適當兌入一定量的空氣降溫。此時會造成系統處理的煙氣量增加,煙氣量的波動將會導致煙氣在吸附塔模塊內的氣流紊亂,導致顆粒物波動升高。

  燒結過燒除了造成風量增大以外,燒結礦在臺車上冷卻會造成大量空氣進入煙氣中,再加上兌入的空氣,將會造成進入吸附塔的氧含量迅速升高,在目前采取以16%為基準的氧含量進行折算時將會使折算值進一步升高,不利于顆粒物的達標排放。

  4.2 煙氣循環影響

  燒結煙氣循環是根據燒結風箱煙氣排放特征(溫度、含氧量、煙氣量、污染物濃度等)的差異,在不影響燒結礦質量的前提下,選擇高溫段和低溫段各四組風箱的煙氣循環回燒結機臺車面,用于熱風燒結。該工藝既實現了熱風燒結的目的,又確保了循環利用的煙氣具有較高的O2含量。

  燒結煙氣循環的投用,在降低燒結燃料配比的同時,對降低燒結煙氣污染物的排放起到顯著作用,切實起到了節能減排的目標。另外,煙氣循環系統對降低脫硫脫硝系統入口煙氣風量、溫度和氧含量起到顯著效果,有利于脫硫脫硝系統超低排放的實現。

  由于煙氣循環系統煙道閥安裝在風箱支管與大煙道連接的豎管上,需要定期開關放料,對進入脫硫脫硝系統的煙氣量、煙氣溫度和氧含量均產生較大影響。脫硫脫硝系統被迫需要根據燒結煙氣的變化進行適當調整,造成了進入吸附塔煙氣波動。

  4.3 脫硫脫硝系統進退模塊的影響

  穩定的煙氣煙氣流速是保持脫硫脫硝系統出口顆粒物穩定達標排放的關鍵。當脫硫脫硝系統部分模塊因熱點、檢修等原因需要退出時,會造成進入其他模塊的煙氣量、煙氣壓力的迅速變化,從而造成顆粒物短時間內出現較大波動。如果模塊退出后煙氣流量、壓力持續偏高,可能造成顆粒物長期偏高,并造成小時平均值超標。

  5 結論

  通過以上分析,我們得出如下結論:

  1)吸附塔內煙氣流速低有利于顆粒物實現超低排放,因此在設計時應考慮一定煙氣余量;

  2)合適的活性炭循環量是降低活性炭脫硫脫硝顆粒物排放的重要參數,偏大或偏小均不利于超低排放的實現;

  3)活性炭的解析效果影響到顆粒物的脫除效果,因此應高度重視活性炭脫硫脫硝的解析效果;

  4)燒結工藝操作對顆粒物排放也起到關鍵作用。

  6 參考文獻

  [1]蔣劍春等.活性炭應用理論及技術[M].北京:化學工業出版社,2010:11-16.

  文稿來源

  申明強,閻占海,白仲彬.活性炭脫硫脫硝顆粒物排放生產實踐[J].煉鐵交流,2021,14(3):27-29.

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