DQZHAN訊：四種焦爐煙氣脫硫脫硝技術(shù)詳解
一、碳酸鈉半干法脫硫+低溫脫硝一體化工藝；
二、加熱焦爐煙氣+高溫催化還原脫硝工藝；
三、SICS法催化氧化(有機催化法)脫硫脫硝工藝；
四、活性炭/焦脫硫脫硝工藝；
碳酸鈉半干法脫硫+低溫脫硝一體化工藝
1.脫硫脫硝原理
采用半干法脫硫工藝，使用Na2CO3溶液為脫硫劑，其化學(xué)反應(yīng)式為：
Na2CO3+SO2→Na2SO3+CO2(1)
2Na2SO3+O2→2Na2SO4(2)
脫硝采用NH3-SCR法，即在催化劑作用下，還原劑NH3選擇性地與煙氣中NOx反應(yīng)，生成無污染的N2和H2O隨煙氣排放，其化學(xué)反應(yīng)式如下：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(3)
2.工藝流程
焦爐煙氣被引風(fēng)機引入工藝系統(tǒng)，先脫硫除SO2，后除塵脫硝，再脫除顆粒物和NOx，*后經(jīng)引風(fēng)機增壓回送至焦爐煙囪根部(見圖1)。
圖1SICS法催化氧化(有機催化法)脫硫脫硝工藝流程示意
該工藝主要由以下系統(tǒng)組成：
脫硫系統(tǒng)由脫硫塔及脫硫溶液制備系統(tǒng)組成。Na2CO3溶液通過定量給料裝置和溶液泵送到脫硫塔內(nèi)霧化器中，形成霧化液滴，與SO2發(fā)生反應(yīng)進行脫硫，脫硫效率可達90%。脫硫劑噴入裝置與系統(tǒng)進出口SO2濃度聯(lián)鎖，隨焦爐煙氣量及SO2濃度的變化自動調(diào)整脫硫劑噴入量。
核心設(shè)備為煙氣除塵、脫硝及其熱解析一體化裝置，包括由下至上集成在一個塔體內(nèi)的除塵凈化段、解析噴氨混合段和脫硝反應(yīng)段。
氨系統(tǒng)負責(zé)為煙氣脫硝提供還原劑，可使用液氨或氨水蒸發(fā)為氨氣使用。
熱解析系統(tǒng)負責(zé)為脫硝裝置內(nèi)的催化劑提供380-400℃高溫解析氣體，分解黏附在催化劑表面的硫酸氫銨，凈化催化劑表面。
3.工藝特點
①半干法脫硫設(shè)置在脫硝前，將煙氣中的SO2含量脫除至30mg/Nm3以下，以保證后續(xù)的高效脫硝。
②煙氣脫硫、除塵、脫硝、催化劑熱解析再生一體化，節(jié)省投資、運行費用低、占地面積少。
③脫硝前先除塵，以減少粉塵對催化劑的磨損、延長催化劑使用壽命。
④通過除塵濾袋過濾層和混合均流結(jié)構(gòu)體的均壓作用，使煙氣速度場、溫度場分布更加均勻，可提高脫硝效率。
⑤氨氣通過網(wǎng)格狀分布的噴氨口噴入裝置內(nèi)，高溫?zé)峤馕鰵怏w通過孔板送風(fēng)口送入煙氣中，使氨氣與煙氣、高溫?zé)峤馕鰵怏w與煙氣接觸更充分，混合更均勻。
⑥在不影響正常運行的條件下，可在線利用高溫?zé)煔夥纸獯呋瘎┍砻骛ば晕镔|(zhì)，提高脫硝催化效率和催化劑使用壽命。
⑦省略傳統(tǒng)工藝中的催化劑清灰系統(tǒng)。
⑧煙氣通過濾袋在過濾過程中，與濾袋外表面濾下的未反應(yīng)脫硫劑充分接觸，進一步提高煙氣的脫硫效率。
⑨半干法脫硫溫降小(<30℃)，除塵脫硝一體化縮短流程，減小整體溫降，回送煙氣溫度大于150℃，滿足煙囪熱備要求。
⑩煙氣在高于煙氣露點溫度的干工況下運行，不存在結(jié)露腐蝕的危險，無需做特殊內(nèi)防腐處理。
4.投資與操作成本
投資成本約為35-45元/噸焦，操作成本約為12.6元/噸焦。
加熱焦爐煙氣+高溫催化還原脫硝工藝
1.脫硝原理
在催化劑存在的條件下，煙氣中NOx與噴入的氨發(fā)生還原反應(yīng)，生成N2和H2O，實現(xiàn)脫除NOx。反應(yīng)溫度通常在290-420℃之間，脫硝反應(yīng)式為：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(1)
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O(2)
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O(3)
式(1)和式(3)是主要反應(yīng)，因為煙氣中90%以上NOx是以NO形式存在。
2.脫硝工藝流程
用主抽風(fēng)機從焦爐總煙道引出原煙氣，經(jīng)過GGH換熱或加熱爐加熱至320℃(加熱爐用焦爐煤氣加熱)。熱煙氣進入SCR反應(yīng)器，與加入的脫硝劑(液氨)在催化劑作用下進行選擇性還原反應(yīng)，達到高效脫硝目的。脫硝后的潔凈煙氣進入GGH，加熱原煙氣，從GGH出來的潔凈煙氣經(jīng)余熱鍋爐加熱冷水，回收熱能后，進入煙囪排至大氣(見圖2)。
該脫硝工藝裝置主要由GGH(煙氣-煙氣換熱器)、煙氣加熱爐、余熱鍋爐、SCR反應(yīng)器、氨站等組成。
圖2加熱焦爐煙氣+高溫催化還原脫硝工藝流程示意
SICS法催化氧化(有機催化法)脫硫脫硝工藝
1.有機催化法脫硫脫硝原理
利用有機催化劑L中的分子片段與亞硫酸結(jié)合形成穩(wěn)定的共價化合物，有效地抑制不穩(wěn)定的亞硫酸的逆向分解，并促進它們被持續(xù)氧化成硫酸，催化劑隨即與之分離。生成的硫酸在塔底與加入的堿性物質(zhì)如氨水等快速生成高品質(zhì)的硫酸銨化肥，其反應(yīng)原理和過程與工業(yè)硫酸銨化肥的生產(chǎn)相似。該過程反應(yīng)式如下：
SO2+H2O→H2SO3(1)
H2SO3+L→L˙H2SO3(2)
L˙H2SO3+O2→L+H2SO4(3)
H2SO4+NH3→(NH4)2SO4(4)
脫硝與脫硫原理相類似，當加入強氧化劑(臭氧或雙氧水)時，NO轉(zhuǎn)化為易溶于水的高價氮氧化物生成亞硝酸(HNO2)。有機催化劑促進它們被持續(xù)氧化成硝酸，隨即與之分離。加入堿性中和劑(氨水)后可制成***化肥。該過程反應(yīng)式如下：
NO+O3→NO2(5)
NO2+H2O→HNO2(6)
HNO2+L→L˙HNO2(7)
L˙HNO2+O2→L+HNO3(8)
HNO3+NH3→NH4NO3(9)
2.工藝流程
焦爐煙氣先經(jīng)過臭氧氧化，煙氣溫度小于150℃，然后進入脫硫塔，煙氣中的SO2和NOx溶解在水里分別生成H2SO3和HNO2。有機催化劑捕捉以上兩種不穩(wěn)定物質(zhì)后形成穩(wěn)定的絡(luò)合物L(fēng)?H2SO3和L?HNO2，并促使它們被持續(xù)氧化成H2SO4和HNO3，催化劑隨即與之分離。生成的H2SO4和HNO3很容易被堿性溶液吸收，這樣就在一個吸收塔內(nèi)同時完成了脫硫和脫硝(見圖3)。
圖3SICS法催化氧化(有機催化法)脫硫脫硝工藝流程示意
在臭氧氧化時，要求煙氣溫度小于150℃，所以需要對原煙氣進行噴水降溫。脫硫可以用任何堿液作為吸收劑，該工藝采用氨水做吸收劑。洗滌后的煙氣通過填料層、二級除霧器除去水滴后，回送至焦爐煙囪直接排放至大氣。
脫硫后的主要副產(chǎn)物為硫酸銨，脫硝后的主要副產(chǎn)物為***。當吸收塔內(nèi)脫硫脫硝后的組合溶液中化肥濃度達到30%左右時，由泵排出組合溶液至分離設(shè)備，將催化劑、灰塵和組合溶液分離。分離后的催化劑返回吸收塔循環(huán)使用，灰渣脫水后外排，而組合溶液進入換熱器升溫，然后由干燥機結(jié)晶，成為合格的硫酸銨和***化肥。
該工藝主要由以下系統(tǒng)組成：
煙氣系統(tǒng)：由焦爐引出焦爐煙氣，經(jīng)過化肥液體及噴水降溫，由200℃降低到150℃以下，以適應(yīng)臭氧反應(yīng)溫度低于150℃的要求。
吸收系統(tǒng)：煙氣自下而上進入吸收塔，循環(huán)漿液自上而下噴淋，煙氣和循環(huán)漿液直接接觸，完成捕捉過程，處理后的潔凈氣體經(jīng)過除霧器除霧后，排至煙囪。
脫硝氧化系統(tǒng)：煙氣中的NO不溶于水，很難被堿性溶液吸收，必須將其氧化成為高價易溶解的氮氧化物，方可被吸收，脫硝氧化系統(tǒng)提供能氧化NO氣體的氧化劑——臭氧。臭氧經(jīng)過煙道內(nèi)混合器后與煙氣中的NO充分混合，將其氧化成易溶解的氮氧化物，進入吸收塔后被吸收得以去除。
鹽液分離及化肥回收系統(tǒng)：吸收塔里漿液化肥濃度達到30%左右時，開啟漿液排出泵，將其送入過濾器，分離出其中的灰塵。然后漿液進入分離器，將有機催化劑和鹽液分開。催化劑返回吸收系統(tǒng)循環(huán)利用，鹽液則進入化肥回收系統(tǒng)。
氨水儲存供給系統(tǒng)：將氨送入吸收塔進行脫硫脫硝。
催化劑供給系統(tǒng)：捕捉漿液中不穩(wěn)定的H2SO3和HNO2后形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，在氧化空氣下被持續(xù)氧化成H2SO4和H2NO3，很容易被堿性溶液吸收，生成硫酸銨和***。
3.工藝特點
1)脫硫效率>99%，脫硝效率>85%;氨回收利用率>99.0%。氨逃逸率<1%，而普通氨法脫硫只能控制在5%-10%以上。
2)在同一系統(tǒng)中可同時實現(xiàn)脫硫、脫硝、脫重金屬汞、二次除塵等多種煙氣減排效果。
3)對煙氣硫分適應(yīng)強，可用于150-10000mg/Nm3甚至更高的硫分，因此，可使用高硫煤降低成本。
4)整個過程無廢水和廢渣排放，不產(chǎn)生二次污染。同時凈煙氣中NH3含量小于8mg/Nm3(完全滿足環(huán)保部NH3<10mg/Nm3的要求)。
5)催化劑使用壽命可長達15年。
6)運行成本低(據(jù)某鋼廠統(tǒng)計噸焦運行成本不超過2元)。
7)通過增加催化劑，提高亞硫酸銨的氧化效率，運行pH值低于氨法脫硫，能有效抑制氨的逃逸(≤能有效抑)。
8)可實現(xiàn)焦爐煙氣低溫脫硝(目前國內(nèi)普遍使用的SCR屬于高溫脫硝)，減少對設(shè)備的腐蝕。
9)對煙氣條件的波動性有較強的適應(yīng)能力。
10)副產(chǎn)品硫銨質(zhì)量達標，且穩(wěn)定。
4.投資與操作成本
對于110萬噸/年焦炭產(chǎn)能，SICS裝置的運行消耗指標、投資費用及操作成本見表1。
表1SICS裝置運行消耗指標、投資及成本(年產(chǎn)焦炭110萬噸)
活性炭/焦脫硫脫硝工藝
1.活性炭/焦脫硫脫硝原理
根據(jù)活性焦的吸附特性和催化特性，煙氣中SO2、O2及水蒸氣分別吸附在活性焦表面，經(jīng)過表面反應(yīng)生成H2SO4吸附在活性焦微孔中，從而達到煙氣脫硫的效果。
2SO2+O2+2H2O→2H2SO(1)
活性焦脫硝主要利用活性焦的催化性能進行選擇性催化還原(SCR)反應(yīng)，在還原劑(NH3)的作用下將NO還原為N2。
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(2)
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O(3)
活性焦再生機理：將吸附SO2飽和的活性焦加熱到400-500℃，蓄積在活性焦中的硫酸或硫酸鹽分解脫附，產(chǎn)生的主要分解物是SO2、N2、CO2、H2O，其物理形態(tài)為高濃度SO2的氣體。主要反應(yīng)是硫酸與活性焦反應(yīng)：
2H2SO4+C→2SO2+CO2+2H2O(4)
再生反應(yīng)能夠恢復(fù)活性焦的活性，而且其吸附和催化能力不但不會降低，還會得到提高。
副產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化利用：活性焦再生所產(chǎn)生的高濃度SO2氣體，其體積濃度達到20%-30%，高于現(xiàn)有硫酸生產(chǎn)中采用硫磺、硫鐵礦燃燒所產(chǎn)生的SO2氣體濃度，可以用來生產(chǎn)濃硫酸、稀硫酸(70%)、硫磺、液態(tài)二氧化硫、亞硫酸銨、亞硫酸鈉等。
2.工藝流程
焦爐煙氣在煙道總翻板閥前被引風(fēng)機抽取進入余熱鍋爐，煙氣溫度從180℃降低至140℃，然后進入活性炭脫硫脫硝塔，在塔內(nèi)先脫硫、后脫硝，煙氣從塔頂出來經(jīng)引風(fēng)機送回?zé)焽枧欧?見圖1)。從塔底部出來的飽和活性炭進入解析塔，SO2等氣體出來后送化工專業(yè)處理，再生后的活性炭重新送入反應(yīng)塔循環(huán)使用。
該工藝主要由熱力余熱鍋爐、活性炭脫硫脫硝塔、引風(fēng)機、解析塔、熱風(fēng)爐及氨系統(tǒng)等組成。
3.工藝特點
1)SO2脫除效率可達98%以上，NOx脫除效率可達80%以上，同時粉塵含量小于15mg/m3。
2)實現(xiàn)脫除SO2、NOx和粉塵一體化，脫硫脫硝共用一套裝置。
3)煙氣脫硫反應(yīng)在120-180℃進行，脫硫后煙氣排放溫度120℃以上，不需增加煙氣再熱系統(tǒng)。
4)運行費用低，維護方便，系統(tǒng)能耗低(每萬立方米焦爐煙道氣耗能約2.51kgce，相當于噸焦脫硫脫硝耗能為0.587kgce)。
5)工況適應(yīng)性強，基本不消耗水，適用于水資源缺乏地區(qū);能適應(yīng)負荷和煤種的變化，活性焦來源廣泛。
6)無廢水、廢渣、廢氣等二次污染產(chǎn)生;資源回收、副產(chǎn)品便于綜合利用。
4.投資與操作成本
兩套活性炭焦爐煙道氣凈化裝置(處理煙氣量2×40m3/h、年焦炭產(chǎn)能2×150萬噸)的工程投資費用為1.05億元，噸焦投資成本約為35元;噸焦脫硫脫硝操作成本約為13元。
以上焦爐煙氣脫硫脫硝工藝技術(shù)的噸焦投資成本和操作成本的對比
