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逆流活性炭烟气净化装置关键技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-10-06  作者:宋清明,代 兵  浏览次数:406
 
核心提示:摘要: 介绍了河钢邯钢响应国家减排号召,在 2# 435 m2 烧结机上进行的国内首套逆流活性炭烟气净化装置的研究与应用情况。该逆流吸附装置中进行了多项关键技术研究与应用,具体包括: 脱硫区和脱硝 区分离吸附技术、模块叠加技术、模块离线技术、多点喷氨与混匀一体化技术、活性炭静态分拣技术等。烟气净化装置应用后,具有处理烧结烟气 150 万 Nm3/ h 的能力,烟气排放指标达到了国家现行超低排放要求。 关键词: 烧结烟气;逆流;活性炭;脱硫脱硝分离;模块叠加和离线技术;多点喷氨与混匀一体化;静态分拣
 逆流活性炭烟气净化装置关键技术

宋清明,代 兵

(河钢集团邯钢设计院,河北 邯郸 056015)

摘要: 介绍了河钢邯钢响应国家减排号召,在 2# 435 m2 烧结机上进行的国内首套逆流活性炭烟气净化装置的研究与应用情况。该逆流吸附装置中进行了多项关键技术研究与应用,具体包括: 脱硫区和脱硝 区分离吸附技术、模块叠加技术、模块离线技术、多点喷氨与混匀一体化技术、活性炭静态分拣技术等。烟气净化装置应用后,具有处理烧结烟气 150 万 Nm3/ h 的能力,烟气排放指标达到了国家现行超低排放要求。

关键词: 烧结烟气;逆流;活性炭;脱硫脱硝分离;模块叠加和离线技术;多点喷氨与混匀一体化;静态分拣

0  引言

京津冀地区是我国钢铁工业最集中的地区之一。在钢铁工业中,烧结工序产生的颗粒物、SO2、NOx 和二噁英等污染物分别约占钢铁生产总排放量的 40% 、60% 、30% 和 95% ,是钢铁生产中最主要的污染物产生环节。

进入“十三五”以来,随着国家减排指标越来越严格,除了严格要求 SO2 和颗粒物的排放指标外,已经进一步要求 NOx、二噁英、重金属等减排指标。

借鉴发达国家烧结烟气治理的经验: 活性炭一体化净化技术能同时脱除 SO2、NOx、二噁英、重金属及粉尘等多种污染物,并且能回收硫资源,是一种较为理想的资源回收型综合烟气治理技术。之前,在我国太钢、永钢、日钢、宝钢等企业进行了错流活性炭技术的运用,运行情况表明单级活性炭错流吸附工艺对烧结烟气中污染物的净化水平还难以达到超低排放的要求。

河钢邯钢通过对欧洲企业考察得到的启迪,逆流吸附技术具有极高的污染物脱除率,结合国内错流工艺生产实践经验,开发国产活性炭逆流吸附技术实现污染物的超低排放具有可行性。鉴于此情况,河钢邯钢于 2015 年 6 月成立了项目组,决定在2# 435 m2烧结机上进行国内首套逆流式活性炭净化装置的研究与开发。

1 技术方案

1.1 逆流烟气吸附装置

逆流技术相比于错流技术,除气相与固相接触的动力学优势外,要实现 SO2≤35 mg /Nm3、NOx≤50 mg /Nm3、颗粒物≤10 mg /Nm3的超低排放指标,需把烟气中各种污染物的高效吸附和污染物的超低排放做为研究重点。为此,在逆流吸附装置的研制中进行了如下攻关。

1. 1.1 脱硝反应区与脱硫吸附区分离

通过调研和理论分析,在吸附装置中把脱硫、脱硝两段任务,分 2 个步骤完成烟气净化。即在第一个活性炭床层进行粉尘、二噁英、重金属、SO2、卤化物的脱除,烟气分离出来再进入下一个活性炭床层完成脱硝任务。该方案可以充分发挥两个工艺过程的协同优势,有利于提升污染物的脱除效率。脱硝反应区与脱硫吸附区分离示意图如图 1 所示。

图片1 

为实现脱硫与脱硝分区完成,在脱硫与脱硝之间的有限空间内设置过渡区。过渡区采用活性炭排料漏斗组、配气格栅与布料管组集成布置的方式,具体技术方案如下。

(1) 脱硝段排料漏斗组。在吸附模块活性炭脱硝床层底部6.0 m × 6.6 m 的截面上,吸附模块设置为相互分隔的 110 个 0.56 m × 0.56 m 的排料大斗,每个排料大斗之上嵌入了 4 个 0.3m × 0.3m 的排料小斗。脱硝床层中的活性炭在重力作用下通过排料小斗、排料大斗,实现活性炭从脱硝段向脱硫段的排料功能。

(2) 配气格栅。排料大斗内侧与嵌入其内的小斗四周留有 30 mm 的环形缝隙,每个模块 6 0 m ×6.6 m 在截面上共计 440 个环形缝隙。密集、均匀分布的环形缝隙构成了配气格栅结构,如图 2 所示。这样,从吸附塔下部进入的烟气在压力的驱使下,通过配气格栅进入活性炭床层中,与模块中的活性炭逆流接触,实现烟气均匀配气功能。

图片2 

3) 脱硫段布料管组。吸附模块过渡段的每个排料大斗下部连接一段 0.12 m × 0.12 m 矩形管道,每个模块在 6.0 m × 6.6 m 截面上共有 110 个矩形管道,均匀布置的管道组构成下部活性炭床层的布料管组,管道下的活性炭形成自然堆角,完成脱硫床层的布料任务。

这样,排料漏斗组、配气格栅与布料管组实现了在脱硫脱硝过渡区有限空间内的集成布置,解决了脱硫区与脱硝区有效分离的难题。

1.1.2 活性炭的布料与排料装置

吸附塔箱体尺寸较大,水平截面达到 6.0 m ×6.6 m,截面上不同部位的活性炭移动速度不可能完全一致,极易导致活性炭的偏析,影响烟气分布的均匀性。项目组创新设计了可精细化控制的布料装置与推拉式排料装置,如图 3 所示。该装置解决了活性炭布料与排料偏析问题。

图片3 

在吸附塔每个模块顶部设有活性炭储料箱。活性炭靠重力从储料箱流入模块上部的布料斗,每个模块共由 106 个小布料斗组成,布料斗下面连接一段管道,活性炭经过管道并在管道的下口面自然堆积形成活性炭床层的顶面。从下逆流而上与活性炭经过充分接触并发生反应后的烟气也从该处与活性炭分离开来,该烟气为净烟气,进入与箱体相连的烟道中,自上而下的活性炭依次进入脱硝床层。

排料装置为气动活塞驱动,安装在吸附塔配气格栅板的下方,是吸附塔内唯一的运动机构。它带动整个卸料耙子做往复运动,每一次的排料可以使活性炭床层均匀地向下平移,整个床层截面垂直流动。床层上部的活性炭由储料箱经过布料斗自动补充到床层顶部,使活性炭床层高度始终保持稳定。

该装置应用后,吸附塔模块内床层布料与排料均匀、稳定,烟气分布均匀,无活性炭偏析现象。

1.2 模块组的上、下叠加技术

将传统平行布置的 2 个模块组进行上下叠加。上层模块组与下层模块组具有完全一样的装料、脱硝、喷氨、脱硫和排料等功能。模块组叠加以后活性炭装料系统和活性炭排料系统共用,实现吸附装置总占地面积减少 50% ,上部钢结构和下部钢结构数量减少 50% 。

图片4 

模块组上下叠加技术的主要难点是,解决模块组之间的活性炭输送通道的交叉与隔离、模块组之间进出烟气通道的交叉与隔离问题。为此进行了如下攻关:

(1) 上、下层模块组的排料、装料通道设置

位于上层的模块组,活性炭的进料口直接与顶部钢结构上的装料缓冲罐相连,实现活性炭的装料。活性炭的排料是从上层箱体底部卸料,下部由于布置有下层模块组,因此上层模块组的排料通道被下层模块组遮挡,无法实现上层模块组的排料。同理,下层模块组上部布置有上层模块组,因此下层模块组的装料通道也被上层模块组遮挡,无法实现下层模块组的装料。

为此,将上层模块组的箱体底部设置 4 个内置排料斗,排料斗与 4 根排料管道相连,4 根管道从下层模块组穿过,可以直接排到最下部的锁气斗中,实现了上层模块组的顺利排料。同理,下层模块组顶部缓冲斗上方设置 4 根装料管道,4 根管道从上层模块组穿过,可以直接与顶部的装料缓冲罐相连,实现了下层模块组的顺利装料。而4 根直径为 DN200mm 的管道,在 6 m × 6. 6 m 的模块截面上仅占 3‰ 的面积,不会对模块组活性炭床层造成影响。

(2) 共用锁气斗

上、下模块组的排料斗与原烟气进气烟道相连,内部为 3 500 ~ 4 500 Pa 的正压,如果排料斗中的活性炭直接排入链斗机中,烟气将随活性炭通道外泄而污染外部环境。为此开发了共用锁气斗,解决了活性炭外排时烟气密封难题,实现了上、下模块组共用 1 个卸料口,保证烟气密封不串流,实现了模块组的排料功能,同时降低了投资。

1.3 活性炭模块离线技术

将吸附塔分成 64 个独立模块,模块间均有独立的烟气切断阀门与活性炭切断阀门,如图 5 所示( 图中右侧模块为离线检修状态) 。当某一模块因某种原因需要维护时,可以切断该模块的烟气阀门与活性炭阀门,将该模块隔离出来,而其他模块仍正常工作,实现模块离线检修,完成检修后,可以根据实际需要再重新投入系统中运行。

图片5 

另外,模块出现热点报警或烧结烟气量过低而打破模块内部热平衡时,同样通过切断该模块的烟气阀门与活性炭阀门,将该模块隔离出来,自动向模块内充 N2 进行保护,可防止活性炭温度持续升高引发安全事故。

活性炭模块离线检修技术可以将需检修的任何模块组离线,而不影响其他模块组的正常运行,吸附装置的理论作业率可达到 100% 。

1.4 多点喷氨与混匀一体化技术

国内脱硝技术通常利用液氨作为脱硝剂,液氨蒸发后转化为高纯度氨气,作为还原剂有效成分高、运行成本低。但液氨同时也是高危化品,气态时与空气混合易发生爆炸,其储存、运输环节均有极严格的要求。

针对上述问题,采用氨水替代液氨作为脱硝还原剂的技术思路。并通过烟气中水分对活性炭脱硝率的影响测试实验验证了该思路的可行性。通过研发氨水的高效汽化与稀释系统。以及多点喷氨与混匀技术,实现了以氨水为还原剂的高效脱硝技术。

(1) 氨水为脱硝还原剂的特点

项目组通过调研、分析,提出了以氨水作为脱硝还原剂的技术思路,并开展了烟气中水分对活性炭脱硝率的影响测试实验。

通过实验,将不同水分含量的实验结果绘制成NO 的还原曲线,如图 6 所示。

图片6 

实验结果表明: 采用 18% 的氨水作为还原剂,氨水气化为氨蒸气,由氨水气化后带入的水蒸气,仅会使烟气的含水量提高 0.39%,其带入烧结烟气的水分引起烟气含水量的变化对脱硝率的影响十分有限。

浓度为 18% ~ 25% 的氨水作为还原剂安全、有效,同时氨水具有浓度低、扩散范围小、浓度范围易控制、无需压力容器储存等优势,比较适合场地有限的企业使用。

(2) 氨水的高效汽化与稀释

①采用喷头高效雾化、高温稀释气化技术。在氨水气化炉周围设置了氨水喷枪,利于压缩空气对氨水高效雾化。雾化的氨水与气化炉顶部来自氨加热炉换热器的 500 ℃ 热空气逆向接触,使雾化氨水充分气化,沿气化炉从上至下经过气化、混匀等过程,并将氨气浓度降低到 5% 以下,稀释后的氨蒸气在 200 ℃左右被送到吸附塔喷氨区进行喷氨。

②采用带辐射换热器与列管式换热器的立式加热炉系统。可提供氨水气化与稀释所需要的 500 ℃热空气。

(3) 多点喷氨与混匀技术

在吸附塔 64 个模块中,每个模块均配置了 5 个喷枪,并创新性地在每个喷枪端部设置了氨气扩散圆盘( Φ 300 mm) ,圆盘下方 80 mm 处设有与喷枪一一对应的烟道支管。氨气通过喷枪沿圆盘径向扩散,同时脱硫后的烟气经烟道支管与喷枪圆盘充分接触,同样沿圆盘径向扩散。该方式下烟气无其他通道,烟气与氨气接触面显著增大,混匀效果更为理想。

1.5 静态分拣技术

活性炭作吸附剂的烟气净化装置要求活性炭床层具有良好的透气性,以降低系统阻力。随着工艺运行时间的增加,活性炭经过磨损和化学消耗,颗粒尺寸会越来越小。小颗粒及粉尘充斥在活性炭床层缝隙中会增大烟气阻力,如果分布不均匀还会形成偏析引起不稳定气流,增加系统的不稳定性,降低吸附效果。且活性炭粉容易堆积在吸附塔内,积热造成局部温度升高,形成热点,严重威胁工艺系统安全。一般采取的解决措施是在活性炭输送系统中设置一台高效平衡式振动筛,筛分出小颗粒活性炭,但由于活性炭粉尘和小颗粒比重较小,在除尘风的影响下,很难去除干净。

针对该情况,项目组研发了独特的活性炭风筛分拣装置,如图 7 所示。

图片7 

该装置工作过程为: 含粉的活性炭从给料装置的进料口进入,大小可调节,活性炭由自重沿进料管向下流动,散落在散料器顶部蘑菇头上向四周散落,再经过主分选、次分选实现活性炭的均匀离散分布,与逆流而上的热空气充分接触。在热空气流的带动下,活性炭中的粉尘、小颗粒逐步经过流化、悬浮、分离等过程,最终在气流的牵引作用下被分离出来。

该装置进风口带有调节阀门,通过调节进风的热空气流量,改变风筛内部气流速度,以达到将不同粒径的小颗粒活性炭分离的目的。此外,该装置入口热空气是利用解析塔废热烟气换热而来,充分利用了余热。活性炭经过风筛分拣后,小于等于 2.5 mm的小颗粒及粉尘含量降低到 0.1% 以下,保证了活性炭床层良好的透气性,降低活性炭床层阻力,减小 产生热点的可能性。

2  结语

项目于 2017 年 3 月 19 日在河钢邯钢 2 # 435m2烧结机上实施后,烧结烟气的各项排放指标达到了国内的最好水平,SO2≤5 mg /Nm3,NOx≤40 mg /Nm3,颗粒物≤10 mg /Nm3,低于国家超低的排放标准,实现了超低排放和绿色清洁生产。

逆流吸附装置是针对错流吸附工艺存在的一系列问题进行的创新,在充分利用了逆流技术在气固接触上的动力学优势基础上,为我国烧结烟气治理技术的发展与进步进行了有益探索与实践,对推动烧结烟气净化技术的升级,为京津冀地区乃至全国大气治理工作起到良好引领与示范作用。

 
 
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