活性焦烟气治理技术主要设备的选型比较

魏 星,唐夕山

（上海克硫环保科技股份有限公司,上海市　201203）

活性焦烟气治理技术主要设备的选型比较

魏 星,唐夕山

（上海克硫环保科技股份有限公司,上海市201203）

在简要介绍活性焦烟气治理技术和工艺流程的基础上,重点对脱硫塔和再生塔两个核心设备进行了研究。分别从国内外的应用业绩情况、应用实例、技术发展成熟性和经济性等方面对错流床脱硫塔和逆流床脱硫塔、间接换热再生塔和直接换热再生塔进行了对比。从对比结果来看,在核心设备的选择上,建议采用错流床脱硫塔和间接换热再生塔。

活性焦；错流床；脱硫塔；间接换热；再生塔

活性焦烟气治理技术是一种可资源化的干法烟气净化技术,该技术的主要功能包括：脱除SO2、脱除NOx、脱除颗粒物、脱除二噁英和脱除汞等重金属[1]。该技术利用活性焦的吸附功能,吸附脱除烟气中的SO2,完成吸附后的活性焦通过加热方式再生,解吸出高浓度SO2气体,可直接制取商品硫酸,从而实现硫的资源化；利用活性焦的催化功能,按适量氨氮比加入氨,可将烟气中的NOx还原成N2和水,脱硝效率可达70%以上[2-3]。此外,该技术对烟气中的重金属、二噁英均有较好的脱除效果,脱除过程没有废水、废渣产生,是彻底解决环保问题的先进烟气净化技术[4-5]。本文将针对活性焦脱硫工艺技术,对比主要设备不同型式的优劣。

1　工艺流程

活性焦脱硫系统主要由3个子系统组成[4],包括活性焦吸附系统、活性焦解吸系统和活性焦输送系统,全系统的典型工艺流程见图1。

图1　活性焦脱硫系统的典型工艺流程

活性焦吸附系统的主要设备是脱硫塔。需要净化处理的烟气进入脱硫塔,烟气中的SO2在活性焦吸附层内被吸附,达标烟气由脱硫塔出气室离开系统,进入烟囱排放。

活性焦解吸系统的主要设备是再生塔。在脱硫塔内吸附饱和的活性焦进入再生塔后,被加热到再生温度,发生解吸反应,释放出含高浓度SO2的再生气,送去制酸系统,实现循环利用。再生后的活性焦恢复吸附活性,再被冷却到吸附温度,离开再生塔。

活性焦输送系统主要设备有卸料器、提升机和振动筛。活性焦为颗粒状固体,在脱硫塔和再生塔内依靠重力自上而下缓慢流动；采用密封且防剪切的活性焦脱硫专用卸料器,实现脱硫塔/再生塔的顶部进料和底部排料；采用封闭的内部没有相对运动的提升机,实现活性焦在脱硫塔和再生塔之间的互相转运；采用振动筛筛分出系统运行产生的活性焦粉尘,保证脱硫塔床层阻力不超过设计范围。

活性焦输送系统设备数量较多,但均为通用设备,选型相对不难。而活性焦脱硫系统最重要的两个核心设备脱硫塔和再生塔的设计选型优劣情况,决定了整套装置的烟气治理效果和运行的可靠性,因此是全套装置的关键所在。下面分别对这两个设备的设计选型和应用情况进行研究。

2　脱硫塔

脱硫塔是活性焦吸附系统的关键设备,通常采用移动床形式。移动床可分为错流床和逆流床两种形式,在重力作用下,活性焦在脱硫塔内垂直方向缓慢向下移动,烟气水平方向垂直穿过活性焦床层的为错流床,烟气自下而上平行穿过活性焦床层的为逆流床。

由于错流移动双级床结构成熟可靠,目前国内建设的活性焦烟气净化装置均采用错流床结构脱硫塔,国外的活性焦烟气净化装置亦是如此,而逆流床脱硫塔在国外的应用实例极少。双级床结构示意见图2。

图2　错流床结构示意

烟气首先通过下部的一级活性焦吸附床层,大部分SO2被吸附脱除,再由过渡气室进入上部的二级吸附床层,充分净化后的达标烟气离开脱硫塔进入烟囱排放。活性焦在自身重力作用下由二级吸附床层的顶部缓慢移动到一级吸附床层的底部[6]。在两级床层的中部采用了特殊的结构形式实现锁气,保证最终的尾排烟气中污染物浓度不会超标。

烟气与活性焦的接触面上需要透气性很好的格栅板等结构形式,降低烟气阻力。错流床脱硫塔的格栅承受的是活性焦的侧压力,受力相对较小,结构安全,同时烟气中的粉尘会随着活性焦一起从底部排出脱硫塔,格栅容易检修维护,应用成熟可靠；逆流床脱硫塔的布气布料构件承受的是活性焦垂直压力,受力较大,同时烟气中的粉尘容易堵塞布气通道,必须将脱硫塔内所有活性焦清空后才能检修布气布料构件,维护工作量大。

错流床布气结构与布料结构相互独立,结构简单,烟气均布效果良好,同时采用百叶窗式布料结构,应用成熟可靠。而逆流床脱硫塔的布气需采用多层布气布料板,结构比较复杂,布气结构与布料结构相关联,较为复杂,气流容易产生返混,较难实现气流均布,特别是还具有塌床的风险,影响主系统的正常生产,甚至可能造成停产。

实践证明,错流床脱硫塔可较好地适应烟气流量和SO2浓度的波动。以某公司环集脱硫装置为例,环集烟气每8 h一个波动周期,波动非常频繁,DCS上的单月运行数据见图3[7]。

图3　环集脱硫装置单月运行数据

由图3可以看出,在进口SO2浓度最高超过6 000 mg/Nm3的情况下,出口SO2浓度最高不超过200 mg/Nm3,平均出口SO2浓度60 mg/Nm3。同时,错流床脱硫塔可通过降低活性焦粒径,提高反应速度,提高脱硫效率,进一步降低排放尾气中的SO2浓度,以应对更高要求的环保排放标准。而对于逆流床脱硫塔,如果出现因生产状况变化引起的系统负荷变化,可通过调整床层厚度来适应,但对于频繁的周期波动,逆流床脱硫塔则不能做到动态调节,对于更高要求的环保排放标准,则需要在设计阶段就考虑装置建设有一定的余量。

错流床脱硫塔底部排出的活性焦硫容较低,活性焦利用率相对较低,但通过采用双级床脱硫塔,可以大大提高活性焦的有效硫容,使脱硫塔出口的活性焦基本可以达到吸附饱和。逆流床脱硫塔底部排出的活性焦硫容理论上可以达到饱和,活性焦利用率相对较高,因此逆流床脱硫塔的活性焦消耗量理论上应相对较低。但由于逆流床脱硫塔仍缺少足够的实践应用经验,因此仅从公开资料对比来看,错流床脱硫塔的活性焦消耗量远低于逆流床脱硫塔。

由以上对比分析可知,错流床优势明显,技术发展成熟可靠,在国内、国外均具有丰富运行经验,且应用非常成功。

3　再生塔

再生塔为活性焦解吸系统的关键设备。从活性焦在再生塔内需完成从低温到高温的加热过程以及从高温到低温的冷却过程所采取的换热形式分：采用管壳式换热器,气体与活性焦不直接接触换热的是间接换热式再生塔；气体与活性焦直接接触换热的是直接换热式再生塔。

国内建设的活性焦烟气净化装置均采用间接换热形式再生塔,国外的活性焦烟气净化装置也是绝大部分采用间接换热形式,该技术成熟可靠；而逆流床脱硫塔在国外的应用实例极少。

再生塔内的活性焦温度需达到350℃才能充分再生,为了节约运行费用,一般采用可燃气体作为加热再生的热源。采用间接加热方式的再生塔为通过管壳式换热器加热活性焦,管程为活性焦,壳程为可燃气体充分燃烧产生的高温烟气,即使出现可燃气体不完全燃烧时也不会和活性焦接触,甚至是当局部换热管泄漏时也只有局部活性焦会和高温烟气接触；而采用直接换热方式的再生塔,当出现可燃气体不完全燃烧时,活性焦将和高温烟气甚至可燃气体直接接触,存在超温燃烧的风险,而且将引起大面积的区域性燃烧,安全隐患较大。

采用间接加热方式的再生塔,通过换热风机带动换热气体流动,操作便利。而采用直接加热方式的再生塔,需严格控制再生塔内各段的压力。大型再生塔内充满活性焦,整个塔体并不是一个理想的等压腔,根据现场实践经验,再生塔内部不同位置处的压差可以达到200 Pa以上,因此依靠压力调节的方式操作性较差。

间接换热形式再生塔的传热系数较低,换热面积相对较大,但采用换热气体循环利用可以大大提高能量利用效率,有效降低能耗,基本接近直接换热的水平；直接换热形式再生塔的传热系数较高,换热面积相对较小,再生能耗相对较低。

由以上对比可知,间接换热再生塔优势明显,技术发展成熟可靠,在国内外均具有丰富运行经验,且应用非常成功。

4　结论

现阶段,活性焦烟气治理技术已逐步得到国内多个行业设计院以及若干企业的认可,应用将越来越广泛[8]。国产化活性焦烟气治理技术经过十几年的发展,系统技术和设备设计均已经成熟,尤其是在对脱硫塔和再生塔这两个核心设备的研究上,已达到相当完善的程度。因此,在核心设备的选择上,综合多方面因素对比,建议采用在国内、国外均具有丰富运行经验且应用非常成功的错流床脱硫塔和间接换热再生塔。

[1]魏星,翟尚鹏,刘静.活性焦烟气脱硫技术在有色行业的推广应用[J].污染防治技术,2011,24（5）:14-16.

[2]曾艳,高继贤,翟尚鹏,等.活性焦干法在金川镍熔铸烟气脱硫中的应用[J].有色冶金设计与研究,2012,33（4）：17-19.

[3]李健,高继贤,张青,等.贵溪铜冶炼环集烟气的活性焦脱硫工程应用[J].有色冶金设计与研究,2011,32（2）：19-21.

[4]唐夕山,魏星,翟尚鹏.活性焦法治理烧结烟气技术探讨[C]//2013年全国烧结烟气综合治理技术研讨会论文集,2013:30-34.

[5]吴涛.活性焦联合脱除烟气中SO2和NO机理研究[D].煤科总院煤化工研究分院.2010.

[6]翟尚鹏,刘静,辛昌霞 等.移动床活性焦烟气脱硫与除尘中试研究[J].环境科学,2006,27(5)：850-854.

[7]魏星,唐夕山.活性焦烟气治理技术在我国的发展与应用[C].//钢铁工业大气污染物防治国际研讨会论文集,2014:179-182.

[8]高继贤,刘 静,翟尚鹏,等.活性焦脱硫技术在我国有色冶金行业的应用与研究[J].有色冶金设计与研究,2012,33（1）：24-28.

Type Selection and Comparison of Main Equipments on Activated Coke Flue Gas Treatment Technology

WEI Xing,TANG Xishan
(Shanghai Clear Science&Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201203,China)

On the basis of introducing activated coke flue gas treatment technology and process flow,the paper mainly researches desulphurization tower and regeneration tower.The paper compares cross-flow bed desulphurization tower,counter-flow bed desulphurization tower,indirect heat exchange regeneration tower and direct heat exchange regeneration tower from the aspects of condition of application activities,application examples,maturity and economy of technical development.It can be seen from the comparison that cross-flow bed desulphurization tower and indirect heat exchange regeneration tower are suggested in selection of key equipments.

activated coke;cross-flow bed;desulphurization tower;indirect heat exchange;regeneration tower

X701.3

B

1004-4345(2015)04-0027-03

2015-01-30

国家高技术研究发展计划（863）项目（2011AA060803）。

魏星（1981—）,男,工程师,主要从事大气污染物治理的研究工作。