中小企业烟气治理与节能降耗
2018-11-21魏发灿郑珦芊魏俊瑶
魏发灿,郑珦芊,王 娟,魏俊瑶
(郑州博发环保科技有限公司,新密 452370)
陶瓷、建材行业污染物治理仍然是工业领域绕不开的话题。随着我国供给侧改革的不断深入,针对陶瓷、建材行业污染治理、淘汰落后产能、错峰生产的开展,中小企业在环保节能措施上也在不断创新发展。传统三大污染(氮氧化物、硫化物、粉尘)如何进一步节能减排,成为当前中小企业亟待解决的问题。本文从现存的环保治理与节能降耗之间的联系角度进行浅析阐述。
1 窑炉烟气的组成及危害
窑炉排放的废气中含有大量的飘尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质。飘尘通常称为可吸入“微粒”,是物质燃烧时产生的颗粒状漂浮物,因其粒小体轻,故而能在大气中长期漂浮,并在大气中不断蓄积,与空气中的二氧化硫和氧气接触时能把二氧化硫带到人体肺叶深部,使毒性增加到3-4倍[2]。
二氧化硫是一种无色具有强烈刺激性气味的气体,易溶解于人体的血液,大气中二氧化硫会导致呼吸道炎症、支气管炎、肺气肿等。在氧化剂和光的作用下能生成硫酸盐气溶胶,使人致病,增加病人死亡率,而且二氧化硫对金属特别是对钢材的腐蚀,每年都给经济带来很大的损失。
空气组成中,氮气约占总量的72%。在高温环境中,氮气和氧气结合就生成热力型氮氧化物。氮氧化物主要包括:一氧化氮、二氧化氮和一氧化二氮等。氮氧化物是构成大气污染和产生光化学烟雾的根本物质之一,污染危害广泛,往往是全球性的,对人体健康、环境、生态的危害,以及对社会经济的破坏都很大。一氧化氮能使人中枢神经麻痹和窒息死亡。
2 现存窑炉烟气在除尘、脱硫、脱硝工艺中存在的问题及措施
2.1 除尘系统的现状
除尘系统主要由集气罩、风管、收尘器 、风机等组成。它的设计主要依据生产设备的排风量、温度、湿度、含尘浓度、密度及净化气体的排放标准和当地大气压等参数。而生产设备排风量因工艺、规格、用途不同差异很大,它对集气罩的设计和运行有较大的影响。据了解一些中小企业现用的集气罩存在设计不合理、制作不规范、有局部漏风、漏灰现象,横向风干扰控制不利、开口面积设计不规范、风量计算不准确等问题,造成集气罩不能形成良好的负压,除尘效果不理想。如若把设计计算和经验结合起来确定排风量则更具有实际意义。为此,首先选择最佳的排气罩形式,力求以最小的处理风量控制有害物;其次是除尘风管设计,部分中小企业在除尘管网设计上,主要存在以下问题:管道连接不规范、管径设计不合理、主风管与支风管夹角偏大、管道风速设计有误差,有的风速较小,易使管道积尘堵塞;有的风速较大,易使管道磨损,管网阻力不平衡,不仅增大了管网阻力,使设备投资过大,而且增加了系统能耗。
2.2 改进措施
根据设计规范,除尘系统的各支风管与主风管之间的不平衡压力差应小于10%[3],且支风管应尽量从侧面或上部与主风管连接,管道变径处要制作成渐扩(缩)管。三通夹角一般取15~30度,在除尘系统中管道内各截面气速是不等的,如除尘系统前,风管风速一般取18~22m/s,而除尘器后的排风管道内气体流速一般取8~10m/s[4],如果风速选择合理、管网阻力计算平衡、风量设计准确,则会降低系统的压损,达到节能降耗的效果。同时针对超低排放问题,可对原有除尘器的过滤风速和过滤面积做技术评估和改造。例如增加除尘室、增加除尘器高度等。在过滤面积和滤料选择方面做出适当调整,基本能够实现对粉尘排放的超低控制,同时注重无组织排放,如装车和包装环节粉尘治理。
2.3 烟气脱硫现状及节能降耗措施
2.3.1 SO2的来源
中材国际研究总院教授级高工刘瑞芝总结说,水泥窑炉SO2的来源主要是高硫原料(石灰石、黏土)和燃料等,因石灰石地域限制和品位降低,不得不适用高硫石灰石,其含硫量为0.2%~2.0%不等,而煤的含硫量在0.6%~1.5%,且石灰石用量约为煤的10倍,是二氧化硫高排放的主要原因[5]。
原料中硫化物为黄铁矿和白铁矿(两者均为FeS2),还有一些单硫化合物(如FeS),当原料中的部分低价硫化物进入回转窑时,在400℃左右,就开始氧化并释放出SO2,部分硫化物,如硫铁矿,会在500~600℃发生氧化生成SO2气体。原料中的硫酸盐矿物主要包括石膏(CaSO4·2H2O)和硬石膏(CaSO4),这两种矿物在常温下很稳定,在高温带分解出大量的SO2。
燃料中硫的存在形式和原料中的一样,有硫化物、硫酸盐及有机硫。燃料在回转窑中燃烧,低价态的硫化物,一部分直接氧化成SO3,并形成稳定的硫酸盐;另一部分则氧化成SO2,进入烟囱排放。
2.3.2 烟气脱硫现状
烟气脱硫(FGD)作为“末端控制”措施,是当今应用最广的有效技术,在二氧化硫(SO2)的减排技术中占有重要地位。FGD的目的是用化学方法除去烟气中的SO2而使烟气得以净化。迄今,经过实践检验的烟气脱硫工艺不下20种,真正适合用于中小工业窑炉烟气脱硫的却不多,因此必须根据其特点和具体实施的条件加以综合、分析和比较才能确定。在比较中,要强调因地、因厂、因窑制宜,不可随意、随机、随大流,必须严格执行有关排放标准和总量控制,应当立足于“短、易、实”,即短流程,易操作,实在有效。
2.3.3 烟气脱硫节能降耗措施
2.3.3.1 脱硫剂的更换
实际应用中,建材窑炉在脱硫工艺上盲目的照搬、模仿。如河南某水泥厂窑尾烟气流量41000Nm3/h,SO2排放浓度平均4500mg/m3,安装了一套钠碱法脱硫装置,脱硫剂为火碱(NaOH),运行期间火碱用量240kg/h左右,火碱价格约为4400元/吨,大大超出企业日常运行负担。
根据经验钠碱法脱硫工艺比较适用于烟气流量在5000Nm3/h以下的窑炉,为了使该企业节能降耗,结合现用脱硫工艺情况,在不增加额外投资的基础上,建议将脱硫剂更换为纯碱(Na2CO3),因纯碱价格是火碱的一半。
脱硫反应式:
2.3.3.2 废水治理利用
为提高脱硫效率降低成本,实现节能减排,将上式(3)产生的废水进行治理利用。
化学反应式:
NaHSO3+NaOH→Na2SO3+H2O
2NaHSO3+Na2CO3→2Na2SO3+H2O+CO2↑
生成的Na2SO3,可用于造纸、印染工业、食品工业、水处理工业。
2.3.3.3 抑制氧化,减少硫酸钠
因硫酸钠(Na2SO4)几乎完全丧失吸收SO2能力,为了不增加洗涤过程中的副反应(氧化反应)产生Na2SO4(硫酸钠),化学反应式:
Na2SO3+ 1/2O2→Na2SO4
NaHSO3+ 1/2O2→NaHSO4,
为减少Na2SO3的氧化,可在操作中添加阻氧化剂。
2.3.3.4 挖掘企业自身脱硫潜力
根据欧洲水泥协会颁布的BAT最佳范例技术推荐及郑州永高环保科技公司多年的水泥脱硫经验,针对水泥厂不同的工艺设计及运行工况,从挖掘水泥工艺自身的脱硫潜力及优化调整原料配料入手,如有窑尾增湿塔的,可在增湿塔上布置一定数量的喷枪,将浓度25%的Ca(OH)2水溶液,喷射到塔里,既能降低烟气温度和粉尘浓度,又能达到吸收SO2的目的;还可将窑尾一部分烟气(经热平衡计算后)通入生料磨,与大量的碱性生料混合,也能抑制最高50%-70%的SO2排放[6]。
总之选择脱硫方案需考虑以下几个要素:原料、燃料的性质和含硫量;当地环保部门对脱硫率的要求及建成后征收的SO2排放费用;烟气脱硫方案技术的成熟性、投资费及将来的运行维护费用;脱硫剂来源、价格及副产品的处理销售;脱硫装置占地和对原设备运行的影响。如果是在原有设施基础上增设脱硫装置,则在选择脱硫方案时尚需考虑由此引起的拆迁、改建、停产时间,以及整个脱硫工程的经济性、施工工期等方面因素,只有这样才能从根本上达到节能减排的目的。
3 烟气脱硝现状分析及问题处理
3.1 烟气中氮氧化物来源
烟气脱硝就是脱除废气中的氮氧化物(NOx),常用的方法有:选择性非催化还原技术(SNCR)、选择性催化还原技术(SCR)及分级燃烧技术。
根据测算,水泥行业氮氧化物的排放量占全国总量的10-12%[7],已是居火力发电,汽车尾气之后的第三大氮氧化物排放大户。水泥窑炉中氮氧化物的形成主要有三种:(1)热力型氮氧化物,它主要受温度、持续时间和氧气浓度的影响。温度越高、烟气在高温区反应的时间越长、氧气含量在一定范围内越高,则热力型氮氧化物生成的越多。(2)燃料型氮氧化物,主要是煤中的含氮化合物经热解后氧化生成燃料型氮氧化物,它的影响因素主要有:温度、煤中的含氮量、过剩空气系数、反应时间,在1200°以上温度越高、燃料煤中氮含量越高生成氮氧化物越多。(3)瞬时型氮氧化物,在还原气氛下并且相对过剩的时候,空气中的N2与煤燃烧过程中所产生的碳氢自由根(C-H)反应,中间经由氰化物快速生成瞬时型氮氧化物。
3.2 烟气脱硝技术比较
3.2.1 SCR脱硝工艺
SCR 还原剂为(氨水、液氨、尿素),反应温度(320~400℃),催化剂(TiO2、V2O5等重金属氧化物),对系统通风的影响大(即增加系统阻力),占地空间大,投资和运行成本高,且由于水泥工业烟气中烟尘量大,催化剂使用寿命会受到不利影响。造成催化剂中毒、堵塞失效。催化剂每立方价格在2万元左右,中小企业采用SCR脱硝还要面临催化剂成本问题[8]。
3.2.2 SNCR脱硝工艺
SNCR还原剂为(氨水、液氨、尿素),在炉膛850~1100℃这一狭窄的温度范围内,在无催化剂作用下,氨或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx,基本上不与烟气中的O2(氧气)反应,化学反应式。
氨为还原剂:NH3+NOx→N2+H20
尿素为还原剂:
CO(NH2)2→ 2NH2+ CO
NH2+NOx→ N2+ H20
CO+NOx→N2+CO2
当温度过高时,超过反应温度窗口时,氨就会被氧化成NOx:
NH3+O2→NOx+H20
SNCR工艺的NOx脱除效率主要取决于反应温度、NH3和NOx的化学计量比、混合程度、雾化粒度、反应时间等。研究表明SNCR工艺的温度控制至关重要。若温度过低,NH3的反应不完全,容易造成NH3逃逸,一般 SNCR工艺的逃逸氨一般控制在 5-10pmm。通常设计合理的SNCR工艺能达到70%的脱除效率,80%的效率也有文献报道[9]。
3.3 SNCR脱硝工艺还原剂选择及问题的处理
用于SNCR脱硝工艺中常使用的还原剂有尿素、液氨和氨水。
尿素(安全原料、便于运输、脱硝温度窗口较宽、尿素溶解要消耗一定热量);液氨(高危险性原料、运输储存成本高、有毒、易燃、易爆、储存的安全防护要求高);氨水(运输成本高、需要较大的储存罐、脱硝温度窗口较窄有恶臭,挥发性和腐蚀性强)。对中小建材行业建议使用尿素作为还原剂,尿素不易燃烧和爆炸,无色无味,运输、储存、使用比较简单安全;挥发性比氨水小,节省投资,对系统通风不影响,占地空间小。
尿素与NOx必须在很短的时间内完成反应,否则尿素就会流动到较低的温度区域,明显降低尿素还原NOx的反应程度。为了使尿素与NOx的反应在很短的时间内完成,必须对尿素溶液进行良好的雾化,雾化粒径为50μm,选定合适扬程和流量的动力泵,喷射泵最好选择变频泵,便于调节流量。同时在泵的出口选择比例阀,调节主管路上的流量和压力。喷嘴处的气体压力要和泵的压力匹配,其次应考虑喷嘴本身处于高温部位,应具有良好的耐热性能,不易被烧损。
在合适的温度范围内,NH3、尿素等还原剂与烟气的混合、水的蒸发、还原剂的分解和NOx的还原等步骤必须完成;停留时间的大小取决于炉体的气路尺寸和烟气气速;SNCR系统中,停留时间一般为0.001s~10s。还原剂必须与烟气分散和混合均匀;混合程度取决于炉的形状与气流的流场及喷枪布置形式。
4 结论
4.1 本文阐述的是烟气末端控制技术,根据燃烧过程NOx的生成和破坏的机理和特点,证明NOx的生成与燃烧方式和工况有关,其生成量取决于温度水平,此外还与空燃比、传热、煤种以及燃料、空气和燃烧中间产物的混合程度有关。
4.2 可以通过改善燃烧方式、改变陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥等热工窑炉运行条件等措施,降低NOx的生产量,即低NOx燃烧技术,主要包括低氧燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、低NOx燃烧器和低NOx炉膛设计等,这些是比较经济实用的减排途径。
4.3 在对NOx排放要求非常严格的国家(如德国和日本),均是先采用NOx燃烧技术,减少一半以上的NOx后再考虑进行末端控制技术即烟气脱硫脱硝,降低装置入口的SO2、NOx浓度,减少投资和运行费用,从而达到一定的减排目标。