触媒陶瓷滤管一体化干法烟气脱除技术在玻纤行业中的应用

2021-09-14胡殿芳程德义李金虎谷化强王慧敏

建材世界 2021年4期

胡殿芳，程德义，李金虎，谷化强，王慧敏

(1.中国耀华玻璃集团有限公司，秦皇岛 066000；2.中国建材国际工程集团有限公司，深圳 518054；3.中国建材国际工程集团有限公司，蚌埠 233010)

玻璃纤维是一种无机非金属材料，具有高耐热性、绝缘性、耐腐蚀性、拉伸强度高等多种优异性能，在很多领域可以代替水泥、钢、木材、PVC等多种传统材料，促进玻纤渗透率的提升[1]。玻璃纤维广泛应用于建筑、电子、环保、工业设备、风电等领域[2,3]。玻璃纤维种类繁多，它以石英砂、硼镁石、石灰石等多种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造而成[4,5]。2020年我国玻璃纤维纱总产量为541万t，同比增长2.64%。随着玻纤制造业的发展，对大气带来的污染也是相当严重。玻璃纤维窑炉燃烧产生的主要污染物为二氧化硫、氮氧化物、氟化物和粉尘等，直接排放对环境和人类带来巨大的危害[6]。因此，研究玻璃纤维及制品制造业污染物烟气治理技术具有重要意义。

目前，生态环境部发布玻璃纤维及制品行业执行的标准是《玻璃纤维及制品工业污染物排放标准(征求意见稿)》[7]，SO2排放限值为150 mg/m3，NOx排放限值为500 mg/m3，氟化物排放限值为5 mg/m3，粉尘排放限值为40 mg/m3。由于玻纤行业烟气量小、进口污染物SO2浓度高等特点，大多数玻璃纤维企业选用湿法工艺技术治理烟气，但烟气治理效果不理想，经常出现设备堵塞、设备腐蚀、场地异味大、运行和维护费用高、烟囱可视大量白烟等问题，最终无法适应日趋严格的环保标准要求[8]。所以必须选择合适的脱硫脱氟脱硝除尘技术对烟气进行综合处理，使烟气达标排放。

因此，该工程针对玻璃纤维窑炉烟气特点，采用触媒陶瓷纤维滤管脱硫脱氟脱硝除尘一体化干法烟气净化工艺装置。该装置具有占地面积小、使用寿命长、操作简单、运行和维护费用低等特点，并且该技术在平板玻璃行业也广泛应用[9]。

1 玻璃纤维窑炉烟气特点

1)烟气量较小。玻纤工业由于原料配料中使用量小，所以燃烧生成的烟气量比较小，烟气量一般低于20 000 Ndm3/h。

2)SO2浓度高。玻纤工业燃料含硫量高，导致玻璃纤维窑出口SO2浓度高，一般在1 500～4 000 mg/m3。

3)烟气中污染成分多。玻纤工业产生的主要废气有SO2、NOx、HF、HCl、CO2等有害气体。

4)烟气粉尘性质复杂。烟气中粉尘主要由金属氧化物、金属盐类及不完全燃烧等物质组成。

5)玻璃纤维窑内压力要求稳定。玻璃纤维制品生产时，必须保证窑炉内压力稳定，压力在(5±3)Pa[10]。

基于玻璃纤维窑炉烟气特点，该项目工程玻璃纤维窑出口烟气参数如表1所示。

表1 玻璃纤维窑出口烟气参数

2 触媒陶瓷滤管一体化干法烟气脱除技术应用

针对玻璃纤维窑烟气特点，该工程采用陶瓷滤管脱硝除尘+两级串联脱硫处理技术，即：第一级采用熟石灰干法脱硫+触媒陶瓷纤维滤管脱硝除尘，熟石灰进行脱氟脱硝处理，并辅助脱硫；第二级采用碳酸氢钠干法脱硫+布袋除尘器处理，碳酸氢钠作为脱硫剂进行深度脱硫，并辅助脱氟。

2.1 工艺流程介绍

工艺系统组成：干法脱硫系统、脱硫剂供应系统、氨水输送喷射系统、陶瓷滤管除尘器系统、低温锅炉系统、布袋除尘器系统、输灰系统、烟道系统。触媒陶瓷纤维滤管脱硫脱氟脱硝除尘一体化系统工艺流程图，如图1所示。

工艺流程：首先，在系统进口温度满足350～400 ℃条件下，高温余热锅炉烟气与喷入的氢氧化钙粉末充分混合后经过干法调质脱硫系统，进行脱硝脱氟处理并辅助脱硫。接着，烟气进入触媒陶瓷纤维滤管除尘器，烟气中的SO2与触媒陶瓷纤维滤管表面滤饼层反应可提高干法脱硫效率，同时与烟气中喷入的NH3和NOx在触媒陶瓷纤维滤管所负载的催化剂作用下，发生氧化还原反应，生成N2和H2O。其中，滤管除尘器灰斗下方的副产物进入循环灰系统，一方面可进一步提高脱硝脱氟脱硫效率，另一方面可节约物料控制成本。然后，烟气进入低温锅炉系统，保证低温锅炉出口烟气温度在150～200 ℃之间，一方面可以保护布袋除尘器中的布袋，提高使用寿命，另一方面低温锅炉产生的蒸汽可余热利用，蒸汽量为3.0 t/D。随后，烟气进入二级脱硫塔，在二级脱硫塔内完成SO2的深度脱硫，副产物经布袋除尘器收集。最后，净化后的烟气由引风机送入烟囱排入大气。

2.2 工艺原理

2.2.1 脱硫脱氟工艺原理

首先，通过石灰输送系统将石灰仓中的Ca(OH)2输送至一级脱硫塔与烟气中SO2等酸性物质反应，进行脱硝脱氟和辅助脱硫。脱氟效率可达90%，脱硫效率可达70%。接着，通过高效的NaHCO3喷射均布装置，将脱硫剂NaHCO3喷入二级脱硫塔内，NaHCO3在塔内被热激活，比表面积迅速增大，与烟气充分接触发生物理、化学反应，从而将烟气中的SO2等酸性物质吸收净化。脱硫效率可达95%，脱氟效率可达98%。

2.2.2 脱硝工艺原理

脱硝工艺采用选择性催化还原法。在陶瓷纤维滤管表面钒-钛系触媒催化剂作用下，以NH3作为脱硝还原剂，将烟气中的NOx还原成N2和H2O。该反应最佳温度为330～380 ℃。

触媒陶瓷纤维滤管粒径小，为纳米级，且滤管表面积大，增加了催化剂的活性表面积和反应速率，同时增加了烟气的停留时间，使脱硝效率大幅度提升。脱硝效率可达95%以上。

催化剂附着在陶瓷纤维滤管上，在滤管外层形成粉饼层，可降低重金属砷(As)、硒(Se)及汞(Hg)对催化剂的毒化作用。

2.2.3 除尘工艺原理

首先，经干法调质脱硫后的烟气进入触媒陶瓷纤维滤管除尘器，在陶瓷滤管表面形成残存层饼与颗粒层饼两层。其中，残存层饼紧贴陶瓷纤维滤管表面，厚度为1～2 mm，防止粉尘渗透到滤管，提高过滤效率；较外层的颗粒层饼可通过反向脉冲清洗，致使粉尘颗粒脱离，除掉的粉尘收集在除尘装置的料斗中，由气力输送系统送至干法脱硫塔前段烟道进行循环利用，进一步提高除尘效率。然后，经触媒陶瓷纤维滤管除尘器处理后的烟气进入布袋除尘器，颗粒大的粉尘由于重力作用沉降落入灰斗，较细小粉尘利用布袋纤维织物的过滤作用被阻留，最后烟气得到净化。除尘效率可达99.9%以上。

3 运行数据分析

该玻纤烟气治理项目采用触媒陶瓷纤维滤管脱硫脱氟脱硝除尘一体化技术对玻璃纤维窑出口烟气进行脱硫脱氟脱硝除尘处理后，系统运行稳定，效率高，达到设计要求与国家污染物标准排放限值。

3.1 脱硫剂对在线监测出口二氧化硫的影响

该项目工程采用陶瓷滤管脱硝除尘+两级串联脱硫处理技术，出于成本考虑，将氢氧化钙用量控制在200 kg/h，观察脱硫剂用量对在线监测出口SO2的影响。在线监测进口SO2浓度为1 500～4 000 mg/Nm3，从图2中可知，系统运行稳定，且氢氧化钙用量控制在200 kg/h，碳酸氢钠用量控制在50 kg/h左右时，污染物SO2浓度可控制在50 mg/Nm3以内，满足环保排放限值要求。该技术脱硫效果明显，可实现高浓度SO2超低排放，效率高达95%以上。

3.2 脱硝还原剂对在线监测出口氮氧化物的影响

从图3中可知，系统运行稳定，且氨水用量控制在55 kg/h左右时，污染物NOx浓度可控制在55 mg/Nm3以内，满足环保排放限值要求。该技术脱硝效率可达95%以上。

3.3 系统进出口污染物浓度数据分析

从表2中可知，玻纤窑炉入口SO2浓度相对较高，但经过触媒陶瓷纤维滤管脱硫脱氟脱硝除尘一体化干法烟气净化工艺装置处理后烟气在线监测出口SO2、NOx、粉尘、氟化物等污染物浓度远低于《玻璃纤维及制品工业污染物排放标准(征求意见稿)》(SO2排放限值为150 mg/m3，NOx排放限值为500 mg/m3，氟化物排放限值为5 mg/m3，粉尘排放限值为40 mg/m3)。其中，在线监测出口污染物SO2实现了超低排放。

表2 系统进出口污染物浓度数据分析

该项目工程通过长时间观察与试验，并结合污染物排放指标和成本考虑，将氢氧化钙用量控制在200 kg/h，碳酸氢钠用量50 kg/h，氨水用量55 kg/h，可使在线监测出口污染物SO2浓度控制在50 mg/m3以内，NOx浓度控制在55 mg/m3以内，氟化物浓度控制在5 mg/m3以内，粉尘浓度控制在10 mg/m3以内。