活性炭脱硫脱硝技术在烧结烟气治理中的应用

崔 岩，朱 繁，董艳苹，史 光，韩 钧，邱明英，王建华，张艺峰，史夏逸

（中冶京诚工程技术有限公司，北京100176）

近年来，随着国家环保政策的不断严格以及人们环保意识的不断增强，工业废气污染物的排放日益受到关注。随着火力发电行业污染物的治理完善，钢铁行业污染物的治理已成为当下的重点。2019年，生态环境部、国家发展改革委等五部门联合出台《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，要求推动现有钢铁企业超低排放改造。烧结作为钢铁行业烟气排放最大的工艺[1]，其污染物SO2，NOx，颗粒物的排放量分别约占钢铁行业总排放量的60%，50%和20%。因此，烧结污染物的治理是钢铁行业整体污染防治工作的重点和难点。唐山市作为全国的钢铁龙头城市，是中国钢铁产能最集中的区域，面对巨大的环境压力，唐山对某些搬迁及新建的钢铁企业要求烧结烟气污染物的排放执行超低排放指标，要求SO2，NOx和颗粒物等污染物质量浓度分别不高于 20，30，5 mg/m3。

超低排放甚至近零排放的环保需求，对烟气脱硫脱硝技术提出了更高的要求，环保效果好、经济效果好、运行稳定的脱硫脱硝技术可以更好地适应政策和市场的潮流和发展。

1 烧结烟气脱硫脱硝技术比选

对于烧结工艺而言，目前主流的脱硫脱硝技术有湿法脱硫+ SCR脱硝技术、半干法脱硫（以循环流化床脱硫技术为代表）+ SCR脱硝技术和活性炭脱硫脱硝技术。3种技术对比见表1。

从表1的技术对比来看，活性炭脱硫脱硝技术更适合处理烟气量大且波动大、温度变动大、SO2浓度差异大、NOx浓度低为特点的烧结烟气[2-4]，同时可协同处理烟气中的重金属、氟化物、二噁英等污染物，并且反应过程无固废产生。因此，活性炭脱硫脱硝技术更有利于实现烧结烟气污染物的全面脱除。

表1 烧结烟气主流脱硫脱硝技术对比

2 活性炭脱硫脱硝技术

活性炭脱硫脱硝系统主要由吸附、解吸和硫回收利用三部分组成。

2.1 脱硫剂活性炭

活性炭孔隙结构丰富、比表面积大，是一种具有很强吸附能力的材料；同时活性炭还具有丰富的含氧官能团[5]，使其具备一定的催化能力，是加速污染物与还原剂发生反应的载体。活性炭的主要原料为富含碳的有机材料，如煤、木材、椰壳、核桃壳等，综合考虑耐压强度、耐磨损度、孔隙度、脱硫脱硝能力等方面，目前工业使用的脱硫脱硝活性炭多为以煤为材料，经过高温加热活化，制成直径8~9 mm的圆柱状活性炭。

2.2 吸附

SO2的反应活性比NO的反应活性高很多，所以烧结烟气中的SO2会先被活性炭吸附。由于烧结烟气中含有一定比例的H2O和O2，部分SO2会和H2O和O2反应生成H2SO4，因此，活性炭对SO2的吸附过程既有物理吸附又有化学吸附，反应过程如下[6-7]：

活性炭脱硝过程是在脱硫后的烟气中喷入还原剂NH3，在活性炭的催化作用下，NH3与烟气中的NOx发生反应生成N2，反应原理如下：

2.3 解吸

解吸过程是活性炭再生的过程。脱硫脱硝后的活性炭达到饱和吸附状态，吸附和反应能力下降，需要进入解吸塔内定期加热再生（解吸温度350~400 ℃），将吸附于活性炭微孔中的污染物、硫化物等物质高温解吸出来，实现活性炭的再生。再生的活性炭冷却降温后用振动筛筛分，将细小活性炭和粉尘除去，筛分后的活性炭回到吸附塔循环使用。

解吸过程中活性炭的加热和冷却一般采用管式换热器。冷却段换热器利用环境空气进行冷却，冷却器出口被活性炭加热的空气进入活性炭加热段换热器用于加热活性炭。通过调节冷却风风门调节冷却风量，控制冷却器出口活性炭的温度。加热段换热器以冷区段出口热空气为热源，通过加热炉进一步升温，将饱和状态的活性炭加热至350~400 ℃。活性炭的解吸温度需要严格控制，解吸温度低，活性炭解吸不彻底，循环再生后吸附效果差；解吸温度高，可能引起活性炭的自燃，造成设备和系统的破坏。

2.4 硫回收利用

活性炭经解吸后，可产出φ(SO2)10%~25%的高浓度SO2气体。据统计，国内每年脱硫解吸气会有 3~4 Mt（折 100% SO2）优质高浓度 SO2产生[8]，这部分高浓度SO2气体有非常高的回收利用价值。目前SO2气体利用率最大的行业是制取硫酸和硫酸铵，但是国内硫酸已出现严重的产能过剩，产品价格低廉，硫酸铵同样存在利润率低的问题。因此，优质高浓度SO2用于制备硫酸或硫酸铵经济效益都较差。

中冶京诚工程技术有限公司（以下简称中冶京诚工程）总承包唐山某钢铁公司360 m2烧结机活性炭脱硫脱硝项目，充分考虑对解吸优质高浓度SO2经济性的利用，SO2回收用于制备焦亚硫酸钠。焦亚硫酸钠不仅价格高，利润可观，其用途也十分广泛，主要用作化工原料、漂白剂、污水处理剂、食品添加剂等，并且中国作为最大的供销市场，销路广，不会造成产能过剩。

解吸气首先通过预处理系统喷水洗涤降温、除杂净化，净化后的解吸气进入制盐系统，以纯碱溶液吸收SO2，在串连的三级反应器中发生系列化学反应制得焦亚硫酸钠浆液，最后经离心、干燥、包装制成袋装焦亚硫酸钠产品。此项目焦亚硫酸钠系统的SO2气体处理能力达到630 m3/h，生产焦亚硫酸钠23 kt/a，以1 500元/t销售，每年可为企业创收 3 500 万元，每年毛利润可达 1 400 万元。

3 活性炭脱硫脱硝技术应用

活性炭脱硫脱硝技术主要以日本住友的错流式活性炭技术和德国WKV逆流式（对流）活性炭技术为代表。

3.1 错流式活性炭技术

错流式活性炭技术中活性炭和烟气垂直接触，分别作垂直运动和水平运动。错流式技术在国内应用较早，2011年最早应用于太原钢铁450 m2烧结机脱硫脱硝，其后在首钢京唐、宝钢宝山、宝钢湛江、安阳钢铁等公司有一定的应用业绩。

错流式活性炭技术工艺流程见图1。

图1 错流式活性炭技术工艺流程

错流式活性炭技术吸附塔内采用分层移动床结构，分为前、中、后室，活性炭分布于各移动床室内，烟气从侧面引入吸附塔，横向穿过各室活性炭床层，烟气中的SO2逐层被各室中的活性炭吸收。由于前室中的活性炭最先接触烟气，前室内的活性炭最容易达到饱和。烟气穿过中室和后室时，由于烟气中SO2浓度的不断降低，中、后室活性炭吸收SO2的饱和度也会越来越低，中、后室内的活性炭未能充分发挥吸附作用，因此会导致错流式吸附塔活性炭在循环过程中徒增消耗量，运行成本增加，不能实现最大的经济效益。除此之外，错流式技术在同一活性炭床层进行脱硫脱硝，由于前、中室脱硫层内烟气中的SO2浓度没有降到最低，很容易和脱硝层过量的氨气发生反应生成NH4HSO4等带有黏性和腐蚀性的物质，造成床层板结。错流式活性炭技术一般脱硝效率较低，可能会额外串联一级脱硝塔，造成投资和占地面积的增加。

某厂180 m2烧结机烟气错流式活性炭脱硫脱硝装置技术经济指标见表2。

表2 某厂错流式活性炭脱硫脱硝装置技术经济指标

3.2 逆流式活性炭技术

逆流式活性炭技术中活性炭和烟气逆流式相向接触，活性炭在吸附塔内自上而下、烟气自下而上运行，烟气从下向上均匀穿过活性炭床层，活性炭下降过程中，同一截面处活性炭床层的饱和程度一致，最终在烟气进口处达到最大饱和度后排出吸附塔。逆流式活性炭技术烟气和活性炭之间的传质效果更好，活性炭循环量和消耗量比错流式活性炭技术少。除此之外，逆流式技术的脱硫层和脱硝层分开，烟气中的SO2被活性炭充分吸收后再喷入氨气，进入脱硝层进行脱硝反应，避免了活性炭层板结的发生。逆流式活性炭技术脱硫脱硝功能的独立性，使其更容易调节脱硫及脱硝层活性炭的床层高度，脱硫脱硝效率更高，烧结烟气污染物容易实现长期稳定的超低排放。逆流式活性炭技术还可以实现2个脱硫脱硝模块上下并联，使其结构更为紧凑，占地面积减小，投资降低。

逆流式活性炭技术工艺流程见图2。

图2 逆流式活性炭技术工艺流程

逆流式活性炭技术在发达国家垃圾焚烧电厂脱硫脱硝领域应用广泛[9]，国内邯钢于2017年6月首次将逆流式活性炭技术应用于烧结烟气处理，该系统正常情况下，脱硫效率可达99%，脱硝效率高达85%以上，实现了邯钢烧结烟气污染物长期稳定的超低排放[10]。近年来逆流式活性炭技术来在武安新型铸管、首钢迁安、邢台德龙、邯钢新区、河钢乐亭钢铁、河南安钢周口钢铁等烧结机脱硫脱硝上得以应用，逆流式活性炭技术在国内得到了迅速发展。

中冶京诚工程总承包唐山某钢铁公司360 m2烧结机活性炭脱硫脱硝项目采用逆流式活性炭脱硫脱硝技术，通过2个脱硫脱硝模块上下并联，一共设置48个脱硫脱硝模块，实现烧结烟气SO2，NOx和颗粒物等污染物排放的质量浓度分别低于20，30，5 mg/m3的超低排放指标。

某厂180 m2烧结机烟气逆流式活性炭脱硫脱硝装置技术经济指标见表3。

表3 某厂逆流式活性炭脱硫脱硝装置技术经济指标

4 结论

1）目前在国内烧结烟气的主流脱硫脱硝工艺中，活性炭脱硫脱硝技术由于可协同处理多种污染物、可高效处理和回收利用高浓度SO2、无固废产生等优势，更有利于实现烧结烟气污染物的全面脱除和超低排放。

2）活性炭的吸附和催化作用，实现了烧结烟气中SO2和NOx的脱除。吸附饱和的活性炭通过解吸作用可以实现活性炭的循环再生利用。高浓度SO2气体的回收用来生产焦亚硫酸钠可以创造更高的经济效益。

3）逆流式活性炭脱硫脱硝技术烟气和活性炭之间的传质效果更好，活性炭循环量和消耗量低。脱硫脱硝功能的独立性不易造成活性炭床层的板结，脱硫脱硝效率更高。逆流式活性炭技术可以实现2个脱硫脱硝模块的上下并联，结构性更紧凑、占地面积更小、投资降低。近年来，逆流式活性炭技术在烧结烟气脱硫脱硝的应用方面发展非常迅速。