触媒陶瓷滤管多污染物一体化脱除技术在光伏玻璃行业中的应用

2022-10-20时昌波王思凯

建材世界 2022年5期

高超，沈浩，时昌波，史薇，王骐，王思凯

(深圳凯盛科技工程有限公司，深圳 518000)

在“碳达峰、碳中和”目标愿景下，光伏、风电等清洁能源加快发展步伐。其中，光伏玻璃作为光伏组件的必备辅材，也在不断地加速扩产，2021年中国光伏玻璃产量为5.94亿万m2，同比增长8.6%。2021年7月20日，工业和信息化部发布修订后的《水泥玻璃行业产能置换实施办法》(以下简称《办法》)，自2021年8月1日起施行。按照《办法》要求，所有扩大产能的水泥熟料和平板玻璃，必须制定产能置换方案，实施产能置换。《办法》明确，对光伏玻璃产能置换实行差别化政策，光伏压延玻璃项目不再要求产能置换，但要建立产能风险预警机制[1]。在此背景下，更加刺激了光伏玻璃行业的迅速扩张。随着光伏玻璃行业的快速发展，窑炉燃烧烟气的排放对大气也会造成相当严重的污染。烟气中污染物主要是粉尘、氮氧化物、二氧化硫等，为打好大气防治攻坚战，研究适应压延光伏玻璃行业烟气特性的烟气处理技术具有重大意义。

光伏玻璃属于平板玻璃，其污染物排放执行平板玻璃污染物排放标准。《平板玻璃工业大气污染物排放标准》(GB26453-2011)自2011年10月1日颁布施行，但随着环保形式的日益严峻，各个地区纷纷出台排放限值低于国标的地方标准。目前修订《玻璃工业大气污染物排放标准》(GB26453-20××)正在征求意见，规定玻璃熔窑大气污染物排放限值为颗粒物30 mg/Nm3、二氧化硫200 mg/Nm3、氮氧化物400 mg/Nm3；重点地区执行大气污染物特别排放限值要求，颗粒物20 mg/Nm3、二氧化硫100 mg/Nm3、氮氧化物300 mg/Nm3。此标准排放限值基本等同于美国和欧盟的BAT控制水平。此外，该标准中对重点地区提出的特别排放限值比欧盟的BAT指标更高。

京津冀“2+26”城市由于其特殊的地理位置，相对国标需要执行更严格的特别排放限值。其中河北省出台了首个以超低标准命名的《平板玻璃工业大气污染物超低排放标准》(DB13/2168-2020)，主要的三项污染物排放限值分别提高至颗粒物10 mg/Nm3、二氧化硫50 mg/Nm3、氮氧化物200 mg/Nm3，并且增加了氨逃逸限值为8 mg/Nm3[2]。

随着平板玻璃行业超低排放限值的提出，以经济性合理、技术性可靠为原则，在压延光伏玻璃行业，尤其是以天然气为燃料的熔窑，采用触媒陶瓷滤管多污染物一体化烟气净化工艺装置可以达到超低排放要求，具有很好的效果。

1 压延光伏玻璃烟气特性

目前光伏玻璃熔窑大多使用清洁能源天然气，该文主要分析以天然气为燃料的光伏玻璃熔窑。

1)高温。光伏玻璃窑炉出口烟气温度高，在450～500 ℃之间，进入余热发电锅炉利用后最终排烟温度降至150 ℃。

2)氮氧化物浓度高。氮氧化物来源主要是来自“氮气”在1 300 ℃以上的高温燃烧；小部分来自玻璃原料中少量的硝酸盐分解。氮氧化物浓度可达1 800～3 400 mg/Nm3[3]。

3)二氧化硫浓度低。由于天然气中含硫量很低，二氧化硫主要来自原料中芒硝的分解。

4)烟气中污染物浓度及烟气量存在波动性。由于玻璃窑炉燃烧过程存在20 min“切换火”的情况，切换过程存在含氧量增高现象，会导致污染物浓度的波动，且两个火的燃烧温度及助燃风风量也存在不同，会导致两个火的烟气量和污染物浓度的波动。

5)玻璃窑内压力要求稳定。窑炉是玻璃厂的主要热工设备,工艺要求玻璃液面处为零压或微正压( 小于5 Pa),拱顶处的压力为15～20 Pa[4]。

2 一体化脱除技术工程应用

2.1 工艺流程

该工程设计满足窑炉烟气(450～500 ℃)经余热锅炉高温段降温至350～400 ℃后的烟气处理。烟气处理时进入干法脱硫塔内，与喷入的脱硫反应剂(熟石灰)均匀混合，完成部分SO2的脱除，同时烟气与喷入的脱硝反应剂(氨水)均匀混合后进入触媒陶瓷滤管过滤系统内，烟气在经过触媒陶瓷滤管时，颗粒物被拦截在滤管表面，并形成粉饼层(含部分熟石灰)；滤管表面的粉饼层又进一步脱除了烟气中的SO2；在陶瓷滤管所含触媒的催化作用下，NH3同NOx反应，完成了NOx的脱除。而后通过环保引风机回到余热锅炉低温段进行余热利用，余热利用的净烟气经锅炉引风机从烟囱达标排放。当锅炉检修时，窑炉烟气经高温换热器降温至350～400 ℃后，进入 “触媒陶瓷滤管除尘器”系统进行脱硫脱硝除尘，处理后的净烟气经烟囱达标排放。整个系统阻力均由环保引风机和安装于锅炉后端的锅炉风机克服，且该风机可在360 ℃工况下长期稳定、可靠运行。

主要设备：干法脱硫系统、氨水(储存及输送喷射)系统、旋风除尘(沉降)系统、触媒陶瓷纤维滤管除尘脱硝系统、烟风系统、循环灰系统、脱硫剂系统、气力输灰系统、废灰系统、高温换热器系统。

2.2 工艺原理

2.2.1 除尘

熟石灰及循环灰经过干法脱硫塔，进入滤管除尘器，在触媒陶瓷滤管表面形成残存层饼与颗粒层饼两层。其中残存层饼紧贴触媒陶瓷纤维滤管表面，厚度为1～2 mm，防止粉尘渗透到滤管，提升过滤效率，可处理不同负荷的粉尘浓度[5]。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。反向脉冲清洗使用高压脉冲逆洗方式清灰，具备在线清灰和离线清灰功能。在除尘器中，烟尘从烟气中分离出来，烟气经过陶瓷纤维滤管处理后烟尘浓度应低于10 mg/Nm3后进入净气室。经过高压脉冲逆洗方式落到除尘器灰斗的灰，经过气力输送系统输送到干法脱硫塔，提高脱硫效率。

2.2.2 脱硫

原烟气在经过陶瓷纤维过滤系统前端的烟道及干法脱硫塔时，熟石灰及循环灰直接喷入干法脱硫塔中，脱除烟气中部分的SO2、SO3以及HF、HCl等其它酸性物质。当烟气进入陶瓷纤维滤管过滤器时，陶瓷滤管表面因颗粒物的沉积会形成粉饼层，在烟气流速较低情况下，烟气与粉饼层内颗粒接触充分，烟气中的SO2与熟石灰再次进行脱硫反应，脱除部分的SO2提高了脱硫剂的利用率，达到脱硫要求。

2.2.3 脱硝

触媒陶瓷纤维滤管中应按照设计处理目标值要求加入足量的钒-钛系触媒(催化剂)。所有催化剂需均匀地分布在陶瓷滤管纤维表面，表面积应达到催化剂的活性表面积以及反应速率要求。烟气中的NOx与NH3在催化剂的作用下发生催化反应生成N2和H2O，从而达到脱硝作用。滤管表面的滤饼层，可降低触媒免受重金属砷(As)、硒(Se)及汞(Hg)的毒化[6]。

3 设计要点

除尘器选型及滤管个数的确定，需考虑到超低排放的要求粉尘排放浓度小于10 mg/Nm3，烟气在经过滤管的过滤风速不大于1 m/min。由于除尘器具备分仓室在线检修功能，选型时需要保证至少关闭一个仓室仍可以达标排放。

由于目前环保形式严峻，玻璃生产线一旦投入运行基本没有停机检修时间，触媒陶瓷滤管多污染物一体化烟气净化系统设备出现故障需具有备用设备且有在线检修功能。

1)滤管除尘器各仓室之间相互独立、个别仓室存在断管或者设备问题时，可以把仓室烟气隔离，降温后可以单独检修。

2)设计了空冷高温换热器及锅炉旁通烟道。当锅炉停机检修时，窑炉烟气直接通过高温换热器降温至350～400 ℃后，进入 “触媒陶瓷滤管除尘器”系统进行脱硫脱硝除尘，处理后的净烟气经过锅炉旁通烟道直接排入烟囱。

3)主要设备高温引风机、氨水输送系统、石灰供应系统等均一用一备，从而保证系统可以连续不间断、稳定地运行。

为了保证二氧化硫排放浓度小于50 mg/m3，此系统设计了旋风除尘器和循环灰系统。经过干法脱硫塔的含尘烟气首先进入旋风除尘器，旋风除尘器具备预除尘功能，可以将烟气中50%～60%的大颗粒物脱除，进入循环灰仓，通过循环灰仓底部的双轴螺旋排入干法脱硫塔。然后烟气进入滤管除尘器，经过陶瓷滤管的过滤，颗粒物被截留在滤管表面，经过压缩空气反吹，滤管表面颗粒物落入除尘器灰斗，经过气力输送系统，将灰斗中的灰直接打入旋风除尘器循环利用，提高脱硫效率，降低钙硫比。

脱硝所需催化剂负载在陶瓷滤管上，催化剂为高温钒-钛系催化剂，其反应所需温度为320～380 ℃。结合系统温降，为了保证脱硝所需温度，一体化系统进口温度要求350～400 ℃。陶瓷纤维滤管粒径极细，滤管的表面积很大，烟气在滤管中的低流速和滤管本身的结构空隙延长了烟气的停留周期，钒钛系脱硝触媒剂催化剂的活性比面积的增大及烟气与催化剂反应时间的延长，使脱硝效率得到明显地提高。

由于触媒陶瓷滤管材质的原因，需尽量保证滤管处于干燥环境中。在开机阶段，应尽快将仓室温度升高到120 ℃以上，使温度高于酸露点，避免冷凝水。在停机阶段，当仓室温度降低至120 ℃以下，需要打开除尘器进口人孔门，打开引风机抽取空气置换除尘器内烟气，让仓室尽快降温至水露点以下。

陶瓷滤管一体化系统整体温降约30 ℃，整体系统阻力小于3 000 Pa。整体温降较低有利于发电锅炉对烟气余热的利用率，整体系统阻力较小，降低运行费用。

4 运行数据

该压延光伏玻璃烟气治理项目采用陶瓷滤管多污染物一体化脱除系统对玻璃窑出口烟气进行脱硫脱硝除尘处理后，系统运行稳定，效率高，运行费用低，达到平板玻璃行业“超低排放”限值要求。窑炉出口烟气参数如表1所示。

表1 窑炉出口烟气参数

工程投运后，通过对现场环保系统进出口在线监测，测试结果如表2所示。

表2 主要污染物进出口浓度及氨水、熟石灰耗量

表2中出口NOx浓度低于100 mg/Nm3，脱硝效率可达98%，且氨逃逸低于8 mg/Nm3。此系统能达到如此高的脱硝效率且氨逃逸也可以低于8 mg/Nm3，主要是由于催化剂均匀的负载于整个陶瓷滤管内，催化剂的活性比表面积较大，且烟气在陶瓷滤管内的停留时间也较长，显著提高了脱硝效率。从表2可以发现，陶瓷滤管多污染物一体化脱除技术对颗粒物的去除具有显著效果，出口颗粒物浓度能够稳定控制在5 mg/m3以下。从表2还可以发现，该一体化脱除技术对SO2的去除效率在95%左右，出口SO2排放浓度稳定控制在50 mg/m3以内，Ca/S比基本为3。常规干法脱硫工艺Ca/S比2.5时，脱硫效率最高能达到50%～60%[7]。此处能达到95%脱硫效率的主要原因：1)更高的Ca/S;2)循环灰的利用;3)滤管滤饼层上石灰的进一步脱硫作用。