四川德胜钒钛烧结高硫烟气超低排放改造实践

刘龙海,杨百顺,麦吉昌,饶梁洪,向成功,宋 俊

(1.四川德胜集团钒钛有限公司,四川 乐山 614900)

钢铁行业的不断发展,一方面促进了国民经济的增长,另一方面也造成生态环境污染、产能过剩等问题。2018年政府工作报告提出“推动钢铁等行业超低排放改造”任务要求,打赢蓝天保卫战,共创绿水青山。生态环境部起草了《钢铁企业超低排放改造工作方案(征求意见稿)》,明确“烧结机头烟气、球团焙烧烟气在基准含氧量16%条件下,颗粒物、二氧化硫、氮氧化物小时均值排放浓度分别不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。实施钢铁企业超低排放改造,对推动钢铁工业转型升级、改善大气环境质量、化解钢铁行业过剩产能具有重要意义。

1 超低排改造技术路线论证及选择

1.1 主流技术路线分析

针对德胜260 m2烧结烟气中污染因子的特征:SO2浓度在5000 mg/Nm3、CO含量高、湿度大等,本项目若采用前置中高温SCR脱硝,则烟气中的SO2易氧化成SO3,使SO3与NH3反应生产ABS(硫酸氢氨),其在低温下以溶胶物质形式在物体表面聚集或以液滴形式分散于烟气中。当催化剂运行温度低于ABS的凝聚温度(230 ℃)时,由于催化剂的微观毛细管作用,易造成ABS沉积在催化剂的空隙里,造成催化剂活性下降。此外,还有以下缺点:

(1)在采用中高温SCR脱硝技术设计温度需达到320 ℃以上,最佳运行温度范围为:330～380 ℃,辅助加热系统能耗较高。

(2)在300 ℃以上温度二噁英分解受到抑制,不能被脱除。

(3)因中高温SCR脱硝装置用GGH气气换热器进行热回收,在SCR脱硝装置出口烟气温度经换热器后仍然有200 ℃左右,还需要降温才能达到脱硫所需要的温度。把脱硝放在脱硫前,还需要在脱硫装置前、后加装烟气换热装置,设备占地面积大、投产成本高、故障点增加维修量增大、系统压损增加、运行费用增加。

(4)由于烧结运行工况变化大(包括烟气量、烟气温度、污染物初始浓度等),SCR反应器连续稳定运行控制难度大。

(5)烧结烟气粉尘含有较大量的碱性物、三氧化二铁等,粉尘较粗且粘性较强,容易造成催化剂堵塞。因此,本项目采用后置(相对脱硫)中高温SCR脱硝工艺,脱硝温度区间选择280～300 ℃,避免二噁英被分解后再次合成。

1.2 技术工艺路线确定

1.2.1 除尘和脱硫

从2014年以来国内火力发电厂要求进行超标放以来,已运行超排放案例99%以上均采用钙基湿法脱硫工艺,其中98%均采用成熟可靠的石灰石/石膏湿法技术。本项目原烟气SO2含量高、脱硫剂来源(周边的造纸厂白泥)可靠,采用钙基湿法技术,脱硫剂可采用石灰石块、粉状生石灰、白泥。

1.2.2 脱硝和脱二噁英

SCR脱硝技术在火电厂运用案例多,且成熟可靠;中温催化剂已大量运用于焦化烟气脱硝;在烧结烟气脱硝方面,行业内已经成熟应用。采用成熟的SCR脱硝技术,脱硫后的净烟气(55 ℃左右)由换热器(GGFH)与加热装置加热到280～300 ℃左右,再与尿素热解产生的氨气充分混合后进入SCR反应器,脱硝后的热烟气经换热器冷却至100 ℃以上后排入烟囱。

综上所述,为确保本项目污染物治理目标(粉尘、SO2、NOX)的实现,同时遵循投资最省、占地最小、运行最节约最可靠、改造停机时间最短的原则,采用石灰石-石膏湿法脱硫+湿式电除尘器+消白+GGH升温+加热炉补燃+SCR脱硝+GGH降温协同处置工艺路线。

2 超低排改造实践

综合投资、运行稳定性、出口排放稳定达标等考虑,本次四川德胜集团烧结厂260 m2烧结烟气脱硫超低排放改造在原有静电除尘器基础上拆除原有石灰-石膏湿法脱硫系统并升级新建石灰石(白泥)-石膏湿法脱硫系统,同时增加湿式电除尘器系统、SCR脱硝系统,如图1所示。

图1 260m2烧结烟气超低排放综合治理升级改造项目工艺流程图

2.1 脱硫稳定达标排放保证措施

2.1.1 吸收塔设计保证措施

吸收塔采用喷淋空塔,吸收塔浆液池与塔体为一体结构。主要构件包括吸收塔壳体、吸收塔搅拌器、喷淋管、气液均布装置、增效环、喷淋层及喷嘴、一体化除尘除雾器。烟气进口操作温度为120～165 ℃(可以瞬间承受温度170 ℃),吸收塔设计温度为进口160 ℃、出口55 ℃,塔体的壳体材质选用碳钢内衬玻璃鳞片。

2.1.2 一体化除尘除雾器的可行性、先进性设计

目前由于排放指标的提高,要达到超低排放的要求,需要整个系统协同来完成。虽然采用了气液均布装置、增效环、高效的喷淋层及喷嘴等综合措施来提高除尘效率,但仍然达不到粉尘低于10 mg/Nm3排放要求。总的来说,吸收塔流场的均布度至关重要,不管是喷淋层下部加气液均布装置,喷淋层中间塔壁上加增效环,或者抬高塔的高度,都能使吸收塔的流场更加均布。为达到除雾器出口烟气中液滴含量低于排放要求,在入口粉尘含量小于80 mg/Nm3条件下,保证总排放口粉尘含量不大于10 mg/Nm3(标态,干基,16%O2)的指标,结合CFD模拟结果和同类案例的运行情况,在吸收塔的喷淋层上部布置一体化除尘除雾装置,布置于吸收塔顶部最后一层喷淋层的上部。烟气穿过喷淋层后,再连续流经一体化除尘除雾器除去所含浆液雾滴和尘。在一体化除尘除雾器区域布置冲洗喷嘴,通过冲洗除尘器元件,带走除尘除雾区域附着的尘粒。烟气通过一体化除尘除雾器后,烟气粉尘含量低于35 mg/Nm3。一体化除尘除雾器冲洗系统间断运行,采用自动控制和手动控制两种方式,保证一体化除尘除雾器无结垢。

2.1.3 吸收塔内防腐的可行性、先进性设计

吸收塔壳体材料采用碳钢(材质为Q235B),脱硫浆液呈酸性,脱硫浆液中含有Ca2+、SO42-、SO32-、Cl-、F-等物质,浆液PH值呈酸性(5～6),对吸收塔防腐要求高,吸收塔内部构件及塔壁防腐采用玻璃鳞片。

2.2 湿电稳定达标排放保证措施

本项目湿式电除尘器布置在吸收塔顶部,本体采用下进上出型式,脱硫后湿烟气从吸收塔出口均流后,在下气室内烟气被气流分布装置均流后进入湿式电除尘器本体内除尘,除尘后的烟气从顶部排出进入后续工艺段。气流分布的均匀程度直接关系到除尘效率,特别是在高粉尘浓度、高比电阻及高除尘效率的要求下,气流分布的均匀性程度尤为重要。为了使流入电场的含尘气体均匀经过电场,在电场入口前装有进口气流分布板。本项目湿式电除尘器布置在吸收塔上部(脱硫后的湿烟气经过高效除雾器后直接进入湿式电除尘器装置段,吸收塔和湿式电除尘器的直径分别为12.5 m和18.0 m);本项目湿式电除尘器首先是根据系统布置建立CFD流场,通过模拟选择不同气流分布装置的布置模拟确认最佳气流分布装置的布置方式、进出口烟道的角度,同时采用分布装置采用分布板与气流分格栅的组合模式确保进、出湿式电除尘器的气流在整个截面积上均匀。气流分布板、分格栅均采用的是耐腐蚀的高强度玻璃钢,保证能使用30年。

2.3 脱硝稳定达标排放保证措施

本项目从催化剂选型、吹灰方式、GGH气气换热器的选型、加热系统的设计等多方面进行综合设计。

2.3.1 气气换热器(GGH)

采用高通透性传热元件,封闭流道、吹灰疏通良好。同时为防止硫酸氢氨沉积在传热元件上,在设计时换热元件总层数不超过两级组件模式,更有利于吹灰和冲洗。另外GGH换热器配置在压缩空气(0.8 MPa以上)吹灰、高压水冲洗系统,吹灰方式采用定时吹扫,每8小时吹1时;设置在线或定期清洗确保在仍和情况下系统不堵塞。

2.3.2 催化剂

本项目烟气粉尘含量低于10 mg/Nm3,结合其他类似项目案例及实际投运情况决定选用20孔蜂窝式催化剂,催化剂单元尺寸为150 mm×150 mm×975 mm,模块外形尺寸为1900 mm×960 mm×1165 mm,单层催化剂模块数为88块,本项目所需脱硝催化剂共278 m3(SCR反应器布置三层,初装催化剂两层,备用一层)。本项目选用的20孔蜂窝式催化剂具有通流面积大、压降小、耐堵塞等优点。此催化剂中加有稀有金属氧化物,可以耐烟气中的砷(As)中毒。由于蜂窝式催化剂具有的特殊结构,在高灰烟气条件表现出耐堵塞、耐磨损、抗中毒、低SO2/SO3转化率等优点,是一种特别适合烧结烟气脱硝的催化剂类型。

2.3.3 吹灰系统

本工程催化剂表面结灰主要是细灰尘搭桥引起,采用声波吹灰器很难将其清除,故采用耙式吹灰器(每层布置12台耙式吹灰器,采用对侧布置,可避免吹灰死区)进行吹灰,耙式吹灰器具有清灰能力强的特点,每隔一小时进行一次吹灰,可彻底的清除催化剂表面的积灰,从而保证脱硝系统的连续正常运行。本项目新建压缩空气站为耙式吹灰器提供气源。SCR区控制和吹灰控制纳入本次DCS进行控制。

3 超低排技术创新点与应用

3.1 钒钛烧结高硫烟气的高效率脱除

四川德胜集团烧结厂260 m2烧结烟气使用攀西地区的高硫钒钛精矿粉,烧结生产进口SO2常态保持>3000 mg/m3,对比湿法、干法、半干法的优缺点最终选择石灰石(白泥)-石膏湿法作为超低排放的脱硫工艺。配套建设脱硫剂系统、石膏脱水系统和废水处理系统。石膏脱水系统采用带式真空压滤,通过调整PH、浆液密度等工艺控制及定期更换滤布、旋流子确保脱硫石膏水分<14%。脱硫废水处理系统采用三联箱工艺;脱水后的石膏和滤饼运至水泥厂综合利用。

3.2 高效湿式电除尘器与脱硫一体化协同

四川德胜集团烧结厂260 m2烧结超低排放升级改造选用湿式电除尘器做为除尘工艺,采用立式管式布置,湿电装置布置于吸收塔顶部,湿电阳极管采用蜂窝式导电玻璃钢。自2020年投运至今出口粉尘排放达标率100%(<10 mg/m3)。

3.3 高效率、低能耗SCR脱硝工艺技术应用

四川德胜集团烧结厂260 m2烧结超低排放升级改造脱硝系统采用SCR选择性催化还原工艺(280～300 ℃),采用尿素热解制氨;选用蜂窝式催化剂,催化剂按2+1方式布置;反应器系统配套回转式烟气换热器、热风炉、热解炉等装置。运行期间经过不断调试改进,目前在脱硝系统热风炉日常维护采用外部耐材填充、喷氨格栅增加一套压缩空气在线清灰装置,大大减少检修时间及周期需求。

4 结论

本次改造在原有静电除尘器、石灰-石膏湿法脱硫系统基础上新建石灰石-石膏湿法脱硫系统并增加湿式电除尘器系统、SCR脱硝系统。自2020年10月完成改造后投运至今烟气综合治理系统及配套在线装置运行良好,主要污染物二氧化硫、氮氧化物、粉尘已全面达到国家冶金行业烟气“35-50-10”的超低排放标准,同步率在99.5%以上,出口排放二氧化硫浓度在10 mg/m3左右,氮氧化物在30 mg/m3左右,粉尘在5 mg/m3左右。改造前后对比如表1所示。

表1 260 m2烧结烧结超低排放改造前后对比

(1)采用石灰石-石膏湿法脱硫+湿式电除尘器+消白+GGH升温+加热炉补燃+SCR脱硝+GGH降温协同处置技术。该技术具有如下特点:A、湿法脱硫效率99.5%以上,采用白泥作为主要脱硫剂,脱硫效率高、运行成本低;B、湿电除尘效率75%以上,技术成熟、稳定;C、烟气消白结合中高温SCR脱硝有效控制排烟湿度和温度,达到消白效果。D、SCR脱硝技术成熟、稳定,脱硝效率80%以上。

(2)白泥作为造纸厂固废,处理难度大,对环境污染重。本次超低排放改造首选白泥作为脱硫剂进行设计建设,运行至今出口SO2均稳定达标,每年为造纸厂处理固废白泥4.5万吨,白泥作为石灰石、石灰粉的替代物,运行至今完全满足脱硫需求,极大的降低运行成本,并形成固废资源化协同循环利用,对行业及区域环境具有重要的社会和经济效益。