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焦爐煙道氣脫硫脫硝及余熱回收利用一體化技術

作者:匿名    發布于:2019-11-9 14:08:56

焦爐煙道氣主要污染成分有SO2、NOx等。SO2和NOx不僅危害人類身體健康,而且還嚴重地污染環境。國家出臺了更為嚴格的煉焦化學工業污染物排放標準。技術人員研究開發了新型的脫硝催化劑、鎂法煙氣脫硫工藝和徑向熱管式余熱鍋爐等專有的核心技術,并且集成創新地提出了焦爐煙道氣脫硫脫硝及余熱回收利用的解決方案。該方案能從根本上解決目前國內焦爐煙道氣排放污染環境和余熱未回收利用的問題,不僅具有顯著的經濟效益,還有巨大的社會效益。


1焦爐煙道氣的污染特性

焦化廠是專門從事冶金焦炭生產及冶煉焦化產品加工、回收的專業工廠。焦爐煙氣以焦爐煤氣燃燒后產生的廢氣為主,主要成分有SO2、NOx等。在我國二氧化硫和氮氧化物是大氣中主要污染物,是衡量大氣是否遭到污染的重要標志。我國的一些城鎮,大氣中SO2和NOx的危害較為普遍,而且非常嚴重。

2012年6月環境保護部及國家質量監督檢驗檢疫局聯合發布了GB16171-2012《煉焦化學工業污染物排放標準》,明確規定了焦化工業的大氣污染物排放標準。新標準要求焦爐煙囪燃燒尾氣中SO2濃度小于50mg/m3,氮氧化物濃度小于500mg/m3,粉塵濃度小于30mg/m3。特別地區要求SO2濃度小于30mg/m3,氮氧化物濃度小于150mg/m3,粉塵濃度小于15mg/m3。更為嚴格的焦化工業大氣污染物排放標準和日益緊張的能源供給,急需技術更為先進、經濟、合理的焦爐煙氣處理方法。

中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司聯合中科院技術人員集成低溫SCR煙氣脫硝技術、鎂法煙氣脫硫工藝和徑向熱管式余熱鍋爐等專有的核心技術,提出了焦爐煙道氣脫硫、脫硝及余熱回收利用的綜合解決方案。

2一體化解決技術

針對客戶的要求和焦爐現有煤氣處理工序,中鋼熱能研究人員研究開發并且集成了焦爐煙道氣脫硫脫硝及余熱回收利用的一體化技術。

2.1方案描述焦爐煙氣處理流程(如圖1所示):焦爐→焦爐煙道氣→脫硝反應器→熱管式煙氣換熱器→增壓風機→脫硫塔→塔頂煙囪排放。


首先將焦爐地下煙道氣在進入原有閘板閥前引出地面,管路上設電動調節閥,煙氣經管道引出后進入脫硝反應器。煙氣脫硝后進入煙氣余熱回收裝置,其主要功能是將煙道氣顯熱進行回收產生0.6MPa飽和蒸汽。熱煙氣經余熱回收裝置降溫后經增壓風機增壓進入濕式脫硫塔單元。脫硫后煙氣經塔頂煙囪排放。脫硝裝置前設旁通管路,通過小的備用風機及柴油發電機將煙氣送入地下煙道,其作用是在脫硫、脫硝系統出現故障或停電時,短時緊急啟動將高溫煙氣送入地下煙道,提升煙道及煙囪溫度,待煙囪抽力足夠時關閉備用風機并打開地下煙道閘板。


2.2關鍵技術

2.2.1脫硝反應器目前常用的脫硝方法主要有選擇性非催化還原法(SNCR)、氧化吸收法、選擇性催化還原法(SCR)等。選擇性催化還原法(SCR)是目前尾氣脫硝最為成熟,且脫硝效率最高的一種方法。

選擇性催化還原法(SCR)脫除NOx的原理為:在尾氣中加入一定量的氨氣,以氨為還原劑,在催化劑表面上將NOx還原為N2,其反應方程式:NOx+NH3+O2→N2+H2O。

脫硝反應中氨源采用液氨或蒸氨工段產生濃度為20%的濃氨水,用管道引入至脫硝反應系統,經調節閥控制流量后進入混合器中與煙氣均勻混合。在脫硝反應器進、出口分別設置NOx傳感器用以實時在線監測進出口的NOx濃度,并根據反饋信號控制氨的加入量。

在脫硝工藝中最為關鍵的是脫硝催化劑,中科院科研人員開發出了新型的脫硝催化劑。該催化劑選用以陶瓷蜂窩為基體的整體涂層式結構,由陶瓷蜂窩、金屬氧化物涂層、活性組分組成。氧化物涂層均勻牢固地附著于蜂窩陶瓷外表面,活性組分分散在氧化物涂層上。該催化劑具有脫硝率高,可高空速操作、阻力低、選擇性好、氨逃逸率低、溫度范圍廣、熱膨脹系數小等諸多優點,是一種非常適合煙氣NOx治理的整體催化劑。

使用該類型催化劑即使在入口NOx濃度很高時(2000~3000mg/m3),也可達到很高的NOx脫除精度,反應后尾氣中氮氧化物濃度可低于150mg/m3。如排放標準進一步升級,不需對催化劑和反應裝置做任何改動,只需稍微增加氨投入量,提供反應所需的氨量,即可使尾氣中NOx濃度小于所規定的排放限值。

科研人員在某焦化廠做了煙氣脫硝工業試驗。連續監測蝶閥出口處煙氣中各物質濃度,其中NOx、NO、SO2、O2和NO2分別為1100、720、450、190和10mg/m3左右。每隔15min焦爐煙氣組成發生周期性波動,該周期性波動是由焦爐操作制度產生的。

圖2是脫硝實驗運行期間反應器出入口氮氧化物濃度及脫硝效率,可以看出,在實驗運行期間,煙氣中氮氧化物濃度在800~1200mg/m3之間波動,經脫硝處理后,氮氧化物濃度可降低至20mg/m3以下,脫硝效率高達98%以上。

截至目前,實驗還在正常運行當中,已經累計運行了近1200h,綜合實驗結果,焦爐煙氣脫硝中試得到了以下結論:

(1)脫硝效率始終穩定在98%以上(能測到的NO含量在幾個10-6,可以理解為系統誤差),接近100%,體現了催化劑超高的脫硝效率;


(2)實驗的操作空速最高為16000h-1左右,為傳統脫硝催化劑的4倍左右;


(3)催化劑床層阻力降在300Pa左右,極低,能夠顯著降低風機能耗;


(4)催化劑采用模塊化設計,最大限度地規避了未來工程化放大問題,利于實現工程放大。

1.2.2偏心型徑向熱管換熱器目前焦爐煙道氣的余熱回收裝置一般采用常規的軸向重力熱管技術,雖然常規的軸向熱管具有高效的超導體性能,極高換熱效率,優良的等溫、恒溫性,優良的單向熱傳遞特性,良好的環境適應性,避免了露點腐蝕等優點,但同時也存在著換熱器設備結構復雜,整體設備龐大,容易爆管,減少整體制造成本等不足之處。


中鋼熱能研究院通過調研國內大型鋼鐵企業的焦爐煙道氣余熱回收的發展情況,針對以上軸向熱管換熱器的優缺點,在保證軸向熱管換熱器技術優點的前提下,解決軸向熱管換熱器的固有缺陷,研發設計了徑向熱管換熱器。


中鋼熱能研究人員首次從理論上提出采用偏心徑向熱管換熱器回收焦爐煙道氣的余熱,并通過工程實踐進行驗證。采用偏心徑向熱管換熱器回收焦爐煙道氣的余熱,科學地設計徑向熱管偏心度,增加了熱管工質的填充量,達到合理的工質狀態,再次提高熱管換熱器的熱效率,降低總體工程成本,大幅提高生產效率,使節能效率達到國際先進水平。徑向熱管換熱器已經申請專利2項。徑向熱管換熱器技術有效解決了焦爐煙道氣余熱回收熱管換熱器結構復雜,噸蒸汽產量鋼材耗用量大的問題;克服了軸向熱管損壞后換熱總面積的損失不可逆,換熱效率大幅降低等問題。該技術在國內某焦化廠2座65孔4.3m焦爐上成功應用,關鍵設備運行穩定,蒸汽生產能力滿足要求,爐底煙道風壓控制良好,無氣堵現象。


2.2.3煙氣鎂法脫硫濕法脫硫為目前使用范圍最廣的脫硫方法,根據脫硫的原料不同可分為石灰石/石灰法、氨法、鈉堿法、鈉鈣雙堿法、金屬氧化物法、堿性硫酸鋁法,其中石灰石/石灰法、鈉堿法、鈉鈣雙堿法、金屬氧化物法比較普遍。

鎂法煙氣脫硫反應方程式如下:


鎂法脫硫優點

(1)技術成熟

氧化鎂脫硫技術是一種成熟度僅次于鈣法的脫硫工藝,氧化鎂脫硫工藝在世界各地都有非常多的應用業績,其中在日本已經應用了100多個項目,臺灣的電站95%是用氧化鎂法。另外,在美國、德國等地都已經應用,并且目前在我國部分地區已經有了應用業績。


(2)原料來源充足

在我國氧化鎂的儲量十分可觀,目前已探明的氧化鎂儲藏量約為160億t,占全世界的80%左右。其資源主要分布在遼寧、山東、四川、河北等省,其中遼寧占總量的84.7%。


(3)脫硫效率高

在化學反應活性方面氧化鎂要遠遠大于鈣基脫硫劑,并且由于氧化鎂的分子量較碳酸鈣和氧化鈣都比較小,因此其它條件相同的情況下氧化鎂的脫硫效率要高于鈣法的脫硫效率。一般情況下氧化鎂的脫硫效率可達到95%~98%,而石灰石/石膏法的脫硫效率僅在90%~95%左右。


(4)投資費用少

由于氧化鎂作為脫硫劑具有其獨特的優越性,因此在吸收塔的結構設計、循環漿液量的大小、系統的整體規模、設備的功率都可以相應較小,這樣一來,整個脫硫系統的投資費用可以降低10%~20%。


(5)運行費用低

決定脫硫系統運行費用的主要因素是脫硫劑和水電汽的消耗費用。氧化鎂的價格比氧化鈣的價格高一些,但是脫除同樣的SO2氧化鎂的用量是碳酸鈣的40%;水電汽等動力消耗方面,液氣比是一個十分重要的因素,它直接關系到整個系統的脫硫效率以及系統的運行費用。對石灰石石膏系統而言,液氣比一般都在15L/m3以上,而氧化鎂在5L/m3以下,這樣氧化鎂法脫硫工藝就能節省很大一部分費用。同時氧化鎂法副產物的出售又能抵消很大一部分費用。


(6)運行可靠

鎂法脫硫相對于鈣法的最大優勢是系統不會發生設備結垢堵塞問題,能保證整個脫硫系統安全有效的運行,同時鎂法pH值控制在6.0~6.5之間,在這種條件下設備腐蝕問題也得到了一定程度的解決。總的來說,鎂法脫硫在實際工程中的安全性能擁有非常有力的保證。


(7)綜合效益高

由于鎂法脫硫的反應產物是亞硫酸鎂和硫酸鎂,綜合利用價值很高。一方面可以進行強制氧化全部生成硫酸鎂,然后再經過濃縮、提純生成七水硫酸鎂進行出售,另一方面也可以直接煅燒生成純度較高二氧化硫氣體來制硫酸。


(8)無二次污染

常見的濕法脫硫工藝里面,不可避免的存在著二次污染的問題。對于氧化鎂脫硫技術而言,后續處理較為完善,既可以濃縮結晶七水合硫酸鎂晶體,又可對氧化鎂進行再生,回收SO2生產稀硫酸,解決了二次污染的問題。


3結論

(1)新型的脫硝催化劑具有超高的脫硝效率、超大的操作空速、極低的催化劑床層阻力降;模塊化設計,最大限度地規避了未來工程化放大問題,利于實現工程放大。


(2)自主研發的徑向熱管式余熱鍋爐,通過工程實驗驗證,具有降低設備整體制造的復雜性,進而降低設備成本,減少噸蒸汽產量的鋼材耗用量,極大地提高了換熱器的經濟效益;克服了軸向熱管損壞后換熱總面積的損失。同時又極大程度保持了軸向熱管換熱器的所有優點。


(3)鎂法煙氣脫硫工藝具有吸收液循環系統簡單、工藝操作穩定,維護簡單,占地面積小,不需要排放廢水,系統阻力小,脫硫效率高(≥95%),啟動與退出運行快速簡便,副產品利用價值較高等優點。


(4)針對客戶的不同要求,中鋼集團鞍山熱能研究院和中科院研究開發出焦爐煙道氣脫硫脫硝及余熱回收利用一體化解決方案。該方案能從根本上解決目前國內焦爐煙道氣排放污染環境和余熱未回收利用的問題,不僅具有顯著的經濟效益,還有巨大的社會效益。





 
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