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威美湿电转钢铁冶炼行业烧结烟气超低排放技术

[2018-9-19] 点击:

湿电咨询服务: 陶经理18332815001 张经理18633235200

摘要:钢铁冶炼是高耗能重污染行业,而烧结烟气又是钢铁企业主要排放的大气污染物,它约占整个钢铁企业排放总量的50%上。随着国家环保排放标准的不断收紧和“十三五”期间实行污染物总量控制政策的影响,对烧结烟气的治理将成为钢铁企业的重点工作,而烧结烟气治理也必将朝着污染物协同治理、实现超低排放的方向转变。通过对国内烧结烟气治理现状的分析,论述了坚持走烧结烟气污染物协同治理路线才是真正实现烧结烟气超低排放的有效措施。

关键词:烧结烟气;除尘;脱硫;脱硝;超低排放

1 概述

2018-01,环保部发布《关于京津冀大气污染传输通道城市执行大气污染物特别排放限值的公告》,要求"2 + 26"城市自2018-10-01起全面执行大气污染物排放标准特别排放限值。2018-05,生态环境部发布了《钢铁企业超低排放改造工作方案》(征求意见稿),再次刷新了对烧结烟气污染物的排放限制规定,将烧结机头烟气、球团焙烧烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值由特别排放限制20 mg/m3 ,50 mg/m3 ,100 mg/m3修改为10 mg/m3 , 35 mg/m3 , 50 mg/m3 ,并规定所有具备条件的钢铁企业按区域分别于2020年、2022年、2025年完成超低排放改造。2018年,我国将全面启动钢铁行业超低排放改造。随着电力行业超低排放的成功应用和全面普及,对包括钢铁烧结在内的非电领域实施“超低排放”治理将是大势所趋。

威美湿电转钢铁冶炼行业烧结烟气超低排放技术

2 国内烧结烟气治理现状

烧结是钢铁生产的重要工序,一方面,高质量的烧结矿能够提高高炉的生产效率,降低生产成本;另一方面,烧结是钢铁联合企业的固体废物处理中心,铁、磷、除尘污泥、除尘灰等生产过程中产生的绝大多数含铁废物都能作为烧结生产原料重新回到生产流程中。

由于烧结过程中使用多种原燃料,因此,烧结烟气成分比燃煤锅炉烟气复杂,烧结机头烟气污染物排放量占比大,颗粒物、SO2 , NOX排放量分别占钢铁厂排放总量的40%,  70%,  50%以上;同时,烧结烟气中含有SO2, NOX, HF、重金属、二噁英等多种有害气态污染物及含铁粉尘、重金属等固态污染物,对环境危害极大。因此,全面控制烧结烟气中的颗粒物、SO2 , NOX等多污染物排放已经成为钢铁企业控制污染的重点工作。

在治理初期,我国烧结厂采取的废气治理措施很少,只是为了保护风机,才在烧结机机头烟气系统中设置了旋风或多管除尘器。随着安全防尘和环境保护要求的提高,从治理主要尘源逐步发展到治理生产流程中的各个尘源,钢铁企现有环保水平与新标准排放限值相比,还存在较大差距。

在烧结粉尘治理方面,目前,国内大多数烧结厂家仍然采用3-5电场电除尘器,而采用湿法脱硫的烧结烟气处理工艺,几乎都没有加装湿式电除尘器;再加上烧结烟气粉尘具有高比电阻和粉尘粒径细的特点,对粉尘的捕集十分不利,且易造成二次飞扬,致使除尘效率下降。

现阶段,多数烧结厂颗粒物排放浓度一般在50-80mg/m3之间,有些甚至大于100 mg/m3,远远超过超低排放值规定的10mg/m3的要求。在二氧化硫治理方面,烧结烟气二氧化硫超低排放限值为35mg/m3,而目前未配套脱硫设施的企业排放浓度通常在600mg/m3以上,即使已经配套了脱硫设施,根据环保部的减排核查结果,烧结脱硫设施平均综合脱硫效率不足50%,与新标准要求相距甚远。

在氮氧化物治理方面,烧结过程中产生的氮氧化物80%一90%来源于燃料中的氮,且90%以上为一氧化氮,5%-10%为二氧化氮和微量一氧化二氮,产生量为0.4-0.7kg/t,排放量占钢铁厂NO总量的50%左右,排放浓度一般为200-350mg/m3,与氮氧化物50mg/m3的超低排放限相距甚远。

烧结所使用的燃料中氮的含量不同、烧结过程温度的波动、烧结矿产量的变化等都会直接影响到氮氧化物的产生,由此造成烧结机排放烟气中氮氧化物浓度的不同与变化。

与燃煤电厂相比,包括钢铁在内的非电行业对我国污染排放贡献越来越大,钢铁企业的环保治理相对比较落后,排放标准相比燃煤电厂也较为宽松。钢铁企业要在短时间内实现全面提效改造,实现超低排放,改造任务十分艰巨。

3烧结烟气超低排放技术路线

随着国家标准对烧结烟气污染物排放限值的不断修订和环保要求的不断提高,以往对烧结烟气“头疼医头,脚疼医脚”的单一治理方式已经无法适应当今环保形势的要求。与火电厂燃煤锅炉不同的是,钢铁行业生产工序复杂,污染源数量多。

针对烧结烟气的特殊性,要想实现烧结烟气超低排放,必须结合钢铁企业的实际情况,采用最优的治理方案对尘一硫一硝进行综合治理,实现多污染物的协同处理,才能从根本上解决烧结烟气的超低排放问题。从目前各种大气污染治理技术来看,实现钢铁烧结机头烟气超低排放,主要

有以下4种技术路线:

①高效静电除尘器+活性炭脱硫脱硝一体化装置+布袋除尘器工艺;

②高效静电除尘器+烟气加热装置+中高温SCR脱硝装置+烟气换热装置+石灰石石膏法脱硫装置+湿式静电除尘器+选装脱自装置;

③高效静电除尘器+烟气加热装置+中高温SCR脱硝装置+烟气换热装置+高效脱硫除尘除雾装置(尘硫一体化装置);

④高效静电除尘器+烟气加热装置+中高温SCR脱硝装置+烟气换热装置+MEROS干法脱硫装置+布袋除尘器工艺。

对于烧结烟气来说,无论是除尘技术,还是脱硫工艺,都已十分成熟,也形成了一整套的技术路线,只要技术选用合理、设计规范、工程质量过关,完全可以实现钢铁烧结烟气的超低排放,显著削减钢铁企业大气污染物排放量。

3.1高效除尘技术

静电除尘器技术以其安全、可靠、除尘效率高的特点仍作为各行业烟气治理技术的首选。

目前,国内大多数烧结烟气除尘仍采用电除尘器,随着时间的推移,高效除尘器数量逐渐增加,而低效除尘器逐渐减少。除尘器的形式也发生了变化,由电除尘器替代了效率较为低下的旋风除尘器和多管除尘器,电除尘器的选型也由原来3电场改为4一5电场。

针对烧结烟气高比电阻的特点,在实际工作中,着重考虑电场风速、比集尘面积、电源形式和结构形式等,确保电除尘器的高效、可靠运行。随着环保排放标准的不断提升和各地非电行业超低排放政策的相继出台,电除尘技术,特别是提效改造技术仍有较大的发展空间,电除尘器技术将在包括钢铁烧结在内的非电行业,实现技术全面提升和市场全面拓展。

众所周知,布袋除尘器以其除尘效率高、不受工况波动影响等诸多优点在各行业烟尘治理领域被广泛应用。在烧结烟气超低排放处理路线中,布袋除尘器布置在活性炭脱硫脱硝装置和半干法脱硫装置后,其功能有2个:

①进一步将烟气中的粉尘和固体颗粒物分离出来,在出口处产生清洁无尘烟气,起到精除尘的作用;

②在布袋外侧不断累积粉尘层,包括消石灰干粉和活性炭,这样烟气中的污染物在半干法脱酸塔后可以与烟气中的有害酸性气体继续反应,提高去除效率,同时,吸附重金属和有机物等。

湿式静电除尘器(WESP)作为烟气治理工艺的终端设备布置在湿法脱硫装置后,它可以有效收集微细颗粒物(PM2.5 ,SO3酸雾、气溶胶)、重金属(Hg, As, Se, Pb, Cr)、有机污染物(多环芳烃、二噁英等),除尘效率可达70%一85% ,有效控制脱硫塔后细颗粒物、硫酸雾滴和石膏浆液等污染物的排放,同时,解决WFGD带来的“石膏雨”、蓝烟的问题,缓解下游烟道烟囱腐蚀的情况,节约防腐成本。

目前,国内采用的湿法脱硫几乎都没有加装WESP,颗粒物排放浓度一般只能达到50一80 mg/m3,在这种情况下实现超低排放是不可能的。在湿法脱硫后建设湿式电除尘器,完全可以作为烟囱前的最后一道技术把关措施,在实现超低排放,全面解决烟尘、PM2.5、石膏雨、SO3、汞、多种重金属、二噁英和多环芳烃(PAHS)等多种污染物问题方面发挥重要作用,为治理雾霆作出贡献。因此,钢铁企业湿法脱硫系统后加装WESP是达到环保超低排放的必要措施,应用前景广阔。

3.2高效脱硫技术

3.2.1石灰石一石膏湿法脱硫技术

石灰石一石膏湿法是目前国内外应用范围最广、技术最成熟的脱硫技术。湿法脱硫工艺的高效性、可靠性在火电燃煤锅炉烟气治理中已经得到充分证明。目前,在我国已有烧结烟气脱硫装置中,约有80%是湿法,有60%是石灰石膏法。石灰石一石膏法工艺系统稳定可靠,效率高,一般可达90%以上,工业化应用广泛,烟气处理量大,系统适应负荷变化能力强,吸收剂价格便宜,易得且利用率高,副产品为二水石膏,可回收再利用。

3.2.2高效脱硫除尘除雾(尘硫一体化)技术

采用双气旋脱硫增效器+多级气旋除尘除雾器相结合技术,在空塔喷淋吸收塔内加装双气旋脱硫增效气液藕合器,使浆液液滴与烟气充分混合碰撞,烟气迅速降温,为上层喷淋层浆液吸收二氧化硫提供最佳反应温度,从而扩大了有效的吸收空间,有效降低液气比,减少喷淋层加装量,降低改造投人费用和运行成本,有效解决了烟气偏流和烟气降温的问题,使得整个吸收系统运行更加稳定、可靠,避免液滴二次破碎雾化产生气液夹带造成浆液二次污染的问题。

经喷淋处理后的脱硫净烟气含有大量的雾滴,雾滴由浆液液滴、凝结液滴和尘颗粒组成,当这部分烟气进人多级气旋高效除尘除雾器时,气旋板使脱硫净烟气在气旋筒内高速旋转,在气旋器上方形成气液两相的剧烈旋转和扰动,从而使得净烟气中的细小液滴、细微粉尘颗粒、气溶胶等微小颗粒物互相碰撞团聚成大液滴。

在气旋板的作用下,脱硫净烟气向外做离心运动,聚合形成的大液滴与气旋筒壁碰撞,被气旋筒壁表面液膜捕获,从而达到去除微小颗粒物和高效除尘除雾的目的。该技术对烟气污染物含量和负荷波动适应性强,负荷30%-100%均可稳定运行。

系统整体工程量小、简单易行、可靠性高。到目前为止,采用该技术运行的脱硫装置可实现稳定脱硫效率99%以上,除尘效率超过70%,完全实现了烟尘和SO:超净排放,彻底消除了石膏雨’酸雨”现象,系统运行稳定、可靠性高

3.2.3   MERO S改进型干法烧结废气处理工艺

MEROS是一种高效的干法烟气脱硫工艺,是由西门子奥钢联针对烧结厂和球团厂废气处理而开发的。该工艺技术主要分3步进行:

①将脱硫剂(消石灰)和碳基吸附剂(活性碳或活性褐煤)逆向喷吹到烧结废气管道中,以吸附酸性气体,去除重金属和有机物成分;

②废气通过调节反应器并用双流(水/压缩空气)喷嘴进行冷却和加湿,以促进废气中SO2和其他酸性气体成分的反应,加快脱除速度;

③经过调节反应器的废气高效布袋除尘器分离粉尘。MEROS技术投人工业应用后,烧结废气的净化效果完全达到了预期指标,在高效脱除SO2的同时(脱硫效率可达90%以上),粉尘排放量减少了99%以上,降到5 mg/Nm3以下;汞和铅的排放分别减少了97%和99%;有机物,比如二噁英和吠哺(PCDD/F)以及有机挥发分去除了99%以上。

该技术与其他烟气脱硫技术相比的优势在于,可以选择多种脱硫剂,末尾采用高效的布袋除尘器来把关出日烟气,可完全达到业主和环保标准要求的污染物排放浓度。

同时,该技术采用废气循环系统,将部分烧结烟气循环使用,以减少废气量,提高净化效率,大幅度降低添加剂的成本。

该技术不仅可以高效脱除烟气中的SO2,还可以有效去除HCl, HF,Hg以及各种有机废气,实现多种污染物协同处理,符合未来烟气治理的大方向,可深度有效地净化烧结废气,有着广阔的发展空间。

3.3SCR脱硝和活性炭吸附技术

烧结机头烟气除尘、脱硫工艺都已经十分成熟,形成了一整套的技术路线,但脱硝应用的实例还比较少。目前,烧结机头烟气脱硝工艺有以下几种:氧化法脱硝、中低温SCR脱硝、中高温SCR脱硝和活性炭脱硝。根据烧结烟气的特点,建议把中高温SCR脱硝和活性炭脱硝作为烧结烟气脱石肖的可行技术。

3.3.1中高温SCR脱硝技术

氧化法脱硝和中低温SCR脱硝技术都存在着一些弊端,使其应用受到一定的影响。长期连续大量采用氧化脱硝工艺进行烟气脱硝,会导致脱硫脱硝副产物中产生大量的硝酸钙,对副产物的综合利用会产生一定的影响,其影响程度以及相应的对策途径还需作进一步的研究。

中低温SCR脱硝,其反应温度区间在200℃以下,与中高温SCR脱硝相比更接近钢铁烧结烟气温度。但是,目前中低温SCR脱硝应用于烧结烟气,仍有4个关键问题需要解决:

①中低温SCR脱硝催化剂抗毒性比较差,易受到烟气中硫氧化物、水、重金属等物质的影响,因此,中低温SCR脱硝装置只能布置在除尘、脱硫塔后部;

②烧结烟气温度,特别是脱硫后的烟气温度,无法达到中低温SCR脱硝反应温度区间,仍然需要进行烟气再加热;

③与中高温SCR脱硝催化剂相比,中低温SCR脱硝催化剂的造价和运行费用比较高;

④中低温SCR催化剂对烧结烟气中的二噁英没有去除作用。

中高温SCR脱硝,即在催化剂的作用下,向温度320-450℃的烟气中喷人NH3,利用NH3将NO和NO2还原成N2和H2O的工艺过程,是迄今为止比较成熟、应用最广的脱硝技术,具有较高的脱硝效率,其脱硝效率可达80%-90%。中高温SCR脱硝是在火电燃煤锅炉烟气脱硝中应用十分成熟的脱硝工艺,完全可以将其移植至烧结烟气上,关键是SCR脱硝装置前的烟气加热系统和SCR脱硝装置后的烟气换热系统的设计。

在实际应用过程中,将烟气换热回收的热量再用于前端加热烟气,可以降低能耗,即启动中高温SCR脱硝装置时需要将150℃左右的烟气加热至280℃以上,消耗的热源比较大;在设备正常运行过程中,通过换热器回收热量再利用,只需要额外再补充30-50℃升温即可。另外,中高温SCR脱硝还需将反应温度区间控制在300℃以下,避免二噁英在分解后再次合成。

3.3.2活性炭吸附技术

活性炭吸附技术是目前公认的、最适用于钢铁烧结烟气多污染物的协同治理技术。活性炭烟气净化技术以物理一化学吸附和催化反应原理为基础,以活性炭为吸附剂,吸附烟气中的SO2,完成吸附后的活性炭再通过加热的方式再生,解吸出高浓度SO2混合气体可用来制取98%商品硫酸,脱硫率可达95%.由于活性炭的催化作用,加人适量的氨可将烟气中的NOX还原成N2和H2O,脱硝效率可达到50%.除了脱硫和脱硝,该技术可同步脱除碳氢化合物,比如二噁英,重金属,比如水银及其他有毒物质,整个反应过程无废水、废渣排放,无需烟气再热,无二次污染,技术先进成熟,在实现烟气综合治理的同时使废物得到资源化利用。

活性炭脱硝工艺在系统设计时应采用两段式设计,在前端脱硫反应结束后再喷氨进行脱硝,以提升脱硝效率,同时有必要在活性炭装置后增设高效袋式除尘器,以确保实现氮氧化物的超低排放。

一直以来,活性炭工艺被认为是最适用于钢铁烧结烟气的多污染物协同治理技术,但由于活性炭工艺对系统设计、设备配置和运行管理的要求比其他治理工艺更加严格,活性炭生产过程产生的废气、废水污染严重,治理难度大,随着活性炭使用量的增加,不仅会大幅增加上游产业链的污染物排放量,还会让活性炭的价格飞涨,进一步增加活性炭装置的运行成本。

同时,由于活性炭装置的副产物硫酸的利用途径有限,且属于危险化学品,活性炭工艺大面积推广后,活性炭使用量和硫酸副产物产生量将大幅增加,在硫酸的贮存、运输和利用方面还存在一系列问题,因此,活性炭工艺的大面积推广会受到一定程度的制约。

由于烧结所使用的原料中硫、氮的含量不同,烧结过程温度的波动、烧结矿产量的变化和不同的生产工艺等因素都会影响到烧结烟气污染物的产生量,对烧结烟气的治理路线也各不相同。

在上述钢铁烧结烟气超低排放技术路线的基础上,钢铁企业还可以实施烟气循环改造,将部分烧结机头烟气再次引至烧结料层表面,循环再利用,使废气外排总量减少20%-40%,从而进一步减少颗粒物、SO2 , NOx的排放量,同时,还可以减少后续除尘、脱硫、脱硝装置投资和运行费用。除此之外,烟气循环还可将废气中的CO及其他可燃有机物通过烧结燃烧带时重新燃烧,有效减少烧结废气中CO的排放量,实现烧结烟气的超低排放。

4结束语

随着包括钢铁烧结在内的非电领域烟气超净治理时代的全面到来,2025年底前,我国将完成钢铁产能改造近20亿吨,钢铁行业整体超低排放改造市场空间超过800亿元,市场空间将稳步释放,市场前景广阔。

烧结烟气作为钢铁企业大气污染的主要来源,现在乃至今后都将是钢铁企业环保治理的重点,多污染物协同治理技术的开发与产业化应用也是未来烧结烟气综合治理的发展方向。排污治理将会向尘一硫一硝多污染物综合治理的方向发展,因此,应当根据各钢铁企业的具体情况,选择最适合的烟气净化工艺,在粉尘治理的基础上兼顾SO2 , NOX、二噁英等多污染物的治理,逐步消除烧结烟气污染给经济发展和环境带来的消极影响,促进钢铁企业的可持续发展。

本文发表于《科技与创新 》 2018年 第16期

作者:吕平,雷国鹏

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