宋清明，代 兵

(河鋼集團(tuán)邯鋼設(shè)計(jì)院，河北 邯鄲 056015)

摘要: 介紹了河鋼邯鋼響應(yīng)國家減排號(hào)召，在 2# 435 m² 燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行的國內(nèi)首套逆流活性炭煙氣凈化裝置的研究與應(yīng)用情況。該逆流吸附裝置中進(jìn)行了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，具體包括: 脫硫區(qū)和脫硝 區(qū)分離吸附技術(shù)、模塊疊加技術(shù)、模塊離線技術(shù)、多點(diǎn)噴氨與混勻一體化技術(shù)、活性炭靜態(tài)分揀技術(shù)等。煙氣凈化裝置應(yīng)用后，具有處理燒結(jié)煙氣 150 萬 Nm³/ h 的能力，煙氣排放指標(biāo)達(dá)到了國家現(xiàn)行超低排放要求。

關(guān)鍵詞: 燒結(jié)煙氣；逆流；活性炭；脫硫脫硝分離；模塊疊加和離線技術(shù)；多點(diǎn)噴氨與混勻一體化；靜態(tài)分揀

0  引言

京津冀地區(qū)是我國鋼鐵工業(yè)最集中的地區(qū)之一。在鋼鐵工業(yè)中，燒結(jié)工序產(chǎn)生的顆粒物、SO₂、NO_x 和二噁英等污染物分別約占鋼鐵生產(chǎn)總排放量的 40% 、60% 、30% 和 95% ，是鋼鐵生產(chǎn)中最主要的污染物產(chǎn)生環(huán)節(jié)。

進(jìn)入“十三五”以來，隨著國家減排指標(biāo)越來越嚴(yán)格，除了嚴(yán)格要求 SO₂ 和顆粒物的排放指標(biāo)外，已經(jīng)進(jìn)一步要求 NO_x、二噁英、重金屬等減排指標(biāo)。

借鑒發(fā)達(dá)國家燒結(jié)煙氣治理的經(jīng)驗(yàn): 活性炭一體化凈化技術(shù)能同時(shí)脫除 SO₂、NO_x、二噁英、重金屬及粉塵等多種污染物，并且能回收硫資源，是一種較為理想的資源回收型綜合煙氣治理技術(shù)。之前，在我國太鋼、永鋼、日鋼、寶鋼等企業(yè)進(jìn)行了錯(cuò)流活性炭技術(shù)的運(yùn)用，運(yùn)行情況表明單級(jí)活性炭錯(cuò)流吸附工藝對(duì)燒結(jié)煙氣中污染物的凈化水平還難以達(dá)到超低排放的要求。

河鋼邯鋼通過對(duì)歐洲企業(yè)考察得到的啟迪，逆流吸附技術(shù)具有極高的污染物脫除率，結(jié)合國內(nèi)錯(cuò)流工藝生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)國產(chǎn)活性炭逆流吸附技術(shù)實(shí)現(xiàn)污染物的超低排放具有可行性。鑒于此情況，河鋼邯鋼于 2015 年 6 月成立了項(xiàng)目組，決定在2# 435 m²燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行國內(nèi)首套逆流式活性炭凈化裝置的研究與開發(fā)。

1 技術(shù)方案

1．1 逆流煙氣吸附裝置

逆流技術(shù)相比于錯(cuò)流技術(shù)，除氣相與固相接觸的動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)外，要實(shí)現(xiàn) SO₂≤35 mg /Nm³、NOx≤50 mg /Nm³、顆粒物≤10 mg /Nm³的超低排放指標(biāo)，需把煙氣中各種污染物的高效吸附和污染物的超低排放做為研究重點(diǎn)。為此，在逆流吸附裝置的研制中進(jìn)行了如下攻關(guān)。

1． 1．1 脫硝反應(yīng)區(qū)與脫硫吸附區(qū)分離

通過調(diào)研和理論分析，在吸附裝置中把脫硫、脫硝兩段任務(wù)，分 2 個(gè)步驟完成煙氣凈化。即在第一個(gè)活性炭床層進(jìn)行粉塵、二噁英、重金屬、SO₂、鹵化物的脫除，煙氣分離出來再進(jìn)入下一個(gè)活性炭床層完成脫硝任務(wù)。該方案可以充分發(fā)揮兩個(gè)工藝過程的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，有利于提升污染物的脫除效率。脫硝反應(yīng)區(qū)與脫硫吸附區(qū)分離示意圖如圖 1 所示。

為實(shí)現(xiàn)脫硫與脫硝分區(qū)完成，在脫硫與脫硝之間的有限空間內(nèi)設(shè)置過渡區(qū)。過渡區(qū)采用活性炭排料漏斗組、配氣格柵與布料管組集成布置的方式，具體技術(shù)方案如下。

(1) 脫硝段排料漏斗組。在吸附模塊活性炭脫硝床層底部6．0 m × 6．6 m 的截面上，吸附模塊設(shè)置為相互分隔的 110 個(gè) 0．56 m × 0．56 m 的排料大斗，每個(gè)排料大斗之上嵌入了 4 個(gè) 0．3m × 0．3m 的排料小斗。脫硝床層中的活性炭在重力作用下通過排料小斗、排料大斗，實(shí)現(xiàn)活性炭從脫硝段向脫硫段的排料功能。

(2) 配氣格柵。排料大斗內(nèi)側(cè)與嵌入其內(nèi)的小斗四周留有 30 mm 的環(huán)形縫隙，每個(gè)模塊 6 0 m ×6．6 m 在截面上共計(jì) 440 個(gè)環(huán)形縫隙。密集、均勻分布的環(huán)形縫隙構(gòu)成了配氣格柵結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。這樣，從吸附塔下部進(jìn)入的煙氣在壓力的驅(qū)使下，通過配氣格柵進(jìn)入活性炭床層中，與模塊中的活性炭逆流接觸，實(shí)現(xiàn)煙氣均勻配氣功能。

3) 脫硫段布料管組。吸附模塊過渡段的每個(gè)排料大斗下部連接一段 0．12 m × 0．12 m 矩形管道，每個(gè)模塊在 6．0 m × 6．6 m 截面上共有 110 個(gè)矩形管道，均勻布置的管道組構(gòu)成下部活性炭床層的布料管組，管道下的活性炭形成自然堆角，完成脫硫床層的布料任務(wù)。

這樣，排料漏斗組、配氣格柵與布料管組實(shí)現(xiàn)了在脫硫脫硝過渡區(qū)有限空間內(nèi)的集成布置，解決了脫硫區(qū)與脫硝區(qū)有效分離的難題。

1．1．2 活性炭的布料與排料裝置

吸附塔箱體尺寸較大，水平截面達(dá)到 6．0 m ×6．6 m，截面上不同部位的活性炭移動(dòng)速度不可能完全一致，極易導(dǎo)致活性炭的偏析，影響煙氣分布的均勻性。項(xiàng)目組創(chuàng)新設(shè)計(jì)了可精細(xì)化控制的布料裝置與推拉式排料裝置，如圖 3 所示。該裝置解決了活性炭布料與排料偏析問題。

在吸附塔每個(gè)模塊頂部設(shè)有活性炭儲(chǔ)料箱?；钚蕴靠恐亓膬?chǔ)料箱流入模塊上部的布料斗，每個(gè)模塊共由 106 個(gè)小布料斗組成，布料斗下面連接一段管道，活性炭經(jīng)過管道并在管道的下口面自然堆積形成活性炭床層的頂面。從下逆流而上與活性炭經(jīng)過充分接觸并發(fā)生反應(yīng)后的煙氣也從該處與活性炭分離開來，該煙氣為凈煙氣，進(jìn)入與箱體相連的煙道中，自上而下的活性炭依次進(jìn)入脫硝床層。

排料裝置為氣動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)，安裝在吸附塔配氣格柵板的下方，是吸附塔內(nèi)唯一的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它帶動(dòng)整個(gè)卸料耙子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每一次的排料可以使活性炭床層均勻地向下平移，整個(gè)床層截面垂直流動(dòng)。床層上部的活性炭由儲(chǔ)料箱經(jīng)過布料斗自動(dòng)補(bǔ)充到床層頂部，使活性炭床層高度始終保持穩(wěn)定。

該裝置應(yīng)用后，吸附塔模塊內(nèi)床層布料與排料均勻、穩(wěn)定，煙氣分布均勻，無活性炭偏析現(xiàn)象。

1．2 模塊組的上、下疊加技術(shù)

將傳統(tǒng)平行布置的 2 個(gè)模塊組進(jìn)行上下疊加。上層模塊組與下層模塊組具有完全一樣的裝料、脫硝、噴氨、脫硫和排料等功能。模塊組疊加以后活性炭裝料系統(tǒng)和活性炭排料系統(tǒng)共用，實(shí)現(xiàn)吸附裝置總占地面積減少 50% ，上部鋼結(jié)構(gòu)和下部鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量減少 50% 。

模塊組上下疊加技術(shù)的主要難點(diǎn)是，解決模塊組之間的活性炭輸送通道的交叉與隔離、模塊組之間進(jìn)出煙氣通道的交叉與隔離問題。為此進(jìn)行了如下攻關(guān):

(1) 上、下層模塊組的排料、裝料通道設(shè)置

位于上層的模塊組，活性炭的進(jìn)料口直接與頂部鋼結(jié)構(gòu)上的裝料緩沖罐相連，實(shí)現(xiàn)活性炭的裝料?；钚蕴康呐帕鲜菑纳蠈酉潴w底部卸料，下部由于布置有下層模塊組，因此上層模塊組的排料通道被下層模塊組遮擋，無法實(shí)現(xiàn)上層模塊組的排料。同理，下層模塊組上部布置有上層模塊組，因此下層模塊組的裝料通道也被上層模塊組遮擋，無法實(shí)現(xiàn)下層模塊組的裝料。

為此，將上層模塊組的箱體底部設(shè)置 4 個(gè)內(nèi)置排料斗，排料斗與 4 根排料管道相連，4 根管道從下層模塊組穿過，可以直接排到最下部的鎖氣斗中，實(shí)現(xiàn)了上層模塊組的順利排料。同理，下層模塊組頂部緩沖斗上方設(shè)置 4 根裝料管道，4 根管道從上層模塊組穿過，可以直接與頂部的裝料緩沖罐相連，實(shí)現(xiàn)了下層模塊組的順利裝料。而4 根直徑為 DN200mm 的管道，在 6 m × 6． 6 m 的模塊截面上僅占 3‰ 的面積，不會(huì)對(duì)模塊組活性炭床層造成影響。

(2) 共用鎖氣斗

上、下模塊組的排料斗與原煙氣進(jìn)氣煙道相連，內(nèi)部為 3 500 ～ 4 500 Pa 的正壓，如果排料斗中的活性炭直接排入鏈斗機(jī)中，煙氣將隨活性炭通道外泄而污染外部環(huán)境。為此開發(fā)了共用鎖氣斗，解決了活性炭外排時(shí)煙氣密封難題，實(shí)現(xiàn)了上、下模塊組共用 1 個(gè)卸料口，保證煙氣密封不串流，實(shí)現(xiàn)了模塊組的排料功能，同時(shí)降低了投資。

1．3 活性炭模塊離線技術(shù)

將吸附塔分成 64 個(gè)獨(dú)立模塊，模塊間均有獨(dú)立的煙氣切斷閥門與活性炭切斷閥門，如圖 5 所示( 圖中右側(cè)模塊為離線檢修狀態(tài)) 。當(dāng)某一模塊因某種原因需要維護(hù)時(shí)，可以切斷該模塊的煙氣閥門與活性炭閥門，將該模塊隔離出來，而其他模塊仍正常工作，實(shí)現(xiàn)模塊離線檢修，完成檢修后，可以根據(jù)實(shí)際需要再重新投入系統(tǒng)中運(yùn)行。

另外，模塊出現(xiàn)熱點(diǎn)報(bào)警或燒結(jié)煙氣量過低而打破模塊內(nèi)部熱平衡時(shí)，同樣通過切斷該模塊的煙氣閥門與活性炭閥門，將該模塊隔離出來，自動(dòng)向模塊內(nèi)充 N2 進(jìn)行保護(hù)，可防止活性炭溫度持續(xù)升高引發(fā)安全事故。

活性炭模塊離線檢修技術(shù)可以將需檢修的任何模塊組離線，而不影響其他模塊組的正常運(yùn)行，吸附裝置的理論作業(yè)率可達(dá)到 100% 。

1．4 多點(diǎn)噴氨與混勻一體化技術(shù)

國內(nèi)脫硝技術(shù)通常利用液氨作為脫硝劑，液氨蒸發(fā)后轉(zhuǎn)化為高純度氨氣，作為還原劑有效成分高、運(yùn)行成本低。但液氨同時(shí)也是高?；?，氣態(tài)時(shí)與空氣混合易發(fā)生爆炸，其儲(chǔ)存、運(yùn)輸環(huán)節(jié)均有極嚴(yán)格的要求。

針對(duì)上述問題，采用氨水替代液氨作為脫硝還原劑的技術(shù)思路。并通過煙氣中水分對(duì)活性炭脫硝率的影響測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該思路的可行性。通過研發(fā)氨水的高效汽化與稀釋系統(tǒng)。以及多點(diǎn)噴氨與混勻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以氨水為還原劑的高效脫硝技術(shù)。

(1) 氨水為脫硝還原劑的特點(diǎn)

項(xiàng)目組通過調(diào)研、分析，提出了以氨水作為脫硝還原劑的技術(shù)思路，并開展了煙氣中水分對(duì)活性炭脫硝率的影響測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

通過實(shí)驗(yàn)，將不同水分含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成NO 的還原曲線，如圖 6 所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 采用 18% 的氨水作為還原劑，氨水氣化為氨蒸氣，由氨水氣化后帶入的水蒸氣，僅會(huì)使煙氣的含水量提高 0．39%，其帶入燒結(jié)煙氣的水分引起煙氣含水量的變化對(duì)脫硝率的影響十分有限。

濃度為 18% ～ 25% 的氨水作為還原劑安全、有效，同時(shí)氨水具有濃度低、擴(kuò)散范圍小、濃度范圍易控制、無需壓力容器儲(chǔ)存等優(yōu)勢(shì)，比較適合場(chǎng)地有限的企業(yè)使用。

(2) 氨水的高效汽化與稀釋

①采用噴頭高效霧化、高溫稀釋氣化技術(shù)。在氨水氣化爐周圍設(shè)置了氨水噴槍，利于壓縮空氣對(duì)氨水高效霧化。霧化的氨水與氣化爐頂部來自氨加熱爐換熱器的 500 ℃ 熱空氣逆向接觸，使霧化氨水充分氣化，沿氣化爐從上至下經(jīng)過氣化、混勻等過程，并將氨氣濃度降低到 5% 以下，稀釋后的氨蒸氣在 200 ℃左右被送到吸附塔噴氨區(qū)進(jìn)行噴氨。

②采用帶輻射換熱器與列管式換熱器的立式加熱爐系統(tǒng)?？商峁┌彼畾饣c稀釋所需要的 500 ℃熱空氣。

(3) 多點(diǎn)噴氨與混勻技術(shù)

在吸附塔 64 個(gè)模塊中，每個(gè)模塊均配置了 5 個(gè)噴槍，并創(chuàng)新性地在每個(gè)噴槍端部設(shè)置了氨氣擴(kuò)散圓盤( Φ 300 mm) ，圓盤下方 80 mm 處設(shè)有與噴槍一一對(duì)應(yīng)的煙道支管。氨氣通過噴槍沿圓盤徑向擴(kuò)散，同時(shí)脫硫后的煙氣經(jīng)煙道支管與噴槍圓盤充分接觸，同樣沿圓盤徑向擴(kuò)散。該方式下煙氣無其他通道，煙氣與氨氣接觸面顯著增大，混勻效果更為理想。

1．5 靜態(tài)分揀技術(shù)

活性炭作吸附劑的煙氣凈化裝置要求活性炭床層具有良好的透氣性，以降低系統(tǒng)阻力。隨著工藝運(yùn)行時(shí)間的增加，活性炭經(jīng)過磨損和化學(xué)消耗，顆粒尺寸會(huì)越來越小。小顆粒及粉塵充斥在活性炭床層縫隙中會(huì)增大煙氣阻力，如果分布不均勻還會(huì)形成偏析引起不穩(wěn)定氣流，增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，降低吸附效果。且活性炭粉容易堆積在吸附塔內(nèi)，積熱造成局部溫度升高，形成熱點(diǎn)，嚴(yán)重威脅工藝系統(tǒng)安全。一般采取的解決措施是在活性炭輸送系統(tǒng)中設(shè)置一臺(tái)高效平衡式振動(dòng)篩，篩分出小顆粒活性炭，但由于活性炭粉塵和小顆粒比重較小，在除塵風(fēng)的影響下，很難去除干凈。

針對(duì)該情況，項(xiàng)目組研發(fā)了獨(dú)特的活性炭風(fēng)篩分揀裝置，如圖 7 所示。

該裝置工作過程為: 含粉的活性炭從給料裝置的進(jìn)料口進(jìn)入，大小可調(diào)節(jié)，活性炭由自重沿進(jìn)料管向下流動(dòng)，散落在散料器頂部蘑菇頭上向四周散落，再經(jīng)過主分選、次分選實(shí)現(xiàn)活性炭的均勻離散分布，與逆流而上的熱空氣充分接觸。在熱空氣流的帶動(dòng)下，活性炭中的粉塵、小顆粒逐步經(jīng)過流化、懸浮、分離等過程，最終在氣流的牽引作用下被分離出來。

該裝置進(jìn)風(fēng)口帶有調(diào)節(jié)閥門，通過調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)的熱空氣流量，改變風(fēng)篩內(nèi)部氣流速度，以達(dá)到將不同粒徑的小顆粒活性炭分離的目的。此外，該裝置入口熱空氣是利用解析塔廢熱煙氣換熱而來，充分利用了余熱?；钚蕴拷?jīng)過風(fēng)篩分揀后，小于等于 2．5 mm的小顆粒及粉塵含量降低到 0．1% 以下，保證了活性炭床層良好的透氣性，降低活性炭床層阻力，減小 產(chǎn)生熱點(diǎn)的可能性。

2  結(jié)語

項(xiàng)目于 2017 年 3 月 19 日在河鋼邯鋼 2 # 435m²燒結(jié)機(jī)上實(shí)施后，燒結(jié)煙氣的各項(xiàng)排放指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)的最好水平，SO₂≤5 mg /Nm³，NO_x≤40 mg /Nm³，顆粒物≤10 mg /Nm³，低于國家超低的排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了超低排放和綠色清潔生產(chǎn)。

逆流吸附裝置是針對(duì)錯(cuò)流吸附工藝存在的一系列問題進(jìn)行的創(chuàng)新，在充分利用了逆流技術(shù)在氣固接觸上的動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，為我國燒結(jié)煙氣治理技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步進(jìn)行了有益探索與實(shí)踐，對(duì)推動(dòng)燒結(jié)煙氣凈化技術(shù)的升級(jí)，為京津冀地區(qū)乃至全國大氣治理工作起到良好引領(lǐng)與示范作用。