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浅谈昆钢烧结烟气超低排放技术路线选择

文章来源: 更新时间:2019-09-04 17:03

北极星大气网讯:摘要:钢铁生产是高耗能重污染行业,而烧结烟气又是钢铁企业主要的大气排放环节,占整个钢铁企业排放总量的很大比例。随着继燃煤电厂实行超低排放改造后,推行钢铁行业超低排放和污染物总量控制政策的影响,烧结烟气治理首当其冲的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的方向转变。通过对烧结烟气治理现状的分析,论述了昆钢走烧结烟气污染物协同治理路线,实现烧结烟气超低排放的改造工作。

关键词:烧结烟气;脱硫;脱硝;超低排放

引言

继燃煤电厂实行超低排放改造后,非电行业超低排放成为重点,钢铁行业无可争议成为下一个超低排放改造的主战场。2018年的政府工作报告中,钢铁行业的超低排放改造被专门点出。同年的生态环境保护大会也明确,将启动钢铁行业超低排放改造。2018年1月,原环保部发布《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年10月1日起全面执行大气污染物排放标准特别排放限值,烧结球团工序烟气颗粒物小于20mg/m3、SO2小于50mg/m3、NOx小于100mg/m3。2018年5月,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),再次刷新了排放限值,其中烧结机头、球团焙烧烟气超低排放受到的关注度最高,在基准氧含量16%的条件下,颗粒物小于20mg/m3、SO2小于50mg/m3、NOx小于100mg/m3。征求意见稿明确,新建(含搬迁)钢铁项目要全部达到超低排放水平;到2020年10月底前,京津冀及周边、长三角、汾渭平原等大气污染防治重点区域具备改造条件的钢铁企业基本完成超低排放改造;到2022年底前,珠三角、成渝、辽宁中部、武汉及其周边、长株潭、乌昌等区域基本完成;到2025年底前,全国具备改造条件的钢铁企业力争实现超低排放。过去的2018年一年,部分省市的钢铁企业率先实行了超低排放改造,项目建成并投入运行。

1昆钢烧结烟气治理现状

烧结是钢铁生产的重要工序,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。

目前昆钢有四个钢铁生产基地,分别位于云南昆明市、玉溪市和红河州,均为单系统生产。烧结机300m2和260 m2各两台,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,2018年颗粒物、SO2、NOX排放量分别占排放总量的40%,70%,80%。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。多污染物排放已经成为钢铁企业控制污染的重点工作,昆钢2010年开始全面控制烧结烟气中的颗粒物、SO2、NOX,四个钢铁生产基地相继建成环保设施对烧结烟气进行深度治理。

在烧结粉尘治理方面,目前,昆钢大多数烧结仍然采用3-5电场电除尘器,现阶段,烧结厂颗粒物排放浓度未进脱硫设施前,一般在50-80mg/m3之间,有些甚至大于100mg/m3,虽然经过脱硫设施处理后,排口满足现行排放标准,但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,昆钢钢铁烧结烟气采用石灰石-石膏法、氨法和循环流化床法进行烟气脱硫,其中湿法占比75%,因受原燃料条件的限制,目前烧结烟气脱硫设施入口SO2浓度普遍较高,一般在1000-2000mg/m3之间,有时甚至超过2500mg/m3以上。2018年烧结脱硫设施平均综合脱硫率93%左右。

在氮氧化物治理方面,目前暂未采用末端设施进行治理(其中一个基地的脱硝设施即将投入运行),主要从源头进行控制,使排放浓度达到现行排放限值要求。同时也认真研究烟气中NOX在烧结过程中产生的来源和产生机理,并进行控制实践,形成控制制度。烧结烟气中的NOX80%- 90%来源于燃料中的氮,且90%以上为NO,5%-10%为NO2和微量N2O,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NOX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。2018年脱硫入口NOx浓度一般在200-320mg/m3,虽然经过脱硫设施部分处理后能达到排放限值要求,但与NOx小于50mg/m3的超低排放限值相距甚远。

2烧结烟气超低排放技术路线

与锅炉烟气相比,烧结烟气温度变化大,随生产负荷的变化,烟气温度一般在80-185℃,昆钢烧结烟气温度正常生产情况下在150℃左右,瞬间会达到200℃;烟气携带粉尘多,粉尘主要有矿粉、金属、金属氧化物或不完全燃烧物质组成,一般浓度达80-200mg/Nm3,平均粒径为0.1-35μm;含湿量较大,一般在10-12%,露点在65-80℃;含SO2浓度高,根据原料和燃料的差异变化,一般在800-4000mg/Nm3;含氧量高,约16-17%。

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、硫、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,主要有活性炭脱硫脱硝一体化工艺、干法脱硫+中低温SCR脱硝工艺、湿法脱硫+中低温SCR脱硝工艺、臭氧脱硝+湿法脱硫等几种技术路线。

2.1脱硫技术路线

2.1.1湿法脱硫技术

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、可靠性在烧结烟气治理中已经得到充分证明。湿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。

2.1.2干法脱硫技术

是指应用粉状或粒状吸收剂、吸附剂或催化剂来脱除烟气中含硫化物的气体。2017年以后,在钢铁烧结烟气治理领域中干法得到了推广应用。

2.1.3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。

2.2脱硝技术路线

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脱硝和活性炭脱硝。

2.2.1氧化法脱硝技术

氧化法脱硝原理是利用臭氧、双氧水等氧化剂将烟气中的NO氧化为N2O5等物质后,再进入脱硫塔用碱性吸收剂进行吸收。

2.2.2中低温SCR脱硝技术

中低温SCR技术是在O2和催化剂存在的条件下,在120~300℃温度范围内,用还原剂NH3将烟气中的NOx还原为N2和H2O,其反应温度区间在200℃以下,和中高温SCR脱硝相比,更接近钢铁烧结烟气温度。

烧结烟气超低排放改造最大的难点是脱硝,烧结、球团工序烟气波动比较大,没有适应现有成熟脱硝工艺技术的温度气段。NOX控制方面,电力行业烟气温度相对稳定,而钢铁行业由于温度、湿度和烟气的组成比较复杂,会影响到工艺的操作条件,现有技术如何结合烟气特点做适当的变化,提高非电领域工业烟气净化成效,应成为当前我国工业烟气污染治理环保领域重要的科研攻关方向。

3昆钢烧结烟气超低排放技术路线选择

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。因烟气成分和工况更加复杂,钢铁等非电领域烟气超低排放技术要求更高,对应的投入也十分巨大,改造成功与否直接关系到企业的生存与发展。通过综合考虑,昆钢决定对2012年8月建成并投入运行的一套300㎡烧结机脱硫系统进行超低排放改造尝试。在选择超低排放技术路线时,选择技术上成熟可靠、经济上合理可行、运行上长期稳定、易于维护管理、具有一定节能效果的技术。

3.1工艺选择的顺序

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,显著削减烧结污染物排放量。从烧结烟气的工况来看,污染因子排放浓度从高到低排列顺序依次为,SO2>NOX>颗粒物,所以考虑工艺选择顺序时首先考虑脱硫工艺,其次是脱硝工艺,再次是颗粒物工艺。这是理想的选择顺序,实际上,受国家产业政策的限制,钢铁行业新增生产线不多,基本上是进行等量或减量置换,超低排放改造主要是对现有的环保设施进行改造,因此受生产、场地、原环保设施等诸多因素的影响。3.2脱硫工艺的选择

通过对国内常用方法活性炭吸附法、循环流化床、石灰石(石灰)—石膏法工艺的比较分析,结合昆钢300m2烧结烟气的实际情况进行考虑。首先考虑最适用于钢铁烧结烟气的多污染物协同治理技术活性炭工艺,因昆钢烧结烟气SO2浓度较高,需要设计三级装置才能达到超低排放限值,而且投资成本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;其次考虑的循环流化床干法,受脱硫副产物合法处置途径的影响;第三考虑的石灰石(石灰)—石膏法工艺,受脱硫副产物处置途径和脱硫废水的处置影响。

结合昆钢内部、外部的实际情况,从工艺可行性、脱硫效率、原材料采购、副产品处置利用等方面慎重考虑,最终采用技术较成熟、应用广泛、脱硫效率高的氨法脱硫工艺技术。

3.3脱硝工艺的选择

NOx源头控制是一种最佳的控制方法,采用此方法,烧结烟气排放基本能满足国家标准的要求,但此方法抑制NOx生成能力有限,难以满足日益严格的环保要求,必须配以其他NOx末端治理技术,在烧结烟气SO2采用湿法工艺路线的前提下,目前可供选择的NOx末端治理技术为数不多。

针对可供选择的氧化法脱硝、中低温SCR脱硝、活性炭脱硝工艺进行比选,因脱硫工艺已经选择了湿法脱硫,自然不能再选择活性炭脱硝工艺;在烧结机和球团流程上基本上没有直接适合中低温SCR脱硝的温度区间,要在对烟气脱硫除尘之后,把原本降到50℃左右的烟气再升温到200-300℃,所带来的能耗和运行费用提高也是不可避免的问题,相应的装备投入成本和占地等也都是问题;结合昆钢该基地氧气富裕的情况,参考上海梅钢及中石油云南石化分公司的应用案例,外出考察学习,最终选择工艺相对简单的臭氧脱硝工艺,鉴于臭氧脱硝存在的不足,为确保NOX排放浓度满足设计目标,与厂家合作时要求并采取达到设计能力才能付款等方式来规避投资风险。

3.4除尘工艺的选择

因受生产条件和场地的限制,除尘设施未做改进,依然沿用之前的除尘工艺。未能有效的从源头上降低进入脱硫脱硝设施的粉尘浓度,增加脱硫脱硝的运行费用和风机叶轮等设备的磨损,给硫铵制备系统带来诸多不利因素,从而影响脱硫副产物的纯净度。

经过方案比选,昆钢烧结超低排放改造采用氨法脱硫+臭氧脱硝技术路线,新建一套脱硫脱硝系统,指标按照颗粒物小于10mg/m3、SO2小于35mg/m3、NOx小于100mg/m3来进行设定。2017年年底方案最终确定,2018年2018年5月7日获得安宁环保局环评批复后开工建设,于2018年12月20日脱硫系统进入热负荷试车阶段,现正在调试阶段。

4结语

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。启动的钢铁行业超低排放改造对颗粒物、SO2、NOx的排放限值要求更高。对多条生产线烧结、球团焙烧烟气净化已采用湿法脱硫技术的昆钢,如何进行升级改造达到超低排放要求是目前面临的一大难题。昆钢率先在云南进行烧结烟气超低排放改造,对钢铁行业超低排放改造具有一定的借鉴意义,针对当前烧结脱硫脱硝技术均存在或多或少的缺点,工业化应用难以选择的情况下,建议企业根据自身实际,从内部和外部因素进行全方位考虑,在关注采用何种工艺的同时,不仅应重视工艺本身,还应重视工程设计承建单位的工程能力和运行维护经验,同样的工艺流程,工程细节不一样,带来的运行效果也不一样。每种技术都存在一定的运行风险,关键在于如何结合工况条件对其进行有效的完善和改进,最大程度地降低运行风险。随着烧结脱硫脱硝工艺、工程案例应用的增加,收集烧结脱硫脱硝技术在工程实践中存在的问题,技术应用阻碍的突破资料以及新技术的运用。尽量降低投资费用和运行费用,有效解决目前烧结烟气脱硫脱硝存在的技术、经济难题。

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