逆流活性炭脫硫脫硝技術在燒結煙氣超低排放中的應用

何生明，趙立文，楊志功，姜海賓

（邯鄲鋼鐵集團設計院有限公司，河北 邯鄲 056000）

隨著鋼鐵行業的持續發展，煙氣排放量日益增加，其中SO2、NOx的排放嚴重影響到人類的生存環境和經濟發展，因此亟需對其進行治理，實現污染物超低排放對于緩解其造成的環境污染意義重大。隨著國內環保問題日益突出，國家的環保政策也愈加嚴格。2019 年，生態環境部、發展改革委、工業和信息化部等五部委印發的《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》中提高了燒結煙氣污染物的排放標準。要求燒結機煙氣中二氧化硫、氮氧化物、顆粒物的小時排放質量濃度均值分別不高于35 mg/m3、50 mg/m3、10 mg/m3。

目前，浙江某鋼鐵企業有2 臺430 m2燒結機，前期均采用一套錯流式活性炭脫硫脫硝煙氣凈化裝置。吸附塔進口原煙氣中二氧化硫、氮氧化物、顆粒物質量濃度約700 mg/m3、400 mg/m3、45 mg/m3，凈化后二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放的質量濃度分別約為45 mg/m3、130 mg/m3、17 mg/m3，排放濃度達不到超低排放標準。經分析，排放濃度不達標主要原因為煙氣中污染物濃度在吸附塔內水平分布不均勻，造成從吸附塔排出的活性炭飽和程度不一致，未能充分發揮活性炭的吸附作用。

因此，決定采用逆流活性炭脫硫脫硝技術對前期燒結煙氣凈化系統進行煙氣深度處理改造，以使活性炭在吸附塔內同一水平截面處飽和度一致，對煙氣中SO2和顆粒物吸附更充分[1]。此外，逆流式技術脫硫和脫硝獨立反應，容易調節脫硫層及脫硝層活性炭床層高度，使脫硫脫硝效率更高，從而全面實現燒結煙氣超低排放，促進鋼鐵等相關產業的綠色健康發展。

1 逆流活性炭凈化工藝

1.1 工藝流程

燒結煙氣經過增壓風機增壓后進入吸附系統后，采用活性炭一體化凈化裝置，以此實現一套裝置中完成吸附和催化還原反應過程。吸附劑和催化劑選用特殊性能的活性炭，活性炭在吸附塔內分為完全獨立的脫硫床層和脫硝床層，活性炭由塔頂加入，在重力和塔底出料裝置的作用下從上向下移動，煙氣自下而上，兩者逆流相向接觸。原煙氣在脫硫床層脫除SO2達標后，在中間氣室與經汽化的氨空氣充分混合，再穿過脫硝床層進行脫除NOx，凈化后的煙氣達到排放標準后，通過主煙囪排入大氣。

解析塔設計中采用充氮氣隔氧技術，為防止活性炭的解析氧化，采用壓力階梯設計，防止解析后的活性炭再次吸附SO2[1]。吸附塔排出的飽和活性炭，首先經振動篩、風篩篩分，篩上的大顆粒活性炭通過鏈斗輸送機輸送到解析塔進行解析，解析后的活性炭出解析塔后經振動篩、風篩，將細小活性炭和粉塵去除，篩分后的活性炭輸送到吸附塔循環使用，活性炭卸料、布料、篩分、轉運等過程產生的粉塵尾氣經布袋除塵器處理后經排氣筒排放。新活性炭通過新炭倉加入到系統中，用于補充系統損失的活性炭。活性炭吸附的SO2被解析釋放，送往制酸系統制成濃硫酸，實現資源的回收利用。逆流式活性炭工藝流程圖如下頁圖1 所示。

圖1 逆流式活性炭工藝流程圖

1.2 活性炭理化特性

下頁表1 為活性炭表面的元素組成，由表1 可以看出，活性炭表面含有豐富的基團，它們是加速污染物與還原劑發生反應的載體，活性炭自身的這種特性有利于極性污染物的吸附和催化反應[2]。圖2為活性炭放大5 000 倍的掃描電鏡圖，由圖2 可知，活性炭表面凸凹不平，比表面積大、空隙結構豐富，具有很強的吸附能力。綜上可知，活性炭具有較強的吸附和催化能力，滿足逆流脫硫脫硝裝置的要求。

表1 活性炭XPS 表面元素分析結果[2]

圖2 活性炭掃描電鏡

1.3 脫硫原理

活性炭吸附煙氣中SO2、H2O、O2，在活性炭微孔內SO2與O2、H2O 反應生成H2SO4。進入脫硫吸附塔的煙氣溫度在120～160 ℃之間時，SO2脫除效率高[3]。當活性炭吸附飽和后，通過活性炭輸送系統輸送至解析塔進行高溫解析再生，恢復活性。反應式為：

1.4 脫硝原理

脫硫后的煙氣進入中間氣室與經汽化的氨空氣充分混合，再穿過脫硝床層脫除NOx，由于活性炭對NOx具有吸附作用，會降低NOx與NH3的反應活化能，發生催化還原反應，將煙氣中的NOx轉化為N2和H2O。同樣，進入脫硝吸附塔的煙氣溫度在120～160 ℃之間時具有較高的脫硝效率[3]。反應式為：

1.5 顆粒物吸附原理

經電除塵器過濾后的燒結煙氣中顆粒粒徑一般在2 μm 以下，吸附塔內的活性炭層相當于高效顆粒層過濾器，這些微小顆粒通過慣性碰撞、攔截、擴散沉降等方式沉積在活性炭表面凹陷區域及孔洞。通常情況下，直徑超過1 μm 的顆粒可通過碰撞進行捕集，而1 μm 以下的粒子可通過遮擋和擴散方式進行捕集[4]。減少活性炭自身產生的顆粒物及降低吸附塔內煙氣流速，有利于顆粒物的超低排放。

1.6 解析原理

吸附了污染物的活性炭被送至解析塔，在解析塔內被加熱至390～450 ℃，由活性炭吸附的SO2被釋放出來，生成富含SO2的氣體送至制酸系統，可經過制硫酸工藝制備98%濃硫酸。解析后的活性炭經冷卻后，通過風篩除塵和振動篩篩分，將細小活性炭和粉塵去除，篩分后的活性炭送回到吸附塔循環使用。新的活性炭需要連續加入到系統中，以補充篩分及再生造成的活性炭損耗[4]。反應式為：

2 項目運行情況及效果分析

系統投入運行前后煙氣排放數據如表2 所示。由表2 可知，采用逆流活性炭脫硫脫硝技術后，凈化后煙氣中SO2排放質量濃度基本穩定在20 mg/m3左右，脫硫效率達到95%以上，NOx排放質量濃度基本穩定在45 mg/m3左右，脫硝效率達到85%以上，顆粒物排放質量濃度基本穩定在8 mg/m3左右，燒結煙氣污染物減排效果顯著，污染物排放濃度均達到環保標準的要求。

表2 凈化系統投用前后煙氣排放數據

經分析可知，由于原裝置中煙氣在吸附塔入口一側的SO2濃度較高，所以這一側的活性炭吸附后飽和程度較高，在煙氣出口一側，SO2經吸附后濃度下降，活性炭飽和程度較低，因此從吸附塔排出的活性炭飽和程度不一致，未能充分發揮活性炭的吸附作用。此外，同一活性炭床層脫硫脫硝時，在煙氣SO2濃度未降到最低時噴氨，過量的氨氣會與剩余SO2發生反應生成NH4HSO4，造成床層板結，降低脫硝效率。采用逆流式脫硫脫硝技術后，脫硫層與脫硝層分開，活性炭把煙氣中的SO2充分吸收后再噴入氨氣，在脫硝層進行脫硝反應，避免活性炭層的板結[5]。脫硫層及脫硝層活性炭床層高度容易調節，脫硫脫硝效率更高，增加了污染物超低排放的穩定性。

3 結語

采用逆流活性炭脫硫脫硝技術對燒結煙氣凈化系統進行煙氣深度處理改造，改造后脫硫脫硝效果顯著，脫硫率達到95%以上，脫硝率達到85%以上，凈化后煙氣中各污染物排放濃度達到超低排放水平，推動了行業高質量、可持續發展。該技術工藝簡單、機構性緊湊、占地面積更小，具有良好的經濟和社會效益，值得在燒結煙氣脫硫脫硝項目建設中推廣應用。