觸媒陶瓷濾管多污染物一體化脫除技術在光伏玻璃行業中的應用

高 超，沈 浩，時昌波，史 薇，王 騏，王思凱

(深圳凱盛科技工程有限公司，深圳 518000)

在“碳達峰、碳中和”目標愿景下，光伏、風電等清潔能源加快發展步伐。其中，光伏玻璃作為光伏組件的必備輔材，也在不斷地加速擴產，2021年中國光伏玻璃產量為5.94億萬m2，同比增長8.6%。2021年7月20日，工業和信息化部發布修訂后的《水泥玻璃行業產能置換實施辦法》(以下簡稱《辦法》)，自2021年8月1日起施行。按照《辦法》要求，所有擴大產能的水泥熟料和平板玻璃，必須制定產能置換方案，實施產能置換。《辦法》明確，對光伏玻璃產能置換實行差別化政策，光伏壓延玻璃項目不再要求產能置換，但要建立產能風險預警機制[1]。在此背景下，更加刺激了光伏玻璃行業的迅速擴張。隨著光伏玻璃行業的快速發展，窯爐燃燒煙氣的排放對大氣也會造成相當嚴重的污染。煙氣中污染物主要是粉塵、氮氧化物、二氧化硫等，為打好大氣防治攻堅戰，研究適應壓延光伏玻璃行業煙氣特性的煙氣處理技術具有重大意義。

光伏玻璃屬于平板玻璃，其污染物排放執行平板玻璃污染物排放標準。《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》(GB26453-2011)自2011年10月1日頒布施行，但隨著環保形式的日益嚴峻，各個地區紛紛出臺排放限值低于國標的地方標準。目前修訂《玻璃工業大氣污染物排放標準》(GB26453-20××)正在征求意見，規定玻璃熔窯大氣污染物排放限值為顆粒物30 mg/Nm3、二氧化硫200 mg/Nm3、氮氧化物400 mg/Nm3；重點地區執行大氣污染物特別排放限值要求，顆粒物20 mg/Nm3、二氧化硫100 mg/Nm3、氮氧化物300 mg/Nm3。此標準排放限值基本等同于美國和歐盟的BAT控制水平。此外，該標準中對重點地區提出的特別排放限值比歐盟的BAT指標更高。

京津冀“2+26”城市由于其特殊的地理位置，相對國標需要執行更嚴格的特別排放限值。其中河北省出臺了首個以超低標準命名的《平板玻璃工業大氣污染物超低排放標準》(DB13/2168-2020)，主要的三項污染物排放限值分別提高至顆粒物10 mg/Nm3、二氧化硫50 mg/Nm3、氮氧化物200 mg/Nm3，并且增加了氨逃逸限值為8 mg/Nm3[2]。

隨著平板玻璃行業超低排放限值的提出，以經濟性合理、技術性可靠為原則，在壓延光伏玻璃行業，尤其是以天然氣為燃料的熔窯，采用觸媒陶瓷濾管多污染物一體化煙氣凈化工藝裝置可以達到超低排放要求，具有很好的效果。

1 壓延光伏玻璃煙氣特性

目前光伏玻璃熔窯大多使用清潔能源天然氣，該文主要分析以天然氣為燃料的光伏玻璃熔窯。

1)高溫。光伏玻璃窯爐出口煙氣溫度高，在450～500 ℃之間，進入余熱發電鍋爐利用后最終排煙溫度降至150 ℃。

2)氮氧化物濃度高。氮氧化物來源主要是來自“氮氣”在1 300 ℃以上的高溫燃燒；小部分來自玻璃原料中少量的硝酸鹽分解。氮氧化物濃度可達1 800～3 400 mg/Nm3[3]。

3)二氧化硫濃度低。由于天然氣中含硫量很低，二氧化硫主要來自原料中芒硝的分解。

4)煙氣中污染物濃度及煙氣量存在波動性。由于玻璃窯爐燃燒過程存在20 min“切換火”的情況，切換過程存在含氧量增高現象，會導致污染物濃度的波動，且兩個火的燃燒溫度及助燃風風量也存在不同，會導致兩個火的煙氣量和污染物濃度的波動。

5)玻璃窯內壓力要求穩定。窯爐是玻璃廠的主要熱工設備,工藝要求玻璃液面處為零壓或微正壓( 小于5 Pa),拱頂處的壓力為15～20 Pa[4]。

2 一體化脫除技術工程應用

2.1 工藝流程

該工程設計滿足窯爐煙氣(450～500 ℃)經余熱鍋爐高溫段降溫至350～400 ℃后的煙氣處理。煙氣處理時進入干法脫硫塔內，與噴入的脫硫反應劑(熟石灰)均勻混合，完成部分SO2的脫除，同時煙氣與噴入的脫硝反應劑(氨水)均勻混合后進入觸媒陶瓷濾管過濾系統內，煙氣在經過觸媒陶瓷濾管時，顆粒物被攔截在濾管表面，并形成粉餅層(含部分熟石灰)；濾管表面的粉餅層又進一步脫除了煙氣中的SO2；在陶瓷濾管所含觸媒的催化作用下，NH3同NOx反應，完成了NOx的脫除。而后通過環保引風機回到余熱鍋爐低溫段進行余熱利用，余熱利用的凈煙氣經鍋爐引風機從煙囪達標排放。當鍋爐檢修時，窯爐煙氣經高溫換熱器降溫至350～400 ℃后，進入 “觸媒陶瓷濾管除塵器”系統進行脫硫脫硝除塵，處理后的凈煙氣經煙囪達標排放。整個系統阻力均由環保引風機和安裝于鍋爐后端的鍋爐風機克服，且該風機可在360 ℃工況下長期穩定、可靠運行。

主要設備：干法脫硫系統、氨水(儲存及輸送噴射)系統、旋風除塵(沉降)系統、觸媒陶瓷纖維濾管除塵脫硝系統、煙風系統、循環灰系統、脫硫劑系統、氣力輸灰系統、廢灰系統、高溫換熱器系統。

2.2 工藝原理

2.2.1 除塵

熟石灰及循環灰經過干法脫硫塔，進入濾管除塵器，在觸媒陶瓷濾管表面形成殘存層餅與顆粒層餅兩層。其中殘存層餅緊貼觸媒陶瓷纖維濾管表面，厚度為1～2 mm，防止粉塵滲透到濾管，提升過濾效率，可處理不同負荷的粉塵濃度[5]。較外層的顆粒層餅可通過反向脈沖清洗，致使粉塵顆粒脫離。反向脈沖清洗使用高壓脈沖逆洗方式清灰，具備在線清灰和離線清灰功能。在除塵器中，煙塵從煙氣中分離出來，煙氣經過陶瓷纖維濾管處理后煙塵濃度應低于10 mg/Nm3后進入凈氣室。經過高壓脈沖逆洗方式落到除塵器灰斗的灰，經過氣力輸送系統輸送到干法脫硫塔，提高脫硫效率。

2.2.2 脫硫

原煙氣在經過陶瓷纖維過濾系統前端的煙道及干法脫硫塔時，熟石灰及循環灰直接噴入干法脫硫塔中，脫除煙氣中部分的SO2、SO3以及HF、HCl等其它酸性物質。當煙氣進入陶瓷纖維濾管過濾器時，陶瓷濾管表面因顆粒物的沉積會形成粉餅層，在煙氣流速較低情況下，煙氣與粉餅層內顆粒接觸充分，煙氣中的SO2與熟石灰再次進行脫硫反應，脫除部分的SO2提高了脫硫劑的利用率，達到脫硫要求。

2.2.3 脫硝

觸媒陶瓷纖維濾管中應按照設計處理目標值要求加入足量的釩-鈦系觸媒(催化劑)。所有催化劑需均勻地分布在陶瓷濾管纖維表面，表面積應達到催化劑的活性表面積以及反應速率要求。煙氣中的NOx與NH3在催化劑的作用下發生催化反應生成N2和H2O，從而達到脫硝作用。濾管表面的濾餅層，可降低觸媒免受重金屬砷(As)、硒(Se)及汞(Hg)的毒化[6]。

3 設計要點

除塵器選型及濾管個數的確定，需考慮到超低排放的要求粉塵排放濃度小于10 mg/Nm3，煙氣在經過濾管的過濾風速不大于1 m/min。由于除塵器具備分倉室在線檢修功能，選型時需要保證至少關閉一個倉室仍可以達標排放。

由于目前環保形式嚴峻，玻璃生產線一旦投入運行基本沒有停機檢修時間，觸媒陶瓷濾管多污染物一體化煙氣凈化系統設備出現故障需具有備用設備且有在線檢修功能。

1)濾管除塵器各倉室之間相互獨立、個別倉室存在斷管或者設備問題時，可以把倉室煙氣隔離，降溫后可以單獨檢修。

2)設計了空冷高溫換熱器及鍋爐旁通煙道。當鍋爐停機檢修時，窯爐煙氣直接通過高溫換熱器降溫至350～400 ℃后，進入 “觸媒陶瓷濾管除塵器”系統進行脫硫脫硝除塵，處理后的凈煙氣經過鍋爐旁通煙道直接排入煙囪。

3)主要設備高溫引風機、氨水輸送系統、石灰供應系統等均一用一備，從而保證系統可以連續不間斷、穩定地運行。

為了保證二氧化硫排放濃度小于50 mg/m3，此系統設計了旋風除塵器和循環灰系統。經過干法脫硫塔的含塵煙氣首先進入旋風除塵器，旋風除塵器具備預除塵功能，可以將煙氣中50%～60%的大顆粒物脫除，進入循環灰倉，通過循環灰倉底部的雙軸螺旋排入干法脫硫塔。然后煙氣進入濾管除塵器，經過陶瓷濾管的過濾，顆粒物被截留在濾管表面，經過壓縮空氣反吹，濾管表面顆粒物落入除塵器灰斗，經過氣力輸送系統，將灰斗中的灰直接打入旋風除塵器循環利用，提高脫硫效率，降低鈣硫比。

脫硝所需催化劑負載在陶瓷濾管上，催化劑為高溫釩-鈦系催化劑，其反應所需溫度為320～380 ℃。結合系統溫降，為了保證脫硝所需溫度，一體化系統進口溫度要求350～400 ℃。陶瓷纖維濾管粒徑極細，濾管的表面積很大，煙氣在濾管中的低流速和濾管本身的結構空隙延長了煙氣的停留周期，釩鈦系脫硝觸媒劑催化劑的活性比面積的增大及煙氣與催化劑反應時間的延長，使脫硝效率得到明顯地提高。

由于觸媒陶瓷濾管材質的原因，需盡量保證濾管處于干燥環境中。在開機階段，應盡快將倉室溫度升高到120 ℃以上，使溫度高于酸露點，避免冷凝水。在停機階段，當倉室溫度降低至120 ℃以下，需要打開除塵器進口人孔門，打開引風機抽取空氣置換除塵器內煙氣，讓倉室盡快降溫至水露點以下。

陶瓷濾管一體化系統整體溫降約30 ℃，整體系統阻力小于3 000 Pa。整體溫降較低有利于發電鍋爐對煙氣余熱的利用率，整體系統阻力較小，降低運行費用。

4 運行數據

該壓延光伏玻璃煙氣治理項目采用陶瓷濾管多污染物一體化脫除系統對玻璃窯出口煙氣進行脫硫脫硝除塵處理后，系統運行穩定，效率高，運行費用低，達到平板玻璃行業“超低排放”限值要求。窯爐出口煙氣參數如表1所示。

表1 窯爐出口煙氣參數

工程投運后，通過對現場環保系統進出口在線監測，測試結果如表2所示。

表2 主要污染物進出口濃度及氨水、熟石灰耗量

表2中出口NOx濃度低于100 mg/Nm3，脫硝效率可達98%，且氨逃逸低于8 mg/Nm3。此系統能達到如此高的脫硝效率且氨逃逸也可以低于8 mg/Nm3，主要是由于催化劑均勻的負載于整個陶瓷濾管內，催化劑的活性比表面積較大，且煙氣在陶瓷濾管內的停留時間也較長，顯著提高了脫硝效率。從表2可以發現，陶瓷濾管多污染物一體化脫除技術對顆粒物的去除具有顯著效果，出口顆粒物濃度能夠穩定控制在5 mg/m3以下。從表2還可以發現，該一體化脫除技術對SO2的去除效率在95%左右，出口SO2排放濃度穩定控制在50 mg/m3以內，Ca/S比基本為3。常規干法脫硫工藝Ca/S比2.5時，脫硫效率最高能達到50%～60%[7]。此處能達到95%脫硫效率的主要原因：1)更高的Ca/S;2)循環灰的利用;3)濾管濾餅層上石灰的進一步脫硫作用。

5 結 論

觸媒陶瓷濾管多污染物一體化脫除技術在光伏玻璃行業中，可以實現出口污染物排放濃度NOx<200 mg/Nm3,SO2<50 mg/Nm3,顆粒物<10 mg/Nm3,氨逃逸<8 mg/Nm3的“超低排放”標準。

隨著平板玻璃行業煙氣“超低排放”政策的日益臨近以及投資運營成本壓力增大，觸媒陶瓷濾管多污染物一體化脫除技術具有高效率、運行穩定、操作簡單、可在線檢修、無煙排放、運行費用低等優勢，在壓延光伏玻璃行業是一個主流發展趨勢。