某炭黑廠煙氣脫硫脫硝裝置超低排放改造實例

薛瑞風(fēng)

（南京中電環(huán)保科技有限公司，江蘇南京 211100）

1 概述

山西省某焦化廠內(nèi)炭黑生產(chǎn)線共有三套炭黑生產(chǎn)裝置，并配套了一臺45t/h尾氣燃燒鍋爐，目前共有三部分燃燒尾氣需進行脫硫脫硝除塵治理。

1）炭黑尾氣焚燒鍋爐排出來的煙氣量為130 000m3（標(biāo)）/h（濕基），此部分煙氣的顆粒物含量小于30mg/m3（標(biāo)），但是氮和硫的含量很高，需要進行脫硫脫硝除塵治理。

2）三套炭黑裝置烘干爐的干燥煙氣量分別為15 000/15 000/10 000m3（標(biāo)）/h（濕基），此部分煙氣的顆粒物含量小于30mg/m3（標(biāo)），但是氮和硫的含量相對較高，需分別進行脫硝脫硫治理。

3）三套炭黑裝置干燥窯排袋混合水汽總的煙氣量為80 000m3（標(biāo)）/h（濕基），現(xiàn)有環(huán)保設(shè)施為三套布袋除塵器，經(jīng)過布袋處理后煙氣中的顆粒物含量小于30mg/m3（標(biāo)），但是硫的含量相對較高，氮的含量一般，需進行脫硫脫硝治理。

尾氣鍋爐的煙氣和三套炭黑裝置烘干爐的干燥煙氣先分別進行脫硝治理，尾氣鍋爐脫硝[1]后煙氣與三臺炭黑干燥窯脫硝后混合廢氣匯總后總氣量約25萬m3（標(biāo)）/h，進入到濕法脫硫及濕電進行脫硫除塵治理。

根據(jù)《臨汾市2019年鋼鐵、焦化行業(yè)深度減排工作方案》的要求，要求2021年10月1日前本項目炭黑煙氣實現(xiàn)超低排放標(biāo)準(zhǔn)。煙氣排放的標(biāo)準(zhǔn)為：總氮≤50mg/m3（標(biāo)），總硫≤35mg/m3（標(biāo)），顆粒物≤10mg/m3（標(biāo)）。據(jù)此必須對尾氣鍋爐和炭黑干燥窯煙氣進行脫硫脫硝除塵深度治理，實現(xiàn)超低排放，以滿足目前環(huán)保的要求。數(shù)據(jù)見表1～表2。

表1 裝置類別與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 設(shè)計指標(biāo)

2 現(xiàn)有裝置情況

1）一臺45t/h尾氣燃燒鍋爐由業(yè)主方已經(jīng)完成低氮燃燒改造，低氮燃燒改造后煙氣中NOx含量小于200mg/m3（標(biāo)），最后煙氣經(jīng)鍋爐引風(fēng)機排入煙囪。

2）三臺炭黑尾氣燃燒爐煙氣經(jīng)干燥滾筒上方煙囪直排。

3）三臺干燥窯廢氣夾雜少量泄漏炭黑粉塵分別經(jīng)過各自布袋除塵器除塵處理，處理后煙氣匯總經(jīng)排袋增壓風(fēng)機送至煙囪。

目前現(xiàn)有裝置達不到排放要求，必須對系統(tǒng)進行改造，以使炭黑生產(chǎn)線產(chǎn)生的煙氣中氮氧化物、硫及顆粒物排放指標(biāo)達到環(huán)保要求。

3 改造方案

3.1 工藝流程描述

（1）45t/h尾氣鍋爐部分：45t/h尾氣鍋爐已經(jīng)完成低氮燃燒改造；鍋爐煙氣從上層空氣預(yù)熱設(shè)備上方引出送至外置的SCR反應(yīng)器進行煙氣處理。

（2）三臺炭黑尾氣燃燒爐煙氣部分：三臺炭黑尾氣燃燒爐首先分別進行低氮燃燒改造，經(jīng)過低氮燃燒改造后的煙氣進入炭黑干燥裝置作為干燥熱源氣，生成的NOx已大幅度降低。經(jīng)炭黑干燥裝置排放的干燥煙氣部分與炭黑干燥裝置內(nèi)筒排出的炭黑烘干廢氣在煙氣換熱器內(nèi)進行換熱，炭黑烘干廢氣從約150℃升溫至約200℃，分別進入三個布袋除塵器進行除塵處理；經(jīng)過換熱的炭黑干燥煙氣與煙氣換熱器旁路流過的部分約500℃的干燥煙氣均勻混合降溫至約320℃，分別進入三個SCR脫硝反應(yīng)器進行煙氣脫硝。三臺炭黑尾氣燃燒爐煙氣分別脫硝后經(jīng)混合煙道進入水汽換熱器換熱降溫；換熱后的干燥煙氣與干燥窯排袋廢氣和尾氣鍋爐煙氣匯總通過脫硫增壓風(fēng)機送入石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)進行脫硫，經(jīng)過濕電除塵后經(jīng)煙囪直排。總工藝流程見圖1。

圖1 總工藝流程圖

3.2 脫硝系統(tǒng)方案

炭黑尾氣燃燒后的煙氣與燃煤或天然氣燃燒后的煙氣成分區(qū)別很大，其特點是：熱值低、不穩(wěn)定且燃燒已脫火，安全性不高；且產(chǎn)生的煙氣水分很大，氮氧化物含量很高，對系統(tǒng)影響大；目前主流脫硝方法有：非催化法、催化法、低氮燃燒控制、氧化法等，其綜合對比表見表3。

表3 經(jīng)濟與技術(shù)對比

（1）45t/h尾氣鍋爐部分：45t/h尾氣鍋爐已由業(yè)主方完成低氮燃燒改造，改造后煙氣中NOx含量小于200mg/m3（標(biāo)）；根據(jù)45t/h炭黑尾氣鍋爐運行工況，爐膛出口溫度一直低于800℃；綜合考慮，在鍋爐水平煙道立式過熱器后，上級空預(yù)器上方即煙氣溫度～310℃處將煙氣引出送至外置式的SCR脫硝反應(yīng)器進行脫硝，脫硝后煙氣返回鍋爐上級空預(yù)器上方。根據(jù)煙氣溫度，采用中高溫催化劑進行催化脫硝反應(yīng)，催化劑按2+1選型布置，使煙氣NOx濃度≤30mg/m3（標(biāo)）。外置式SCR脫硝[2]反應(yīng)器及2+1布置的催化劑使得鍋爐煙氣阻力增加800Pa，本次鍋爐引風(fēng)機改造換新，風(fēng)機壓頭增大1 000Pa。

（2）三臺炭黑尾氣燃燒爐煙氣部分：尾氣燃燒后煙氣采用“更換低氮燃燒器+分級空氣燃燒+煙氣再循環(huán)+SCR脫硝”方案，最后將氮氧化物排放值控制在30mg/m3（標(biāo)）以下。

低氮燃燒器[3]工作原理：空氣與燃燒氣充分均勻混合燃燒，避免燃燒爐內(nèi)部局部溫度太高，溫度過高導(dǎo)致局部NOX生成量增加，通過參數(shù)控制，氧量控制，欠氧燃燒，降低爐內(nèi)溫度，從而達到降低氮氧化物生成量的目的。

分級空氣燃燒主要是將分段往爐內(nèi)送風(fēng)，根據(jù)爐子燃燒的工況判斷，不斷調(diào)節(jié)參數(shù)，嚴(yán)格控制燃燒中心區(qū)域O2量，降低氮氧化物的生成。

煙氣再循環(huán)主要是從除塵后煙道內(nèi)抽取一部分含氧量低的煙氣作為鍋爐燃燒混合風(fēng)，提供風(fēng)量的同時減少氧量供給，降低燃燒爐中心溫度，使氮氧化物生產(chǎn)不在最佳溫度區(qū)間內(nèi)，從而達到降氮目的。

將燃燒爐上原有燃燒器更換成低氮燃燒器，再配有空氣分級燃燒和再循環(huán)風(fēng)使得進入干燥滾筒的煙氣中NOx的含量可控制在150mg/m3（標(biāo)）以下。

從干燥滾筒出來的干燥煙氣經(jīng)過換熱混合后溫度降至320℃左右，再分別進入三個SCR中高溫催化脫硝反應(yīng)器進行煙氣脫硝，催化劑按2+1選型布置，使煙氣NOx濃度達到≤30mg/m3（標(biāo)）。

三臺干燥窯排袋廢氣實測NOx≤50mg/m3（標(biāo)）不設(shè)置脫硝裝置，經(jīng)過與尾氣鍋爐脫硝后煙氣和三臺炭黑干燥窯脫硝后煙氣混合最終達到NOx≤50mg/m3（標(biāo)）進入脫硫系統(tǒng)進一步脫硫。

本次系統(tǒng)采用20%氨水，其品質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。用罐車把氨水運至脫硫除塵裝置區(qū)氨水儲罐內(nèi)儲存?zhèn)溆谩?/p>

3.3 脫硫系統(tǒng)方案

綜合考慮煙氣含水量、含硫量以及不穩(wěn)定的運行工況條件，本工程脫硫工藝采用最成熟的大濕法（石灰石）脫硫工藝[4]。脫硫系統(tǒng)總煙氣量25萬m3（標(biāo)）/h，入口SO2含量按照1 700mg/m3（標(biāo)），確保FGD脫硫裝置后的煙氣中SO2含量不大于35mg/m3（標(biāo)）。鍋爐煙氣與尾氣燃燒爐煙氣和排袋水汽三路煙氣匯合進入最后的脫硫系統(tǒng)進行處理。

脫硫系統(tǒng)配置緊急噴淋裝置，保證進塔溫度不會超180℃，以免高溫造成塔內(nèi)設(shè)備及防腐層的損壞。為保證脫硫效率達到98%設(shè)計值，塔內(nèi)設(shè)置托盤一層，四層噴淋層配四臺循環(huán)泵，總的循環(huán)量達到5 000m3/h，保證FGD出口SO2≤35mg/m3（標(biāo)）；噴淋層上方布置兩層屋脊除霧器，保證進入濕電除塵的漿液液滴小于50mg/m3（標(biāo)）。

3.4 除塵系統(tǒng)方案

尾氣鍋爐和尾氣燃燒爐干燥煙氣因燃料為炭黑尾氣，其含塵量均在30mg/m3（標(biāo)）以下，不單獨進行除塵治理。

三臺干燥窯廢氣的現(xiàn)有布袋除塵器不做改造，經(jīng)第三方檢測布袋出口煙氣含塵量均在30mg/m3（標(biāo)）以下。

綜合考慮，進入脫硫系統(tǒng)的煙氣含塵量為30mg/m3（標(biāo)），煙氣中的炭黑飛灰為毫克級，非常輕，單靠吸收塔上屋脊除霧器難以捕捉；為保證出口粉塵排放小于10mg/m3（標(biāo)），脫硫后煙氣采用濕式電除塵進行處理，可有效去除SO3、重金屬、微細(xì)粉塵（PM2.5）、細(xì)小液滴等。

濕式靜電除塵器[5]主要的系統(tǒng)組成有極管（所謂陽極）、極線（所謂陰極）、電源、沖洗水等。其工作原理為：高壓電源系統(tǒng)進行升壓至設(shè)計要求的電壓電流值，此時煙氣以一定的流速從陽極管道通過，在高強電的作用下，煙氣中的帶電粉塵被電暈、電離；隨著陽極系統(tǒng)上的顆粒物堆積越來越多，為了不影響除塵效果，則需要定期沖洗，保持陽極管內(nèi)部干凈。

濕電收塵極（陽極管）采用2205材質(zhì)的雙向不銹鋼陽極模塊，陰極線采用耐溫、耐腐蝕、放電效果好的2205雙向不銹鋼管刺線，配置80kV，1 200mA高頻電源。

3.5 余熱回收系統(tǒng)方案

經(jīng)過第三方檢測單位檢測和業(yè)主運行記錄表發(fā)現(xiàn)，45t鍋爐的出口溫度在180℃左右；三臺干燥窯廢氣經(jīng)過布袋除塵器及150m煙道輸送到濕法脫硫系統(tǒng)溫度為155～160℃；脫硝后排煙溫度一般為310℃；經(jīng)計算煙氣酸露點溫度為135～150℃，綜合考慮尾氣鍋爐和干燥窯排袋廢氣不做余熱回收。

三臺炭黑燃燒爐干燥煙氣經(jīng)脫硝后匯總進入1套水氣換熱器，為防止鍋爐氧腐蝕，除鹽水需除氧，進除氧器的除鹽水溫度越高越節(jié)能；所以水氣換熱器將除鹽水從20℃加熱至80℃進入鍋爐除氧器；干燥窯脫硝后煙氣溫度約310℃，經(jīng)水氣換熱器換熱煙氣溫度要求不大于170℃，煙氣經(jīng)換熱后與尾氣鍋爐脫硝后煙氣以及炭黑排袋煙氣混合進入濕法脫硫裝置[6]。

4 結(jié)論

三套炭黑生產(chǎn)裝置和配套的一臺45t/h尾氣鍋爐所產(chǎn)生煙氣采用低氮燃燒+中高溫SCR脫硝+布袋除塵+余熱回收+石灰石-石膏濕法脫硫+濕式電除塵的處理工藝流程，最終實現(xiàn)炭黑生產(chǎn)裝置及配套裝置的超低排放要求。氮氧化物、總硫和顆粒物排放指標(biāo)達50mg/m3（標(biāo)）、35mg/m3（標(biāo)）、10mg/m3（標(biāo)）（標(biāo)準(zhǔn)3% O2）。同時，脫硫石膏已達到綜合回收利用標(biāo)準(zhǔn)進行出售。