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钢铁行业燃油燃气锅炉脱硫脱硝除尘技术对比分析

  • 发布时间: 2023-02-18
0 引言

生态环境部等5部委联合印发的《关于推进实施钢铁 行业超低排放的意见》指出,推进实施钢铁行业超低排放 是推动行业高质量发展、促进产业转型升级、助力打赢蓝 天保卫战的重要举措。钢铁行业在我国的工业发展中扮演 着重要的角色,也是我国大气污染的主要来源之一,推动 钢铁行业加速向低碳转型符合当前形势,有着重要意义。

随着河北省地方标准《锅炉大气污染物排放标准》 (DB13/5161—2020)的发布,规定自2021年6月1日起, 钢铁行业燃气锅炉的大气污染物排放限值为:NOx的排放 限值为50 mg/m3,SO2的排放限值为10 mg/m3,颗粒物的 排放限值为5 mg/m3 [1],而《锅炉大气污染物排放标准》 (DB13/5161—2021)公开文件对排放要求有了进一步的 提升。

钢铁行业燃气锅炉烟气实现全面超低排放的计划迫 在眉睫,目前国内脱硫脱硝除尘技术相对较多,但由于原 烟气符合老排放标准,可以直接排放,所以燃煤锅炉烟气 脱硫脱硝除尘并无先例,没有任何可以参考的案例,如何 选择一种适合的技术路线,是目前钢铁行业普遍面临的 难题。

1 燃煤锅炉超低改造现状

 

1)烟气条件。燃气锅炉的燃料为高炉煤气、焦炉煤气 和转炉煤气,其将前端设备给予的煤气予以燃烧,然后将 燃烧后的烟气进行排放。锅炉燃烧后的烟气特性则与煤 气中的成分息息相关,而煤气的成分又与矿石有关。根据 钢厂正常生产的情况,钢厂选取矿石的主要考虑因素是 成本,所以矿石的种类不是一成不变的,这就导致锅炉燃 烧后的烟气成分发生变化,烟气特性随之改变,故对脱硫 脱硝除尘技术的适应性是一种考验。根据钢厂一段时间 内的烟气排放数据及运行记录可知,在正常情况下,锅炉 的燃料为高炉煤气,烟气的NOx、SO2、粉尘数值不高并且 很稳定,但是在高炉进行检修或者是有转炉、焦炉煤气 时,烟气中的污染物浓度会大大升高,能达到正常值的2~ 3倍,这就给全工况超低排放造成了很大的困难。

2)场地条件。由于原烟气直接排放,所以燃气锅炉区 域的设备布置比较紧凑,锅炉房后就是引风机房,随即进 入烟囱进行排放。由于业主当时未考虑增添环保设备,所 以厂区内未预留安装环保设备的空间,现场可利用的场 地只有厂房、烟道上空、道路、绿化带等区域,这对环保设 备的占地面积和体积无疑是一种挑战。 

3)烟囱条件。燃气锅炉排放烟气的烟温为140 ℃左 右,烟气中的含水量约为3%,烟气腐蚀性小,所以钢厂未 对烟囱进行防腐处理。 

4)施工条件。近年来,钢材的生产效益越来越好,钢 厂一直处于高产状态,而燃气锅炉为副产物煤气的消耗 设备,也一直处于工作状态,所以对新建环保设备工程而言,可以停炉施工的时间非常短,这不仅增加了施工难 度,而且很多环保技术不能满足如此苛刻的条件。 

2 脱硫脱硝除尘技术简介

根据钢厂燃气锅炉的现场情况,目前有以下几种技 术路线可供选择:SCR脱硝技术+半干法脱硫+布袋除尘 技术,SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿电除尘技术,脉冲等离 子体脱硫脱硝除尘一体化技术。 

SCR脱硝技术+半干法脱硫+布袋除尘技术路线为:燃烧后的烟气先经过换热器,到200 ℃左右后进入SCR进 行脱硝,再进入半干法脱硫塔进行脱硫反应,然后反应产 物与烟气中的原粉尘颗粒物在布袋除尘器中被收集。 

SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿电除尘技术路线为:燃 烧后的烟气先经过换热器,到200 ℃左右后进入SCR进行 脱硝,再进入湿法脱硫塔进行脱硫反应,最后进入湿式电 除尘器脱除颗粒物。但由于经过湿法脱硫后,烟气会变成 饱和湿烟气,所以需要对烟囱进行防腐或者是对烟气进 行再热。

脉冲等离子体脱硫脱硝除尘一体化技术路线为:燃 烧后的烟气经过换热器换热至80 ℃左右,进入脉冲等离 子体反应装置进行脱硫、脱硝、除尘的一体化脱除反应, 由于需要通过间断喷淋的方式将收集的污染物排出设 备,所以烟气会有10 ℃左右的温降,70 ℃左右的烟气仍 高于烟气的露点温度20 ℃以上,不会对烟囱造成腐蚀。

1)SCR脱硝技术。SCR即为选择性催化还原技术,是 目前最为成熟的脱硝技术,其原理为:在催化剂作用下,向 一定温度的烟气中喷入氨或尿素,将NOx还原成N2和H2O。 

主要反应式为:

为N2和H2O,不会构成二次污染,而且净化效率高,脱硝效 率可以高达90%以上;不足的是催化剂容易中毒和失效, 脱硝效率会随着使用时间的增加而逐渐降低,需要定期 进行更换,以保证其性能。

2)半干法脱硫技术。半干法脱硫原理为:往塔内喷入 石灰浆液,利用烟气热量来蒸发浆液中的水分,在干燥脱 硫剂的过程中,与烟气中的SO2发生反应,生成干粉状的 产物。目前脱硫塔的设计主要采用循环流化床的机理,让 石灰浆液在烟气作用下悬浮在塔内,反复循环,从而与烟 气中的SO2充分接触、吸收。在合适的Ga/S下,脱硫效率可 以达到90%以上[2],较湿法脱硫略低,但其脱硫剂利用率 高,反应迅速,烟气处理时间长,处理后的烟气温度在70~ 80 ℃左右,不会造成烟囱腐蚀。

3)湿法脱硫技术。湿法脱硫采用液体吸收剂对烟气 进行洗涤,是应用最广泛、技术最成熟的技术,目前湿法脱 硫大多采用石膏法。通常,湿法脱硫的液气比为5~14 L/m3, 液气比越大,脱硫效率越高,其脱硫效率可高达95%。由 于采用喷淋液体的方式,并且液气比相对较大,则烟气在 经过湿法脱硫塔时,吸收液对烟气的降温作用比较明显, 塔出口烟温在50 ℃左右,烟气中含水量也会大大增加,成为饱和湿烟气,对烟囱具有腐蚀性。

4)布袋除尘技术。袋式除尘器是一种高效除尘设备, 具有除尘效率高、运行稳定、操作维护简单等优点,广泛 应用于钢铁、有色冶金、建材、化工、食品等行业,在国外 也广泛应用于电厂燃煤锅炉烟气的净化。但其占地面积 大,设备运行阻力较大,滤袋受到烟气的磨损,需要定期 进行更换,运行维护成本高;由于滤料的耐温性能,使其 使用条件受到一定限制,并且对烟气中的氧、氮氧化物等 成分有严格的要求。

5)湿电除尘技术。湿式电除尘器是环保设备的终端 处理设备,利用静电力将气体中粉尘分离,在高电场强度 的作用下,电晕极周围小范围内气体电离,产生大量自由 电子及正离子,当含尘气体通过存在大量负离子及电子 的空间时,负离子及电子会附着在粉尘上,在电场力作用 下,荷电粉尘向其极性反方向运动,在负电晕电场中,大 量荷负电粉尘移向接地的集尘极,最终吸附在收尘极上, 采用喷水的方式,将收集的粉尘带出设备,完成烟气净化 的过程。湿式电除尘器没有二次扬尘,具有很高的除尘效 率,用水来代替振打清灰,设备的可靠性大大提升,但由 于采用连续喷水的方式清灰,且烟气湿度较大,需要有良 好防腐措施。 

6)脉冲放电等离子体脱硫脱硝除尘一体化技术。脉 冲放电等离子体烟气一体化净化技术是以气体高压放电 为基础,激发烟气中的H2O、O2等分子,生成OH*、H*和水 合分子等活性自由基[3],这些自由基与烟气中的SO2、NO 等污染物结合,生成相应的H2SO4、HNO3等雾滴,与粉尘 颗粒一样,在静电场的作用下荷电并被收集,具体反应机 理如下:

自由基形成:

脉冲放电等离子体烟气一体化净化技术可以同时脱 除多种污染物,无二次污染,空间占用小,可以有效地避 免出现“白烟”现象,但其适合中低浓度烟气治理,如果在 高浓度烟气条件下使用,经济性很差。

3 脱硫脱硝除尘技术路线对比分析

从上述技术简要介绍可知,SCR脱硝技术+半干法脱 硫+布袋除尘技术、SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿电除尘技 术、脉冲等离子体脱硫脱硝除尘一体化技术等3种技术路 线都能实现钢厂燃气锅炉超低排放的功能,但三者在占 地面积、投资成本及运行维护费用上存在一定的差异。 

如表1所示,SCR脱硝技术+半干法脱硫+布袋除尘技 术路线和SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿电除尘技术路线的 占地面积为脉冲放电等离子体烟气一体 化净化技术路线设备的6倍,运行费用为其10倍左右,三 者的投资成本比较接近。

从三者的反应温度看,脉冲放电等离子体烟气一体 化净化技术的反应温度为80 ℃左右,而SCR脱硝技术+半 干法脱硫+布袋除尘技术和SCR脱硝技术+湿法脱硫+湿 电除尘技术的反应温度都在200 ℃左右,这对烟气热量也 是一种浪费。 

4 结论

综上所述,从成本上考虑,脉冲放电等离子体烟气一 体化净化技术路线明显优于另外两种技术路线,占地面 积也要小得多,并且脉冲放电等离子体烟气一体化净化 设备可以架空布置,放置在烟道、房屋、马路等设施的上 空,不会占用地面空间,也不会影响其他设施设备的正常 工作,整体改造工程量要小得多。 

脉冲放电等离子体烟气一体化净化技术设备可完成 多种污染物的脱除,设备比较简单,设备数量少,附属系 统也少;设备操作简单,故障率低,运行维护人员上手快, 人员需求少,大大减小了设备的运行维护工作量。 

钢铁行业燃气锅炉烟气的脱硫脱硝除尘技术处于起 步和探索阶段,需要结合燃气锅炉烟气的特点,不断创新 和改进脱硫脱硝除尘技术,集各家之所长,在保证性能的 同时降低投资和运行成本,同时减少对环境的二次污染, 促进钢铁行业健康快速地发展。

来源电力行业节能环保低碳服务平台

来源:《机械工程师》 
 

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