活性焦二级吸附塔在烧结烟气净化处理中的应用

时间：2024-07-28

贺志国

(安阳钢铁股份有限公司，河南安阳 455000)

引言

2019年04月28日，生态环境部发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(环大气[2019]35号)，要求钢铁项目所有生产工序，均应达到超低排放相关要求，其中烧结机头烟气在基准含氧量16 %条件下，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物小时均值排放浓度分别不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50 mg/Nm3。原采用活性焦脱硫脱硝净化工艺的装置，相应进行了升级改造，分别选取活性焦脱硫+SCR脱硝工艺和活性焦一级+二级吸附工艺。其中活性焦一级+二级吸附工艺因其脱硫脱硝效率高，与一期装置共用一套解析装置，不需要对烟气进行升温处理，无需使用催化剂材料等优势受到企业的青睐。如何发挥一二级吸附塔脱硫脱硝装置优势，保障污染物排放值，成为目前各烟气净化企业积极探讨实施的热点。

1 概况

安钢炼铁厂在原有3套烧结机活性焦一级吸附脱硫脱硝装置基础上，新建二级活性焦吸附装置，吸附塔采用M+N(N=M+1)串联形式，烟气处理能力分别为：216万m3/h，240万m3/h，288万m3/h。由中冶长天国际工程有限责任公司设计承建，于2021年5月建成投产。经过3个月运行生产调试和系统标定，逐步达到设计指标，实现了“低成本、高效益”的运行生产。

2 二级吸附工艺的原理及工艺流程

2.1 二级吸附脱硫脱硝的原理

当烟气穿过吸附塔焦床时，根据吸附理论，SO2的沸点比 NO高，因而更容易被活性炭吸附。故此，一级吸附塔主要发生活性焦烟气脱硫反应，此过程一个化学吸附和物理吸附同时存在的过程，首先发生的是物理吸附，然后活性焦表面的某些含氧络合物基团是 SO2吸附及催化氧化的活性中心，在有水和氧气存在的条件下，将吸附到活性炭表面的 SO2最终催化氧化为 H2SO4，使烟气得到净化；吸附生成的H2SO4迁移至活性焦微孔中储存，活性焦吸附位得到释放，活性焦继续吸附烟气中的SO2。

一级吸附塔后烟气中SO2浓度降至50 mg/Nm3以下，进入二级吸附塔，发生以下反应：活性焦催化还原反应(Non-SCR)：烟气中约5 %～10 %的NOx在活性焦表面还原物质(碱性物质)的作用下，会直接被还原成N2，同时烟气中少量的O2也被还原。活性焦选择性催化还原反应(SCR)：二级吸附塔进口烟道内喷入的NH3与烟气均匀混合后进入脱硝床，烟气中的NH3和NOx被活性焦吸附。在活性焦表面极性氧化物的催化作用下，吸附态的NH3和NOx发生反应生成N2和H2O。在此过程中，NH3不直接与O反应。与一级吸附法净化系统相比，两级吸附净化系统可以深度脱除烟气中SO2并大幅提高NOX的脱除率。

2.2 二级吸附工艺流程

烧结烟气由一级增压风机增压后进入一级吸附塔前、中、后三个通道完成SO2、NOX、二噁英、重金属、粉尘等污染物的净化处理。烟气经一级吸附塔后通过二级增压风机增压，在二级吸附塔入口烟道喷入稀释后的NH3，烟气依次经过二级吸附塔的前、后两个通道，烟气中残留的污染物进一步被活性炭层吸附或催化反应生成无害物质，净化后的烟气进入烟囱排放。活性焦由二级吸附塔塔顶加入到吸附塔中，并在重力和塔底出料装置的作用下向下移动。吸收了SO2、NOX、二噁英、重金属及粉尘等的活性炭经输送装置送往一级吸附塔，活性炭在一级吸附塔内继续吸附烟气中的污染物后被输送至解吸塔进行解吸活化。二级吸附工艺流程如图1所示。

图1 二级吸附塔工艺流程

解吸塔的作用是恢复活性炭的活性，同时释放或分解有害物质。在解吸塔内SO2被高温解吸释放出来，NOx在解吸塔内与NH3进行氧化还原反应，生成无害的N2与H2O，同时在适宜的温度下，二噁英在活性炭内催化剂的作用下将苯环间的氧基破坏，使之发生结构转变裂解为无害物质。解吸后的活性炭经解吸塔底端的振动筛筛分，大颗粒活性炭落入输送机输送至吸附塔循环利用，小颗粒活性炭粉送入粉仓，用罐车运输至烧结作为燃料使用。

3 实际应用

一二级错硫吸附塔串联工艺，由于SO2和NOX在活性炭表面上存在竞争吸附，同时SO2的偶极距大于NOX，所以SO2脱除反应一般优先于NOX的脱除反应，当烟气中SO2浓度较高时，在活性炭内进行的主要是SO2脱除反应；当SO2浓度较低时，NOX脱除反应占主导地位，故此，一级塔为脱硫反应，避免SO2对脱硝的影响，二级塔为脱硝反应，一级塔内活性焦脱除SO2是二级塔脱除NOX的前提，若要达到较高的脱硝效率，就必须要先彻底脱硫。

3.1 脱硫塔后SO2含量

影响活性焦吸附烟气中SO2的因素主要有：吸附反应温度、活性焦循环量和脱硫塔入口活性焦含硫量、脱硝副反应等因素。

3.1.1 吸附反应温度

一级脱硫塔内床层温度对SO2的脱除率有很大影响，当床层温度升至100 ℃时，活性焦脱硫效率增速逐渐减慢，当床层温度升高至120 ℃时，脱硫效率已达到98.0 %，温度继续升高，脱硫效率变化趋于平缓。生产中，为防止床层温度<100 ℃时，在活性焦表面形成水膜，影响SO2吸附，温度>145 ℃时，引发“飞温”事故。将床层温度控制在120 ℃～135 ℃之间。

3.1.2 活性焦循环量

生产过程中适当提高活性焦循环量，可以明显降低(SO2)浓度，但循环量提高，活性焦损耗量也会成倍增加，活性焦的损耗量约占循环量的2.0 %，结合原烟气入口SO2浓度在700 mg/Nm3～800 mg/Nm3的情况，活性焦循环量控制在25 t/h。

3.1.3 脱硫塔脱硝塔入口活性焦含硫量

进入吸附塔的活性焦含硫越高，吸附能力越低，通过提高解析塔解析效率，降低贫硫焦含硫量，是提高脱硫效率的重要措施，二级吸附塔生产中，脱硝塔入口活性焦含硫量在1.89 %～2.22 %，脱硫塔进料即二级吸附塔出口排出循环活性焦的含硫量在2.04 %～2.76 %范围见表1。

表1 解析塔二级吸附塔排出活性焦全硫分析(%)

3.1.4 脱硝塔反应影响

脱硝塔内脱硝反应之后会有大量的 NH3吸附在活性焦孔隙内，吸附态的 NH3有利于 SO2的脱除，这是因为 SO2吸附在活性炭上会与烟气中的 O2、H2O 发生化学反应生成 H2SO4，H2SO4会与 NH3发生酸碱中和反应生成硫酸铵，NH3的加入大大提高了 SO2吸附效率，而且 NH3吸附在活性炭上大大增加了表面碱性，有利于 SO2吸附，但是NH3与 H2SO4在活性炭孔隙内形成的硫酸铵，会堵塞活性炭的孔隙，阻止SO2向活性焦内部的扩散，降低脱硫效率。为此脱硝塔内氨氮摩尔比宜控制在0.8～1.0范围。

实践证明，在不同的 SO2浓度下，空间速度增加时，脱硫效率下降，这是因为SO2在活性炭上吸附时，吸附量达到某一数值之前，吸附速度很快，超过这一数值后，吸附过程缓慢地进行。脱硫塔设置9层塔节，自上而下不同位置的活性焦脱硫时间逐渐延长，所以脱硫塔不同位置的脱硫率也不同。采用紫外检测仪分别对脱硫塔出气侧第2层、第4层、第5层、第7层、第8层塔节进行检测，数据见表2，列出吸附塔高向吸收效率分布图见图2。

表2 脱硫塔出气侧烟气分析(mg/Nm3)

图2 吸附塔高向吸收效率分布图

通过实践验证，在活性焦总循环量一定的条件下，通过调整脱硫塔前中后室活性焦流速，采取前中室停留时间缩短，后室停留时间延长的措施，有利于提高脱硫塔吸收效率。

3.2 脱硫塔后结晶物的控制

二级吸附塔投用后，脱硝塔脱硝反应喷氨位置选择在脱硫塔后二级增压风机出口烟道内，为提高喷氨均匀性，采用喷氨格栅形式。实际应用过程中，存在脱硝塔进气侧有结晶物生成堵塞进气导叶板的情况(见图3)，造成塔阻升高，气流分布不均匀，对脱硫脱硝效率造成一定影响。取样分析堵塞物成分主要为氯化铵结晶(见图4)。

图3 脱硝塔进气侧堵塞情况

图4 堵塞物成分分析

为减少脱硝塔进气侧气体导流板位置NH4Cl的生成，适当提高脱硫塔床层温度，确保脱硝塔入口烟气温度在130 ℃～135 ℃范围；通过在一级脱硫塔内适当喷入一定量氨的措施进行缓解，喷氨量控制在喷氨总量的10 %以内。使烧结烟气中部分HCl与氨反应生成NH4Cl，随活性炭移动带入解析塔分解后，由富硫气体管道带出至制酸系统。经过一个运行周期的验证，消除了脱硝塔入口结晶物附着情况，降低了系统运行阻力，取得了显著效果。