陶瓷工業煙氣脫硝工藝技術
摘要：筆者介紹了陶瓷行業的煙氣特性,陶瓷煙氣污染物的脫硝控制技術,提出了陶瓷行業脫硝技術路線。
在我國陶瓷工業中,目前國內針對陶瓷煙氣污染控制,除塵、脫硫技術已經成熟,但對NOx、氟化物、氯化物及重金屬等污染物的控制技術研究和應用嚴重滯后或缺乏。對于建筑陶瓷生產而言,煙氣的排放有2處:①噴霧干燥塔的燃燒爐排放的煙氣;②陶瓷輥道窯燃燒后排放的煙氣。對于噴霧塔熱風爐煙氣的脫硝可以借鑒電力行業的高溫脫硝技術,需要研發適用于陶瓷噴霧干燥塔高溫脫硝技術。對于大量的陶瓷輥道窯排放的煙氣經過一次余熱利用后,煙氣的溫度較低(一般都在150℃左右),中低溫煙氣的脫硝技術在其他行業研究、應用比較薄弱,而陶瓷工業煙氣中低溫脫硝的技術研究更是薄弱。因此,基于國內陶瓷行業煙氣需要脫硝技術廣泛應用的現狀,開展陶瓷煙氣脫硝技術的研究和應用將是我國陶瓷煙氣污染控制的重要的發展方向之一。
1 陶瓷行業煙氣特性
根據目前陶瓷行業的生產規模及燃料使用情況,陶瓷噴霧塔煙氣的主要污染物有粉塵、SO2 和NOx,其排放參數如下:
1)煙氣的排放溫度:80~110℃;
2)噴霧塔燃燒爐燃燒的溫度:850~1100℃;
3)粉塵:7000~9000mg/Nm3;
4)SO2:堿性漿液吸收部分SO2;(水煤漿)≤300
mg/Nm3;(粉煤)1000~2000mg/Nm3;
5)NOx:500~700mg/Nm3;
6)煙氣中的水分比較大,有洗塔、超高溫、超低溫情況。
陶瓷輥道窯爐煙氣主要污染物有粉塵、SO2 和NOx,其排放參數如下:
1)煙溫:(燒成窯)300~380℃;(干燥窯)140~180℃;
2)粉塵:70~100mg/Nm3;
3)NOx:400~600mg/Nm3;
4)SO2:800~1000mg/Nm3。
2 陶瓷煙氣污染物的脫硝控制技術
陶瓷煙氣中的污染物———粉塵與SO2的控制技術移植于火電行業的技術,在陶瓷行業中的應用使得該技術能夠適應陶瓷行業的煙氣特性,目前該技術比較成熟,筆者僅對陶瓷煙氣的脫硝技術展開研究。
在噴霧干燥塔的燃燒爐處,該位置的溫度一般為850~1100℃,該地方煙氣的脫硝采用陶瓷行業適用的新型選擇性非催化還原SNCR技術。
在850~1100℃的溫度窗口下,將含氨基的還原劑(如氨水,尿素溶液等)噴入爐內,將煙氣中的NOx還原脫除,生成氮氣和水的清潔脫硝技術。在合適的溫度區域,且氨水作為還原劑時,其反應方程式為:
4NH3+4NO+O2 →4N2+6H2O
新型陶瓷行業適用的SNCR 煙氣脫硝技術的脫硝效率可達到50%,并且其工程造價低,占地面積小,適用于噴霧塔煙氣的脫硝。
在輥道煙氣的排放當中,輥道窯的燒成階段———燃燒處燃燒的溫度雖然在SNCR 溫度窗口,但因其脫硝工藝會改變陶瓷件的燒成氣氛(將燒成氣氛由氧化氣氛變為還原氣氛),在燒成工藝上是不允許的。輥道窯的余熱還需作為熱源去干燥素坯,因此陶瓷輥道窯煙氣最佳的脫硝工藝位置在干燥完素坯以后的工序。
陶瓷輥道窯的煙氣最終的排放溫度比較低,為了實現NOx的超低排放,只能研發新型選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統,同時通過工藝優化、運行參數調整等手段來實現NOx的超低排放。
新型低溫SCR技術是在O2 和催化劑存在的條件下,在120~300℃溫度窗口內,用還原劑NH3 將煙氣中的NOx還原為N2 和H2O,反應原理如下:
4NH3+4NO+O2 →4N2+6H2O
8NH3+6NO2 →7N2+12H2O
對于低溫煙氣脫硝———選擇性催化還原脫硝系統而言,催化劑是SCR技術的核心部分,決定了SCR系統的脫硝效率和經濟性,其建設成本占煙氣脫硝工程成本的20%以上,運行成本占30%以上。
催化反應原是NH3 快速吸附V2O5 表面的B酸活性點,與NO 按照Eley-Rideal機理反應形成中間產物,分解成N2 和H2O,在O2 的存在下,催化劑的活性點很快得到恢復,繼續下一個循環。
反應步驟可分解為以下6個步驟:
1)NH3 擴散到催化劑表面;
2)NH3 在V2O5 上發生化學吸附;
3)NO 擴散到催化劑表面;
4)NO 與吸附態的NH3 反應生成中間產物;
5)中間產物分解成最終產物N2 和H2O;
6)N2 和H2O 離開催化劑表面向外擴散。
陶瓷行業催化劑主要是金屬氧化物催化劑,該種技術較為成熟。陶瓷行業催化劑在前期火電行業催化劑技術上進行擴展性研究,通過載體改性、優化活性組分負載方法,提高了催化劑活性組分活性位濃度;通過金屬離子摻雜及離子價態控制,抑制反應中二氧化硫氧化率,提高抗堿金屬中毒能力;通過控制催化劑表面微觀結構提高催化劑抗水性。結合BET、XRD、TPD、TPR、XPS等技術對催化劑進行表征,建立催化劑活性與催化劑微觀性質的相關聯系。通過煙氣工況模擬臺架,采用原位紅外方法,分析硫和水氣中毒原理;通過在催化劑上摻雜不同堿金屬離子,研究催化劑的抗堿金屬能力,通過微觀表征手段分析堿金屬對催化劑的微觀性質的影響。通過研究原料預處理工藝及配比,分析各原料工藝性能及其對催化性能的影響,調整工藝配方;通過研究各工序過程及參數對催化性能影響,建立合理工藝路線;根據陶瓷輥道窯爐煙氣工況條件,計算催化劑有效孔截面積及模塊壓降阻力,設計催化劑蜂窩結構及模塊設計結構,最終建立催化劑在陶瓷輥道窯工況條件下的催化劑模塊設計方案。
3 陶瓷行業脫硝工藝技術路線
對于建筑陶瓷工業煙氣脫硝方案的設計,主要設計依據如下:
1)熱風爐SNCR 脫硝技術。由于干燥塔前端的熱風爐煙氣溫度較高(850~1100℃),符合SNCR 脫硝溫度范圍,且SNCR 投資成本低,運行可靠,因此,在噴霧干燥塔前端的熱風爐進行SNCR 法脫硝治理,保證50%以上的脫硝效率。
2)窯爐低溫SCR 脫硝技術。由于陶瓷窯排放煙氣溫度較低,排煙溫度為130~180℃,這個溫度符合低溫SCR脫硝的溫度窗口。
設計的技術路線如下:
綜上所述,通過對陶瓷工業燃燒器的低氮燃燒改造、選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術、非催化還原(SNCR)煙氣脫硝技術,協同高效脫硫、除塵綜合治理處置技術,陶瓷工業的煙氣完全可以達到最新的環保要求。整個系統的脫硝、脫硫、除塵等協同處置系統技術先進、成熟可靠,整套技術可以在陶瓷行業及其它類似行業推廣應用。
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