玻璃熔窯煙氣污染物深度減排技術研究與工程化應用
摘要：當前我國大氣污染防治工作有序開展,隨著煤電行業煙氣超低排放改造逐漸進入收尾階段,建材等行業的煙氣治理已成為下一個重點。我國玻璃熔窯煙氣治理工作較煤電行業起步晚、技術發展不成熟。該文通過多年研發與工程實踐積累,得出玻璃熔窯煙氣污染物深度減排技術方案,并結合工程實際案例進行技術分析,為玻璃行業煙氣達標排放,特別是重點地區滿足特殊排放限值提供借鑒。
隨著我國經濟社會的不斷發展,工業化程度逐漸加深,其中玻璃工業從20世紀90年代以來有了飛速發展,玻璃產量已居世界第一。近年來,我國大范圍的灰霾天氣頻發,已成為制約我國經濟可持續發展的障礙之一。在大氣污染源中,玻璃工業排放的煙氣污染物也占據一定比例,而且治理工作開展時間較電力及冶金等行業晚,治理難度大。玻璃熔窯煙氣中的主要污染物為PM、SO2和NOX,同時還有HCl、氟化物等非常規污染物。初步估算,2016年玻璃行業顆粒物年排放總量約9.2萬t,SO2約28.9萬t,NOX約40.7萬t,雖然相比于煤電、鋼鐵等行業占比較小,但鑒于其集中分布在華北等重點地區,僅京津冀及周邊“2+26”城市就集中了全國平板玻璃近30%的產量,加劇了京津冀等重點區域灰霾、酸雨等問題。2017年6月13日環保部發布《關于征求<鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準>等20項國家污染物排放標準修改單(征求意見稿)意見的函》(環辦大氣函[2017]924號),對平板玻璃等行業大氣污染物排放標準增加了排放特別限值,其中平板玻璃主要污染物顆粒物排放標準由50mg/m3提高到20mg/m3,SO2由400mg/m3提高到100mg/m3,NOX提高到400mg/m3。
在煙氣脫硫、脫硝、除塵等污染排放控制技術領域,國內外研究機構已經開發了多種煙氣污染控制技術,針對燃煤鍋爐煙氣排放控制的研究與工程應用較多,但對玻璃熔窯煙氣綜合治理工藝研究較少。歐美、日本等發達國家玻璃窯燃料多為天然氣,且多無余熱發電,煙氣治理相對簡單,而我國玻璃熔窯燃料除少數采用天然氣和煤氣外,大部分采用重油、焦油、石油焦粉等高硫燃料。我國針對以氣體為燃料的玻璃熔窯煙氣治理技術已基本成熟,深度減排還有待繼續優化;針對以重油、焦油、石油焦粉為燃料的玻璃熔窯煙氣治理則處于起步階段。
由于玻璃生產工藝特殊性,其熔窯煙氣具有溫度高、成分復雜導致的粘性高、NOX含量高等“三高”特點,且窯爐周期性換火會造成PM、SO2、NOx濃度變化劇烈,環保設備運行過程還需保證窯壓平衡,再加上多有余熱發電,煙氣治理流程復雜、治理難度大[7,8]。在借鑒燃煤鍋爐煙氣處理經驗的同時,還需要根據玻璃工業煙氣自身特點,開發設計玻璃行業特有的高溫、高氮、高粘塵玻璃熔窯煙氣排放控制技術。此外,玻璃熔窯煙氣中包括氟化物和氯化物等非常規污染物,多污染物協同深度減排也是今后研究的重點。針對玻璃爐窯煙氣污染物深度減排技術需求,特別是當前行業標準逐步趨嚴,重點地區已提出特別排放限值的要求。該文結合多年研究的煙氣調質改性技術、高溫電除塵技術、高/低溫段余熱利用與SCR脫硝耦合技術、旋轉噴霧干燥吸收(R-SDA)脫硫技術,形成一套煙氣多污染物深度減排及余熱利用整體解決方案,并結合工程實際案例對其進行技術分析,為建材特別是玻璃行業煙氣達標排放,尤其是重點地區滿足特別排放限值提供借鑒。
1整體方案
來自熔窯的高硫高氮高粘塵煙氣450~500℃首先進入余熱發電鍋爐高溫段,使煙氣溫度降至適宜中高溫脫硝的溫度段350~420℃后引入調質反應器,經調質改性后進入高溫靜電除塵器,預處理后的煙氣與噴入的氨水進行充分混合均勻后再進入SCR反應器,在催化劑的作用下氨與氮氧化物發生氧化還原反應,生成氮氣和水蒸汽,從而完成煙氣預處理、除塵、脫硝過程。經脫硝后的低塵煙氣320~380℃返回余熱發電鍋爐低溫段充分回收余熱,再進入R-SDA脫硫塔由氫氧化鈣與二氧化硫發生中和反應,并完全干燥形成粉末,最終經袋式除塵器氣固分離后的煙氣達到硫硝塵的深度減排要求,工藝流程圖見圖1。
2技術分解
2.1煙氣調質改性技術
對于玻璃熔窯煙氣,由于玻璃生產原料及燃料的原因,高溫熔化玻璃表面經過氣相升華,會造成玻璃窯爐煙氣中的粉塵含有硫酸鈉鹽。當采用重油、石油焦粉時,煙氣中SO3含量較高,即使燃料為天然氣,其煙氣中也會有來自燃料的硫氧化物,隨之產生SO3氣體。在特定溫度下,通常為200~500℃,從高溫冷卻下來的硫酸鈉與煙氣中的氣態SO3混合后產生粘性大、腐蝕性強的顆粒物。如果此類煙氣不經預處理直接引入下游除塵及脫硝裝置,不僅會粘附和腐蝕除塵極板,降低除塵效率,給除塵振打清灰和灰斗清灰帶來很多問題,同時也極易引起催化劑堵塞,縮短其使用壽命,增加整個系統的阻力。
為改善玻璃窯煙氣粉塵性質,降低其腐蝕性與粘性,同時減少煙氣中硫含量,控制脫硝過程中硫氨生成,對下游環保設備起到保護作用,必須對玻璃窯煙氣進行不同于電力、冶金等行業煙氣的調質改性處理。
目前,國內外普遍采用液相調質劑或者向煙氣加入添加劑,如SO3、硫酸銨等,改善煙氣顆粒物性質,這些方法并不適用于玻璃熔窯煙氣,同時煙氣的腐蝕性也并沒有得到降低,對下游電除塵器、脫硝催化劑的脫除效率及使用壽命都構成極大影響[10]。江蘇中建材環保研究院根據玻璃熔窯煙氣特性,開發出新型玻璃窯煙氣干法調質脫硫一體化裝置,見圖2。
從圖2可以看出,該裝置設計安裝在除塵器進口前,通過噴入調質改性劑,可有效改善煙氣中顆粒物的粘性及腐蝕性,同時起到較好的預脫硫的作用,且脫硫灰可循環使用,為后續的除塵及脫硝提供了有效保護。
2.2高溫靜電除塵技術
電除塵器在電力、冶金等行業煙氣治理中已得到廣泛應用,且技術成熟,一般適應溫度在250~300℃左右[11]。但是,玻璃熔窯煙氣溫度一般在450℃左右,普通電除塵器并不適用,需對其進行升級改造,提高耐受的運行溫度。此外,由于SCR脫硝催化劑的最佳活性溫度在300~400℃,因此也對其上游的除塵器提出了耐高溫的要求。高溫電除塵器改進主要從以下幾個方面進行:
1)優化電除塵器結構設計及選材,滿足耐高溫運行要求鋼材的性能與作用溫度有著密切關系,其與焊縫的強度均會隨著溫度的上升而下降。溫度越高對鋼材的性能影響越大,當溫度達到350~400℃時,殼體的設計要考慮相應的溫度折減系數,抵消高溫造成的性能衰減,并從整體上對電除塵器進行詳細的結構力學分析,確保電除塵器部件在高溫環境下的變形量在正常范圍內。
針對除塵器殼體及部分鋼結構,采用材質為Q235或Q345的鋼材進行設計,其溫度折算系數如表1所示:對于系統內部的陰陽極系統:陽極系統采用耐高溫的ZT24型陽極板,厚度δ=1.2mm,可有效耐受高溫煙氣;陰極系統采用V15型圓鋼針刺線,抗拉強度高,適合用于高溫煙氣環境。
對于系統內部的陰陽極系統:陽極系統采用耐高溫的ZT24型陽極板,厚度δ=1.2mm,可有效耐受高溫煙氣;陰極系統采用V15型圓鋼針刺線,抗拉強度高,適合用于高溫煙氣環境。
2)改善除塵器結構熱變形狀況電除塵器體積較大,其在400℃高溫下與常溫下相比熱膨脹量比較大。如果沒有消除熱膨脹的措施,除塵器高溫下整體會產生較大的變形量,進而對內部電場產生影響,嚴重影響自身正常運行。通過將電除塵器的鋼支座制作成可滑動支座,從而實現在多個方向上調節消除除塵器自身的熱膨脹。此外,陰極系統設計成分段框架式懸掛,分為大、小框架,并采用螺栓卡扣相連,預留膨脹空間,避免陰極線產生熱變形,影響電場除塵效果。
3)改進陽極板系統,減小極板變形普通除塵器的陽極板在高溫煙氣中變形量大,造成電場不穩定,極易引起短路,對除塵效果影響極大。針對此問題對陽極板進行了特別設計,開發了高溫電除塵器陽極板防變形技術,目的在于增強高溫電除塵器陽極板的熱穩定性,防止因極板高溫變形所造成的放電極和陽極板的定位精確性。同時采用重物垂拉的方式保證極板的平整,避免對極板的振打清灰造成影響。
高溫電除塵器陽極板防變形技術主要包括振打系統、極板固定系統和極板防變形系統。該裝置通過重物垂吊增強極板的熱穩定性,保證極板在豎直方向的平整,防止極板熱變形影響放電及振打清灰的效果,維持電場穩定運行。
2.3高/低溫段余熱利用與SCR脫硝耦合技術
利用余熱鍋爐對450~500℃的煙氣進行溫度調控,使得高溫段余熱利用后的煙氣滿足中高溫SCR脫硝的要求,低溫段余熱利用后的煙氣再進入下游處理設備[16,17]。通過高低溫段余熱回收裝置與SCR脫硝反應器的匹配銜接技術,既滿足SCR脫硝的催化溫度要求,又能充分利用煙氣余熱,實現節能減排的目的。
2.4旋轉噴霧干燥吸收脫硫技術
旋轉噴霧干燥吸收脫硫技術(rotaryspraydryingadsorption,R-SDA)[18],該煙氣脫硫系統采用熟石灰液作脫硫劑,將石灰粉送至石灰熟化池,經生產水稀釋成25%的石灰液,并流至石灰漿液儲罐進行儲存。定期將配置好的石灰液經石灰液輸送泵送至R-SDA吸收室頂部的旋轉霧化器。在霧化輪接近10000r/min的高速旋轉作用下,漿液被霧化成數以億計的50μm的霧滴。未經處理的熱煙氣通過氣體分布器進入吸收塔后,立即與呈堿性的吸收劑霧滴接觸,煙氣中的酸性成分(HCl、HF、SO2、SO3)被吸收,同時霧滴的水分被蒸發,變成干燥的脫硫產物。脫硫產物少量直接從吸收塔底部排出,大部分隨煙氣進入吸收塔后的除塵器內被收集,通過機械或氣力方式輸送。
通過對R-SDA脫硫技術工藝的多項改進,優化設計了反沖洗系統以及循環灰再利用系統等。優化改進后的R-SDA脫硫技術工藝系統主要包括生石灰制漿系統、循環灰制漿系統、混合及噴漿霧化系統、廢料輸送及儲存系統、工藝水供給系統、袋除塵系統、電氣控制及在線監測系統。其中,工藝水供給系統包括生石灰消化用水、循環灰溶解用水、反沖洗用水等部分。具體的工藝流程見圖3。
3工程案例
3.1工程概況
秦皇島某玻璃項目新建一條優質浮法玻璃生產線,生產線熔窯的熔化能力為900t/d,燃料為石油焦,煙氣量160000Nm3/h。為滿足地方排放標準和“三同時”要求,新建煙氣治理相關設施。主要設計參數見表2。
采用的工藝流程為:煙氣→余熱鍋爐(高溫段)→煙氣調質→高溫電除塵器→SCR脫硝→余熱鍋爐(低溫段)→R-SDA脫硫→布袋除塵器→排放,工藝設計流程如圖4所示。
3.2設計要點
3.2.1煙氣調質系統
根據玻璃廠多年的脫硝經驗證實,使用石油焦的玻璃廠煙氣脫硝要保證穩定運行,必須以干法脫硫調質系統作為前提,其中脫硫塔是保證脫硝系統運行的關鍵設備。
3.2.2高溫電除塵系統
經干法脫硫調質后的煙氣進入高溫電除塵器,處理后顆粒物濃度迅速降低并低于50mg/Nm3。且該顆粒物性質大大改善,減輕對后續脫硝反應器中催化劑的影響。去除掉的顆粒物收集在高溫電除塵料斗中,并由輸送機運出除塵器至收集袋外運。
高溫電除塵器特別根據高溫煙氣的特性而制造,根據玻璃廠不同的需要,最高可設計耐受到420℃的高溫。該工程中除塵器設計可以在400℃以下保持正常運行,并設置3個電場,極間距設計在400mm,可以大大避免通道內的粘性氣體塵埃橋接。同時料斗配有振打裝置避免粘性灰塵結殼,除塵器通過星形給料閥和鏈條傳送機將沉積物輸送到除塵器外。
3.2.3SCR反應系統
SCR反應系統由SCR反應器、催化劑、吹灰器等組成。該工程反應器內部設置壓縮空氣預熱管路,正常運行時,吹灰用壓縮空氣在反應器內進行預熱,減少對反應器溫度影響,確保催化劑使用的安全,最大限度地提高催化劑的使用壽命。反應器設置足夠大小和數量的人孔門,為防止催化劑孔道堵塞,反應器設有耙式吹灰系統。
出于經濟、安全及工藝設計等多種因素考慮,該工程采用氨水作為脫硝還原劑。玻璃廠由于氨消耗量較小,使用氨水對系統的溫度影響遠小于使用液氨的影響,且使用液氨存在著較大的安全隱患,因此該工程脫硝還原劑使用20%濃度的氨水。
3.2.4R-SDA脫硫系統
該工程R-SDA脫硫系統主要由石灰漿液制備系統、旋轉噴霧干燥吸收系統、除塵系統和煙風系統等部分組成。
1)石灰漿液制備儲存系統主要由石灰熟化罐、石灰漿液池、輸送泵、攪拌機等組成。
2)旋轉噴霧干燥吸收系統主要由氣體分布器、旋轉霧化器和吸收室等組成。
3)除塵系統主要由袋式除塵器及相關配套等組成。
4)煙風系統主要由煙管道、膨脹節、引風機等組成。
3.3技術分析
該項目于2016年2月完成了玻璃熔窯煙氣多污染物深度減排示范工程建設。示范裝置運行至今穩定可靠,運行費用、系統溫降、硫硝塵脫除效率等多項經濟技術指標均領先于國內同類項目,具備技術推廣的基礎和條件。
項目投運后現場實測,性能檢測期間運行穩定,顆粒物、SO2、NOx測試參照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》(GB/T16157—1996)并相應改進。測試結果見表3。
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從表3可知,采用“煙氣+余熱鍋爐(高溫段)+煙氣調質+高溫電除塵器+SCR脫硝+余熱鍋爐(低溫段)+R-SDA脫硫+布袋除塵器”的工藝設計完全能夠滿足當前國家和部分地方對于玻璃熔窯煙氣的排放要求,煙氣出口顆粒物濃度<20mg/m3,SO2<100mg/m3,NOX<200mg/m3,能夠穩定滿足最新增加的重點地區大氣污染物特別排放限值要求。
4結論
當前玻璃熔窯煙氣治理普遍存在的問題是整體工藝流程復雜,運行穩定性較難把控,前期投資及運行費用較高。建議積極推進針對玻璃熔窯煙氣特性的低溫脫硝催化劑的研制開發和使用推廣工作,同時積極引進火電行業的先進成熟技術,如脫硫除塵一體化技術等。
同時,“超低排放”已經在火電行業順利開展,建材等行業雖然還沒有一個相對科學權威的“超低排放”限值,但已出臺針對重點地區的特別排放限值。因此我們要積極做好相關技術儲備,根據行業情況注意時間節點和力度逐步開展相關工作,注重前期的技術積累和典型治理路線的示范作用,從而促進整個行業的綠色良性發展。
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