利用焦化剩余氨水處理鍋爐煙氣
萊蕪鋼鐵股份有限公司熱電廠(簡稱萊鋼熱電廠)的4＃75t/h蒸汽鍋爐,以燃煤粉為主,摻燒高爐煤氣和焦爐煤氣。除塵設施為多管旋風除塵器,除塵器進口煙氣含塵22.4～26.6g/Nm3,出口含塵3.36～3.99g/Nm3,SO2產生量約352kg/h。萊鋼焦化廠在焦炭的生產過程中,產生富氨水40m3/h。經汽提處理后排出,外排廢水中COD的濃度為300~500mg/L,氨氮濃度為200~300mg/L,對自然水系造成嚴重污染。為此,萊鋼采用了焦化剩余氨水處理煙道氣技術,以煙氣的熱量處理掉焦化富氨水,又以富氨水中的氨去脫煙氣中的SO2。對煙氣的排放和焦化廢水進行綜合處理,取得了良好的效果。
1 工藝流程
工藝流程如圖1所示。
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圖1 工藝流程圖
鍋爐煙氣進入塔前電除塵器,除去煙氣中大部分煙塵后,進入特制的裝有雙流噴霧器的設備PT塔中,氨水由貯槽經泵加壓,與壓縮空氣混合后,進入塔中的雙流噴霧器。氨水以霧化狀與煙道氣在塔中順流接觸,并發生復雜的物理化學反應,煙道氣熱量使氨水中的水分全部汽化,氨水中的NH3與煙氣中的SO2、O2發生反應生成硫酸銨。反應后的煙氣再經塔后電除塵,由100m煙囪排出,含有硫酸銨和有機污染物的煙塵回鍋爐焚燒。
2 工作原理
2.1 煙氣的脫硫
2.1.1 酸堿中和反應煙道中含有的SO2為酸性氣體,富氨水中的氨為堿性物質,它們在PT塔內進行酸堿中和反應：
2NH3 + SO2 + H2O →(NH4)2SO3
2(NH4)2SO3 + O2 → 2(NH4)2SO4
2.1.2 氧化反應煙道中的SO2與氨水中的氰化物在O2、粉煤灰存在的條件下,進行氧化反應，既脫煙氣中的SO2,又分解了氨水中的氰化物:
CN-+ SO2 + O2 + H2O → CNO-+ H2SO4
2.2 外排煙氣中與氨水有關的污染物的達標排放
處理了氨水的外排煙氣,與氨水有關的氨、酚類、氰化氫、苯、甲苯、二甲苯、BaP等污染物濃度或排放量均低于相應的排放標準。
2.2.1 粉煤灰的吸附作用燃煤鍋爐煙氣中含有粉煤灰,粉煤灰的主要成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等氧化物。粉煤灰的比表面積大,固體吸附能力強,能夠去除廢水中的COD、色度等難以降解的有機污染物。
2.2.2 粉煤灰的混凝反應粉煤灰中含Al2O3、Fe2O3等氧化物,在一定條件下,鋁、鐵等元素將變為無機鹽混凝劑,所以粉煤灰可看成是一種含量較低的無機鹽混凝劑。它能降低廢水電位,起到廢水膠體脫穩的作用,使污染物沉淀在粉煤灰中,強化了粉煤灰對廢水中各類污染物的吸附作用。
2.2.3 氧化反應鍋爐燃燒過程的過剩空氣量,PT塔中壓縮空氣加入量,使塔中氧氣含量較高,它是氧化反應氧氣的主要來源。例如苯酚:
(1)酚類氧化分解成CO2、H2O:C6H5OH + 7O2 → 6CO2 + 3H2O
上述反應在鐵鹽、喹啉、氧氣存在的條件下，進行氧化反應。
(2)氰化物氧化分解為NH4+、CO32-或NH3、CO2:
2CN- + O2 + 4H2O → 2NH4+ + 2CO32-
CN- + SO2 + O2 + H2O → CNO-+ H2SO4
CNO- + 2H2O → NH3 + CO2 + OH-
上述氧化反應,應在粉煤灰吸附條件下進行。
2.2.4 酸堿中和反應氨水中的酚類物質屬有機弱酸,與粉煤灰中的氧化鈣等堿性物質在PT塔中進行中和反應,例如苯酚:
2C6H5OH + CaO → Ca(C6H5O)2 + H2O
2.3 氨水的零排放
氨水在反應塔內吸取煙道的熱量,全部汽化,進行化學反應,實現氨水的零排放。
2.4 煙塵的處理
煙塵中的有機物在鍋爐內經高溫焚燒分解,分解過程產生熱效應,具有助燃升溫效果。煙塵中的硫酸銨高溫分解成氨和硫酸,硫酸與粉煤灰中的氧化鈣等堿性物質生成硫酸鈣,硫酸鈣隨煤粉灰外排。氨在高溫下分解或脫除鍋爐煙氣中的氮氧化物。
硫酸銨在高溫下脫氨。當溫度高于513℃時,硫酸銨按下式進行分解:
(NH4)2SO4 → 2NH3 + H2SO4
當溫度高于900℃時,氨起脫氮作用或分解:
8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
粉煤灰中的TiO2、Al2O3、Fe2O3、游離碳等將在氨脫氮的反應中起催化劑作用。
硫酸銨分解生成的硫酸,與煤粉灰中的氧化鈣、氧化鎂等堿性物質起反應,生成硫酸鈣、硫酸鎂等化合物:
H2SO4 + CaO → CaSO4 + H2O
H2SO4 + MgO → MgSO4 + H2O
綜上所述,煙道氣的傳熱、粉煤灰的吸附、混凝反應、酸堿中和反應和氧化反應,是本技術實現氨水零排放,鍋爐煙氣脫硫,與氨水有關的各項污染物達標排放的主要原理。
3 工程運行效果
(1)焦化富氨水處理量:4＃鍋爐產生的煙氣量為150000Nm3/h,煙氣溫度和熱值能處理掉5.0~6.0m3/h富氨水。
(2)除塵效率:煙塵監測結果見表1。
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表1煙塵監測結果
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(3)SO2脫除量:脫硫劑為焦化濃氨水時的SO2脫除量見表2,其中SO2的排放量低于排放標準(1200mg/Nm3)。
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表2 SO2脫除量
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(4)外排煙氣中其他各項污染物濃度或排放量,見表3。
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表3 煙氣中各項污染物濃度或排放量mg/Nm3
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從工程運行效果看,該工程實施后,既減少了外排煙氣中SO2排放量，又有效地處理了焦化富氨水。外排煙氣中的煙塵、NOx以及與富氨水有關的各項污染物濃度或排放量均低于相應的排放標準。
4 經濟及環境效益
(1)經濟效益:該工程實施后,每年減少1600t的煙塵排放,煙塵排污費為42.5萬元，萊鋼焦化廠節約蒸汽費、廢水排污費和萊鋼熱電廠節約的SO2排污費分別為31.92萬元和26萬元,除去4＃鍋爐脫硫運行費用33.2萬元,每年獲得經濟效益67.22萬元。
(2)環境效益:通過對萊鋼焦化廠富氨水用于脫硫的消化,削減了萊鋼焦化廠富氨水的排放量,使原有污水排放流徑的有毒有害污染物明顯削減,水質有了顯著改善。萊鋼熱電廠通過處理煙氣,煙塵的排放量減少,廠區及周圍的飄塵明顯減少,空氣質量顯著改觀。二氧化硫排放量的減少,改善了大氣環境質量,為萊鋼的環境保護作出了貢獻。
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