SDS+SCR工艺在焦炉煤气锅炉烟气脱硫脱硝中的应用
陈勇 王勇刚 杨战
（西安龙净环保科技有限公司，陕西 西安 710075）
摘要：为应对河北省锅炉大气污染物排放标准《DB13/5161—2020》的要求，本文针对项目焦炉煤气锅炉烟气污染物排放情况新建环保设施，经过比选，采用SDS＋SCR工艺，实现了硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的超低排放，满足的环保要求。结果表明，SDS＋SCR工艺在低硫烟气中有很好的适用性。
关键词：SDS；碳酸氢钠；SCR；焦炉煤气；
Application of SDS+SCR Process in Flue Gas Desulfurization and Denitrification of Coke Oven Gas Boiler
Chen yong Wang yong gang yang zhan
（Xi'an Longjing Environmental Protection Technology Co., Ltd；xian,710075,China;）
Abstract: In response to the requirements of the Hebei Province Air Pollutant Emission Standards for Boilers (DB13/5161—2020), this paper proposes the construction of new environmental protection facilities for the flue gas pollutant emissions from coke oven gas boilers in the project. After comparison and selection, the SDS+SCR process is adopted, achieving ultra-low emissions of sulfur oxides, nitrogen oxides, and particulate matter, meeting the environmental protection requirements. The results show that the SDS+SCR process has good applicability in low-sulfur flue gas.
Key words: SDS; sodium bicarbonate; SCR; coke oven gas;
引言
近年来，我国政府加强大气污染治理，污染物排放标准日趋严格，治理领域也不断拓展。其中河北省的锅炉大气污染标准要求一直走在全国前列。河北省锅炉大气污染物排放标准《DB13/5161—2020》中，燃气锅炉烟气NOX、SO2和颗粒物浓度排放限值分别要求在50mg/m3、10mg/m3和5mg/m3。因此有诸多使用燃气锅炉的企业需要上新环保设备以满足更高的排放要求。当前主流的脱硝工艺有：SNCR、SCR及SNCR+SCR工艺；主流的脱硫工艺有石灰（石灰石）-石膏湿法脱硫工艺、循环流化床半干法脱硫工艺、SDS钠基干法脱硫工艺；除尘方面主要使用布袋除尘器和湿式电除尘器，其中布袋除尘器主要与干法、半干法脱硫工艺组合使用，湿式电除尘器配合湿法脱硫工艺一起使用。本文对北方某厂两台35t/h焦炉煤气锅炉烟气处理项目的工艺比选及实际建设情况进行介绍，为相关领域提供一定的参考。
一、项目介绍
北方某厂已建有两台35t/h焦炉煤气锅炉，锅炉采用双锅筒、D型结构，尾部配节能器。产生的蒸汽供厂内生产用，烟气直接从顶部排放。根据当地最新的环保要求，原顶排的烟气需要进一步净化处理。具体参数见表1：
表1 35t/h焦炉煤气锅炉烟气参数及排放标准
序号 | 项目 | 原烟气参数 | 排放标准 |
1 | 烟气量 | 30000Nm3/h(干基，3.5%O2) |
|
2 | 节能器入口烟气温度 | 180-260℃ |
|
| 排烟温度 | 120℃ |
|
3 | NOx浓度 | 300mg/Nm3(干基，3.5%O2) | 30mg/Nm3(干基，3.5%O2) |
4 | SO2浓度 | 600mg/Nm3(干基，3.5%O2) | 10mg/Nm3(干基，3.5%O2) |
5 | 粉尘浓度 | 20mg/Nm3(干基，3.5%O2) | 5mg/Nm3(干基，3.5%O2) |
二、工艺的比选
1、脱硝工艺比选
锅炉炉膛内没有合适的喷氨点，且脱硫效率要求90%以上，无法采用SNCR和SNCR+SCR工艺。而节能器入口烟温为150-260℃，与低温催化剂催化温度恰好重叠。因此，本项目选用低温SCR脱硝工艺。烟气直接从现有节能器入口引出，节能器后置。
2、脱硫工艺比选
对三种目前常用脱硫工艺的比选见表2。
表2 主要脱硫工艺比选
| 常用的脱硫除尘工艺 | ||
| 石灰石-湿法脱硫+湿式电除尘器 | 循环流化床半干法脱硫+布袋除尘器 | SDS干法脱硫+布袋除尘器 |
脱硫剂 | 石灰石 | 熟石灰 | 碳酸氢钠 |
脱硫效率 | 95%以上 | 90%-98% | 85-90% |
副产物 | 石膏 | 亚硫酸钙、硫酸钙等 | 硫酸钠 |
占地面积 | 较大 | 大 | 小 |
投资费用 | 较大 | 大 | 小 |
运行费用 | 较大 | 大 | 小 |
主要优点 | 效率高、运行简单、稳定 | 效率较高、系统无腐蚀、产生废水 | 运行简单，系统无腐蚀、无产生废水。无温降。 |
主要缺点 | 系统有腐蚀、产生废水 | 阻力大、副产物难处理 | 要求一定的温度区间 |
由上表三种脱硫工艺比较可得，SDS工艺较另外两种工艺的投资、运行费用更低，脱硫效率也较理想，且脱硫过程无温降，烟气温度区间满足脱硫反应的要求。因此采用SDS干法脱硫+布袋除尘器工艺是最佳选择。
三、SDS脱硫+脱硝工艺系统介绍
1、SDS干法脱硫除尘工艺简介
该工艺20世纪80年代由比利时索尔维公司开发，将碳酸氢钠研磨至20-30um后，均匀喷射在管道反应器内，在140℃以上高温烟气的作用下迅速分解，形成具有大比表面微孔结构的高活性碳酸氢钠，其与烟气充分接触，烟气中的SO2等酸性物质被吸收净化。粉状颗粒随气流附着在除尘器滤袋上，进一步脱硫除尘净化［１］。处理后的烟气经烟囱排放。反应方程式如下：
2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O （1）
2Na2CO3+2SO2+O2=2Na2SO4 +2CO2 （2）
整个工艺主要由烟气系统、制粉及喷射系统、布袋除尘及输灰系统、脱硫产物处理系统、压缩氮气/空气系统和电控系统组成。吨袋小苏打经电动葫芦送至料仓顶，拆包卸料装置将其卸装到小苏打粉仓中。通过定量给料装置输送给研磨分级机，研磨分级后达到细度的小苏打通过输送风机送至反应塔进行脱硫除尘。制粉及输送系统流程如图1所示：
图1 制粉及喷射系统
2、SCR脱硝工艺介绍
SCR工艺原理为在催化剂的作用下，还原剂有选择性的与烟气中的NOX反应，并生成N2和H2O,主要反应为：
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O (1)
4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O (2)
8NH3+6NO2=7N2+12H2O (3)
2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O (4)
在SCR脱硝工艺中,催化剂安放在反应器箱体内［2］。催化剂单元通常垂直布置,烟气由上向下流动。SCR工艺的反应原理如图2所示：
图2 SCR工艺反应原理图
本项目采用氨水作为还原剂，由氨水储存与输送系统、氨水蒸发系统、喷氨格栅系统、反应器系统、吹灰系统、电控系统组成。
3、烟气脱硫工艺与脱硝工艺的组合
本项目采用脱硫除尘+脱硝的工艺路线。由于低温催化剂所需正常温度在220℃，实际的烟气温度稍微偏低，新增加热炉对烟气进行补燃升温。
4、总工艺流程
改造前烟气从锅炉尾部节能器入口烟道引出后，经过直燃式加热炉补燃升温，使烟气温度维持在180℃-230℃温度区间，随后向烟道内喷入经研磨后达到20-30um的小苏打粉，烟气经脱硫除尘后，进入脱硝系统完成脱硝。改造后将锅炉尾部节能器移位至脱硝系统后端，净烟气经节能器降温后由引风机送至烟囱排出，同时脱硫副产物经气力输送至脱硫灰仓中储存。
5、系统主要设备
本项目氨水储存系统、小苏打原料库及脱硫灰仓公用，其余系统分开设置。系统主要设备见表3所示：
表3 系统主要设备
系统 | 设备名称 | 设备规格 | 数量 |
（一）烟气系统 | 增压风机 | 变频离心风机；风量：5.4万ｍ３/h，全压：4500pa | 2台 |
（二）脱硫系统 | 加热炉 | 采用焦炉煤气。保证烟气温度升高30℃ | 2台 |
研磨机 | 负压空气研磨机，产量：100Kg/h。细度达到20-30um。 | 4台 | |
（三）除尘及输灰系统 | 除尘器
| 处理风量：3万Nｍ３/h，过滤面积：1737ｍ２，滤袋规格：φ160×6000；576条。材质：PTFE+PTFE覆膜 | 2台 |
输灰系统 | 采用气力输送系统 | 2套 | |
灰库 | 有效容积15m3 碳钢材质 | 1台 | |
（四）脱硝系统 | 氨水储罐 | 有效容积20m3 304材质 | 1台 |
氨水输送泵 | 流量：50L/h，扬程：80m;304材质 | 3台 | |
氨水蒸发槽 | 304材质 | 2台 | |
反应器 | 碳钢 | 2台 | |
催化剂 | 25孔蜂窝式低温催化剂 | 2套 |
四、该项目设计及运行要点
1、设计要点
1.1、烟气系统
（1）两台锅炉烟气共用一个钢烟囱。两分烟道在烟囱入口处分别设置一台挡板门，用于单台炉检修时隔离。
（2）在烟道内设置气固混合装置，并在弯头等处设置人孔及吹扫口。方便检查清理。
（3）焦炉煤气锅炉烟气湿度大，在烟道低位处设排水口。停机冷却后便于及时排水。
1.2、碳酸氢钠储存及研磨系统
（1）新建独立库房和制粉间，达到通风、防潮要求，避免在存放及制粉中降低小苏打使用效果。小苏打粉采用吨袋形式存放。
（2）本项目共设置两个原料仓，每个仓均布置两台研磨机，一用一备。料仓容量按24h原料消耗量设计，每天加料一次。料斗下部侧壁设振壁器。
（3）原料仓采用单下料口，给料器下部配双向螺旋为两台磨机送料。一方面解决了布局紧促问题，另一方面回避了备用口长时间闲置锥段易结块堵塞的问题。
（4）研磨机的选用
研磨机分负压研磨机和正压研磨机两种。负压系统的优点是现场操作环境好，但存在设备积垢、风机清洗过于耗时，且粘到叶轮上的小苏打会引起风机振动的问题。因此在选型时风机壳体应为可拆卸式、方便清灰。正压系统风机安装在磨机之前，将空气压入研磨机，实现风机与粉体零接触，避免了风机积垢、振动的问题，使得其对系统密封性拥有更高要求。
结合实际情况考虑，本项目最终采用负压系统，所选风机壳体为可拆卸式，大幅改善了现场操作环境。
1.3、脱硫反应器
本项目直接将烟道作为脱硫反应区，反应区烟气流速为16-18m/s,反应时间不小于2s。［3］小苏打被喷入烟道后，受热激活分解，与SO2接触充分反应。
1.4、布袋除尘器
由于烟气温度在180-230℃温度区间，布袋选用PTFE+PTFE覆膜材质。该材质最高耐温260℃，为避免前端烟气超温烧袋，在除尘器入口设气动野风阀，烟气超温情况下，迅速引入冷空气进行降温，以保证除尘器入口的烟气温度在合理区间。
1.5、电控系统
在系统进口和烟囱上安装在线监测系统，系统内部主要监测以下参数：
（1）除尘器入口温度：温度“三取二”，温度超过230℃时，野风阀连锁动作降温。
（2）脱硝反应器入口温度：温度低于最低喷氨温度170℃时，停止喷氨；
（3）氨水蒸发器出口温度：温度不低于120℃；
（4）催化剂各层差压；
（5）增压风机轴承温度、振动值、电机电流等参数。
2、运行要点
2.1、小苏打吸湿性强不宜长时间存放。系统停运时，应将原料仓及磨机内的粉末清理干净。
2.2、副产物硫酸钠易受潮板结，除尘器灰斗、气力输灰管道等需要分别做好伴热保温，长期停运时需做好系统内部粉尘的清理。
2.3、焦炉烟气湿度大，停运后增压风机仍需空投一段时间，避免系统结露。为防止系统内部发生积水腐蚀的情况，在系统冷却至室温后，应不定期开启低位排污阀门。
五、实际应用情况
项目改造完成，系统经过168h运行考核后正式投运，投运期间NOX、SO2和颗粒物平均排放浓度分别为17mg/m3、6mg/m3和3mg/m3，均低于超低排放标准。同时经初步核算可实现二氧化硫减排74.69吨/年，具有可观的环境效益和社会效益。
六、总结
从运行后的角度看，SDS+SCR技术可完全满足燃气锅炉烟气排放的指标要求，且该技术具有诸多优势，如系统动设备少，除日常吨袋上料外，可实现全自动化运行，降低人力成本；系统无温降、全干态运行，高温干烟气从烟囱直接排放，无白烟产生，感官效果好；运行温度远大于烟气露点温度，系统无需防腐，同时没有废水处理和排放问题；系统简单，运行稳定可靠，相较于其他工艺更加节水节电，运行成本低，间接达到降碳效果。该工艺的环境效益和经济效益得到了企业和当地环保部门的认可，可为燃气锅炉烟气污染物治理提供一定的经验和借鉴。
[参考文献]
［１］李坚,吕瑞彤,王川.碳酸氢钠干法脱硫的实验研究[J].北京工业大学学报，2020，46（4）；354-359
［2］常治铁.SDS+SCR工艺在焦炉烟气脱硫脱硝中的应用[J].中国冶金,2019,29(10):65-70.
［3］YB/T4863-2020，焦炉烟气SDS干法脱硫联合SCR脱硝技术规范[S] 中华人民共和国工业和信息化部 2020.12.09.
作者简介：陈勇（1988—10），男，陕西商洛人，中级工程师，研究方向：大气污染防治工程。
王勇刚（1989—04），男，陕西商洛人，中级工程师，研究方向：大气污染防治工程。
杨战（1990—05），男，陕西咸阳人，中级工程师，研究方向：大气污染防治工程。
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