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北極星大氣網訊:摘要: 簡要介紹了活性炭幹法脫硫技術的工藝原理及系統。該技術自2015 年在日照鋼鐵控股集團有限公司( 以下簡稱日鋼) 600m2燒結投入運行以來仍存在一些問題，在後續運行過程中相繼對再生煙氣管道、活性炭溫度控制、吸附塔氣室隔柵、卸料器管道及冷凝酸的收集處理進行了改進，並對系統操作進行了優化。這些優化改進措施取得了顯著效果，進一步推進了燒結工序的減排。
鋼鐵工業是資源、能源消耗大戶，同時也是汙染大戶，鋼鐵行業每年向大氣中排放大量的SO2，而燒結工序煙氣產生的SO2佔鋼鐵企業排放總量的80%。隨著近年來國內環保問題日益突出，新《環境保護法》於2015 年正式實施，而《鋼鐵燒結、球團工業大氣汙染物排放標準》從2015 年1 月1 日起要求，無論現有企業還是新建企業，燒結機煙氣中汙染物排放濃度均執行以下限值要求: SO2排放濃度≤200mg /Nm3 ; 顆粒物排放濃度≤50 mg /Nm3 ; NOx排放濃度≤300 mg /Nm3; 氟化物排放濃度≤4. 0mg /Nm3; 二噁英類排放濃度≤0. 5 ng－TEQ/Nm3。
日鋼600m2燒結機是目前國內單機面積最大的燒結機之一，該燒結機配套建設的煙氣脫硫系統採用活性炭吸附煙氣淨化工藝。該工藝由中冶北方和上海克硫聯合開發，專門用於處理大煙氣量、低濃度的燒結機廢氣，具有完全自主智慧財產權，可實現全部設備國產化。該技術自2015 年在日鋼600m2燒結機上應用後，經過3年的運行摸索，結合日鋼脫硫現場實際情況和對燒結指標控制的要求，對其工藝和設備做了進一步優化，在後期操作過程取得了良好的效果。
1 活性炭幹法脫硫技術
1. 1 工藝原理
燒結過程產生的135～145℃的煙氣以一定速度進入吸附塔( 高於150℃時系統自動採取降溫措施，將煙氣溫度降低至約130℃; 高於180℃時系統自動接入旁路系統外排) ，煙氣均勻的穿過活性炭吸附層，在吸附層內SO2、汞、砷等重金屬、HF、HCl 和氣相二噁英等大分子氧化物被脫除，脫硫反應是物理吸附和化學吸附相結合的複合反應，主要反應如下:
物理吸附: SO2→SO2( SO2吸附在活性炭微細孔中)
化學吸附: SO2+O2+H2O→H2SO4
再生反應: H2SO4+C→CO2+SO2+H2O
淨化後的煙氣由煙囪排出，吸附SO2後的活性炭，在加熱情況下，其所吸附的H2SO4與C ( 活性炭) 反應被還原為SO2，同時活性炭恢復吸附性能，循環使用; 活性炭的加熱再生反應相當於對活性炭進行再次活化，活化後的活性炭吸附和催化活性不但不會降低，還會有一定程度的提高。其工藝流程如圖1 所示。
1. 2 工藝系統
活性炭幹法脫硫工藝主要由煙氣系統、吸附淨化系統、活性炭再生系統、物料循環輸送系統、除塵系統、制酸系統、氨站系統以及其他輔助系統組成。
煙氣系統: 主要由進出氣煙道、增壓風機、旁路煙道、切換風門、膨脹節以及相關管路組成，完成煙氣系統增壓及脫硫裝置與旁路煙道的切換。
吸附淨化系統: 主要由吸附塔及相關管路組成，是活性炭幹法脫硫工藝的核心裝置，通過活性炭的吸附和過濾作用淨化煙氣中的SO2和煙塵。
活性炭再生系統: 主要由再生塔、熱風爐及相關管路組成，通過恢復活性炭的活性，並收集再生過程中產生的富含SO2的氣體。
物料循環輸送系統: 主要由鏈鬥機、振動篩及鬥式提升機組成，通過輸送設備、篩分設備、儲料設備完成活性炭的循環運輸、給料補充等。
除塵系統: 主要由脈衝布袋除塵器和收塵風機、收集炭粉灰罐組成，根據活性炭物料輸送系統特點，對鏈鬥機、鬥式提升機、振動篩以及料倉進行抽風，確保運行環境的清潔，然後對抽取的含活性炭粉塵的氣體進行除塵淨化。
制酸系統: 主要由動力波、洗滌塔、冷卻塔、電除霧器、轉化器組成，經過淨化冷卻後的SO2氣體經乾燥塔乾燥，在轉化器釩觸媒的催化作用下將SO2轉化成SO3，再送入吸收塔進行吸收，轉化吸收後，尾氣通過煙道返回到活性炭吸附塔中，煙氣閉路循環，不外排。
氨站系統: 主要由氨壓縮機、液氨蒸發器、液氨儲罐、氨氣緩衝罐、稀釋風機組成，通過向吸附塔提供氨氣，實現活性炭裝置脫硝功能。
2 工藝優化
活性炭幹法脫硫技術自2015 年在日鋼600 m2燒結機上應用後，依據綜合脫硫效率並根據現場的問題反饋，對其工藝和設備做了進一步優化，在後期操作過程中運行良好。
2. 1 再生煙氣管道的堵塞、腐蝕
由於日鋼600 m2燒結因現場基建面積有限，所以再生塔產生的再生煙氣經管線總長700 m的管道輸送至硫酸系統，由於再生氣中粉塵濃度較高，且煙氣中含有焦油、炭沫等物質，引起管道大面積結垢甚至堵塞，導致SO2風機進口壓力增大，煙氣循環不暢將嚴重影響脫硫效率，嚴重時會導致燒結機減產停機。而且從再生塔產生的富集SO2氣體溫度可達335 ℃，在經過總長700 m 的管道時產生大量冷凝酸，冷凝酸在大面積堵塞的管道裡很難通過預留外排口洩出，造成管道腐蝕嚴重，甚至造成現場管道直接腐蝕斷裂，直接影響脫硫系統運行進而導致燒結機減產或停機。
在經過一段時間的管道修補和更換之後，600 m2燒結廠在2016 年全部將腐蝕嚴重的不鏽鋼管道更換為耐腐蝕的玻璃鋼纖維管道，同時在再生塔下方增加淨化洗滌塔一座。從再生塔出來的富集SO2高溫氣體直接經過洗滌塔化洗滌，這一過程很大程度降低了SO2氣體的溫度( 從335 ℃降到100 ℃) ，同時清理了煙氣中的粉塵、焦油等其他雜質。洗滌過後的SO2氣體一方面符合玻璃鋼纖維管道的承受溫度，另一方面也減少了管道結垢堵塞，冷凝酸順利通過外排口收集到酸罐中。
從目前的運行實績來看，此方案可完全避免再生煙氣管道的堵塞、腐蝕現象。溫度和雜質通過「源頭」的治理也為後續洗滌、冷卻環節提供了便利，洗滌塔和冷卻塔改為一用一備，節省了成本，保證了燒結脫硫工序的正常生產。
2. 2 吸附塔內活性炭超溫
活性炭本身具有巨大的比表面積，吸附力強且有蓄熱性能，一旦塔內活性炭超溫，溫度上升較快，同時在含氧量足夠的情況下，容易發生自燃。如若處理不當將會發生重大安全生產事故，直接關乎正常生產和員工的人身安全。2016 年9 月因生產跟脫硫主控配合不當，在燒結機開機時大量高溫煙氣( 150 ℃) 湧入吸附塔，造成吸附塔多點嚴重超溫直接導致停機。後期通過開倉將超溫活性炭排除才得以恢復正常生產。因此，確保吸附塔內活性炭溫度正常非常重要。
活性炭幹法脫硫技術體量很大( 排空一個吸附塔的活性炭大約需要30 h) ，工況波動一旦超出其設計處理能力範圍，其可調節手段有限，且調節時間長、相對滯後。為了確保活性炭不超溫，除了嚴格控制入口煙溫( 通過對冷風和噴淋雙重保護確保入口煙溫小於130 ℃) 和進氣量之外，還加入前饋控制，在燒結加風門提產和煙溫波動時，提前通過變頻器控制吸附塔二層卸料器的電機轉速，加速吸附塔的物料循環。在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。實踐證明，此優化方案完全可行、效果良好，確保了活性炭穩定在正常溫度。活性炭溫度前饋控制圖如圖2所示。
2. 3 吸附塔氣室隔柵漏料
活性炭幹法脫硫工藝在投產運行的3 年多時間裡，出現了多次氣室隔柵漏料事故。隔柵漏料後處置十分困難，一方面為了以防引燃活性炭，無法使用電氣焊作業，另一方面需人員進入氣室進行人工清理，而作業空間狹小，且空間內有大量的SO2氣體，需置換塔內氣體確保人員施工安全，作業難度較大。
為杜絕吸附塔氣室隔柵漏料情況，日鋼經過一段時間的分析和總結，從操作和設備兩方面解決了此問題。一是對控制室人員進行了操作要求: ①確保頂置料倉不長時間缺料。缺料會使活性炭之間重力跟摩擦力之和小於煙氣的壓力，造成活性炭被煙氣通過隔柵帶入氣室;②確保入塔壓力不超過一定值。壓力太大直接會把活性炭吹送到氣室; ③每天關注活性炭填裝使用量。使用量突然增加就檢查氣室是否出現隔柵漏料情況。二是檢修期間對隔柵進行了加密焊補處理。通過兩項措施有效解決了吸附塔氣室隔柵漏料問題，確保了活性炭脫硫系統的正常運行。吸附塔氣室隔柵結構示意圖如圖3所示。
2. 4 卸料器管道結塊堵塞
吸附塔內的活性炭經卸料器通過下面的管道將活性炭送到輸送機上，吸附大量SO2的活性炭由於比較潮溼，所以在循環過程中產生較多的炭沫，極易造成管道的積垢堵塞，直接影響吸附塔活性炭的循環。一般的解決方法是振打或者氣焊割開管道疏通物料，但這樣的處理方式「治標不治本」。通過不斷的分析研究，發現堵塞管道的大多數都是活性炭粉末，加上所處的空間潮溼，所以結垢堵塞管道。在之後的操作過程中，一方面儘量通過兌換過冷風而不是噴淋降溫，確保活性炭乾燥，另一方面在上料和振動篩分環節確保進入吸附塔的活性炭沒有粉末。此舉效果顯著，極大地減少了卸料器管道的堵塞。
需要強調的是，對活性炭進料的篩選十分重要，防止一些金屬顆粒、焊條、木屑進入吸附塔，這些物質由於其燃燒點跟蓄熱性與活性炭不相同，會造成吸附塔活性炭超溫。這些雜物在吸附塔內沒法取出和觀察，只能通過開倉將其排出才能恢復生產。
2. 5 冷凝酸的收集處理
前文提到再生塔產生的再生煙氣需經長700 m 的管道輸送至硫酸系統，富集SO2的高溫氣體在輸送過程中會在管內產生大量的冷凝酸( 酸濃在5%～10%) ，需要通過預留的外排口排放到桶內匯集處理。首先，排放收集過程全靠人工，這可能會導致冷凝酸噴灑外濺，造成環境汙染甚至傷及員工。其次，冷凝酸排出的氣味刺激性極強，即便在排放的過程中勞保用品穿戴齊全，傷及員工的事情仍時有發生，對脫硫過程控制造成了諸多不利影響。為此，在對脫硫設施改造過程中，在所有的外排口下面安裝一個帶有排酸泵的密封大桶，酸泵會根據液位的高低對冷凝酸進行自動的外排，將所有的冷凝酸匯集後，通過添加氫氧化鈉中和處理。這樣採用密封自動外排控制的方式，既不會汙染環境，又確保了員工的人身安全。
3 運行實踐
日鋼600m2燒結活性炭脫硫設施經過一系列工藝調整及優化後，系統運行狀況明顯優於從前，其2017年重點運行參數如表1 所示。
從表1 可看出，600 m2 燒結活性炭脫硫設施淨化後的煙氣SO2排放濃度僅有55 mg /Nm3，遠低於國家2015 年1 月1 日頒布的《鋼鐵燒結、球團工業大氣汙染物排放標準》200 mg /Nm3的排放要求。符合當前環保要求和燒結煙氣淨化技術的未來發展趨勢，並進一步促進了鋼鐵行業的節能減排。
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