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氟塑料换热器在烧结烟气SCR后置脱硝工艺中的应用

2022-07-07    作者:admin  阅读:291次  【打印此页】

引言


随着超低排放技术在电力行业的普及,中国大气污染防止重点已经从电力行业向非电行业转变。2018年中国粗钢产量居世界**,为9.28亿吨,占全球总产量的51.32%。中国的钢铁生产以长流程为主,包括了烧结、球团、焦化、高炉、转炉和轧钢等多个高能耗工艺环节,行业生产工序多、污染种类杂、排放总量达的特点,使得钢铁企业成为大气污染减排重点行业。


在钢铁行业中,烧结、球团和焦化工序是高能耗、高排放环节。其中烧结工序的能耗占钢铁企业总能耗的约15%左右,烧结机烟气的污染物排放指标也占到了钢铁企业总污染排放指标的70%左右。国家环保部在2012年6月就颁布了《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准(GB28662-2012)》,随后在2019年4月生态环境部联合各部委发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(环大气[2019]35号),将烧结(球团)烟气中污染物的排放限值设定为10、35、50 mg/Nm3,基本和电力行业的超低排放标准一致。超低排放限值的出台推动了钢铁行业超低排放技术的升级,基于“多污染物协同控制”和“全过程耦合”的理念下,诞生了多种覆盖烧结、球团、焦化、高炉等工序的超低排放治理技术。


在烟气余热回收利用和换热过程中,大量的硫化物、HF、Cl-、硝酸根离子对传热界面的介质具有强烈的腐蚀性,当烟气温度低于露点温度时,腐蚀性物质与烟气中的金属离子在水的作用下,*易形成盐类化合物,板结在换热器表面,增大阻力,并增加检修频率。氟塑料换热器是一种采用聚四氟乙烯(PTFE)制作换热界面的新型高效管式换热器,其继承了聚四氟乙烯(PTFE)不腐蚀、不结垢、表面光滑易清洗、耐温性能好、使用寿命长等特点,可长期稳定运行在低温烟气环境中。本文将着重讨论将氟塑料换热器应用在烧结(球团)烟气后置脱硝工艺中的优势,并探讨采用新型氟塑料换热器在腐蚀性环境下的工艺优化。


1 烧结烟气超低排放技术


1.1烧结烟气的特点


烧结烟气的产生、形态和污染物的来源不同于燃煤锅炉烟气。烧结烟气中的硫、氮等污染物不仅源于燃料的S、N含量和燃烧过程中的工况条件,而且还与原辅料的质量相关,其特点可以总结为:


(1)烟气量大且波动大。每生产1t烧结矿,机头烟气量约4000-6000m3,目前大多数烧结机都300m2以上,烟气量可达到200万m3以上。


(2)烟气温度波动大。随烧结烟气工况不同,烟气温度在120——180℃范围内变化。


(3)烟气中NOx浓度低、波动大。通常NOx浓度在200-400mg/m3之间,但*高瞬时浓度可能达到650mg/m3。


(4)烟气粉尘浓度高,含铁粉和重金属。


(5)含湿量大,露点温度高(65-80度)。为提高烧结层的透气性,混合前烧结料要加水制粒,水分含量一般在10%左右。


(6)含氧量高。烧结烟气含氧量在12-18%之间。


(7)含有毒有害气体。烟气中除SO2和NOx外,还含有HCl、HF、呋喃和微量二噁英等。


1.2 烧结烟气脱硫工艺的选择


烧结烟气净化工艺中,对于脱硫技术,可以借鉴火电厂的超低排放技术路线。在钢铁行业的烧结机脱硫工艺,曾经由于标准的一次次变化,导致走了很多弯路。烧结烟气净化的脱硫工艺主要有三类:湿法、干法和半干法,每一种工艺都有各自的特点,可根据现场条件进行选择。因为排放限值的变化、生产条件的变化、产品市场行情的变化*终都会影响每一种工艺的应用前景。


干法(钙法)脱硫:初投资较低,但脱硫效率低、副产物无法处置,不适用于当前的超低排放政策;


干法(活性炭(焦))脱硫:初投资高,可协同脱除多种污染物,运维水平要求高,检修费用高,不适用于高浓度(2000mg/Nm3以上)烟气脱硫;


半干法(SDA、CFB):脱硫效率较高,但副产物无法处置。如强行实现超低排放,其运行费用高。系统启停时的调试周期较长。


湿法(氨法):脱硫效率高且稳定,具有协同脱出NO的效果;运维复杂,成本高,副产物经济性差。


湿法(钙法):脱硫效率高且稳定,协同脱除效果较差;运维成熟,成本低,副产物容易处理。


结合烧结烟气的特点,活性炭脱硫、半干法(CFB、SDA)和湿法(钙法)脱硫工艺均符合超低排放的要求:活性炭技术适用于硫含量较低的烧结烟气,能够协同去除NOx和二噁英等,但副产物纯度低,价值低,并且伴随着近年来活性炭价格的飙升,使得其运维成本也大幅度提高;半干法技术适用于SO2含量不高的烧结烟气,对于高硫烟气,其实现超低排放的运行费用会大大增加,并且该工艺的副产物处理较为困难;湿法(钙法)技术非常成熟,能够完全适应烧结烟气的波动问题,副产物处理也可以实现内部消化,适用范围广,但对于其他污染物的协同去除效果不明显。


1.3烧结烟气脱硝工艺的选择


目前在国内烧结机烟气脱硝方面,存在众多技术路线,如:选择性催化还原脱硝(SCR)、选择性非催化还原脱硝(SNCR)、催化氧化脱硝、活性炭脱硝、等离子法脱硝、生化法脱硝等。其中可实现超低排放要求并有具体工程应用案例的工艺,主要有中低温SCR脱硝工艺、活性炭脱硫脱硝一体化工艺和臭氧氧化硫硝协同脱除工艺三种。


(1)中低温SCR脱硝工艺:该工艺的原理是在催化剂的作用下向温度在250-400度的烟气中喷入还原剂NH3,将烟气中的NO和NOx还原成氮气和水,其反应方程式为:


氟塑料换热器在烧结烟气SCR后置脱硝工艺中的应用

工业上常见的SCR工艺选用钒钨钛系的催化剂,不仅对NOx脱除效率较高,还能脱除二噁英等,因此该技术具有良好的应用前景。在火电行业中SCR的布置方式有两种:脱硝前置和脱硝后置。由于烧结烟气粉尘含量高并有铁离子和重金属的特点,SCR前置工艺在应用过程中*易产生脱硝催化剂中毒、失活等问题,增加运营维护成本,故烧结烟气SCR脱硝多采用脱硝后置的布置方式。


后置SCR工艺是将脱硫后的烟气先通过GGH换热器,升温到250℃,再用加热炉加热升温到280℃左右后,进入SCR脱硝反应器催化层进行脱硝,脱硝后的净烟气再通过GGH与低温原烟气换热降温后,经烟囱排出。该工艺目前已经成为烧结机烟气脱硝的主流工艺,本文在后面针对该工艺进行分析优化和探讨。


(2)活性炭(焦)脱硫脱硝一体化工艺:该工艺主要利用活性炭(焦)表面吸附能力脱除氮氧化物。吸附的机理有两种,一种是物理吸附,依赖于活性炭多孔比表面积大的特性,将烟气中的污染物截留在活性炭内;另外一种是化学吸附,利用活性炭表面的晶格有缺陷的C原子、含氧官能团和*性表面氧化物,有针对性的将污染物固定在活性炭表面,其脱硝反应化学方程式为:


氟塑料换热器在烧结烟气SCR后置脱硝工艺中的应用

该工艺特点总结:1)可实现多种污染物的协同脱除,外排烟气可视效果好;2)活性碳可再生利用,副产物可实现资源化利用;3)系统初期投资大,对原有工艺不兼容,需拆除原有工艺系统,造成资金浪费,并且活性炭(焦)的价格高涨,导致运行成本相对较高;4)活性炭再生系统、制酸系统操作复杂,能耗高;5)系统阻力大。


(3)臭氧氧化硫硝协同脱除工艺:该工艺原理是利用臭氧,将难溶于水的NO氧化成易溶于水的NO2、N2O5等高价NOx,再经过湿法脱硫系统洗涤脱除,其反应方程式如下:


氟塑料换热器在烧结烟气SCR后置脱硝工艺中的应用

该工艺具有占地小、改造投资低;适用于改造项目中场地狭小,NOx总脱除量小的工程。由于臭氧的制备能耗高、副产物硝酸盐难以回收、臭氧逃逸等问题,限制了该工艺的推广。


2 氟塑料(PTFE)换热器在低温烟气环境下的应用


2.1 氟塑料换热器的特点


氟塑料换热器是指:以含氟聚合物为原料制作换热器的核心换热部件的换热器产品。由于采用了含氟聚合物,所以其换热器继承了含氟聚合物的一些特点,例如:耐酸碱腐蚀、耐老化性强、表面光滑不沾粘等。而市面上性能**的氟塑料烟气换热器是采用改性PTFE(聚四氟乙烯,也称塑料王)加工制作的氟塑料换热器产品。高分子材料的改性,是指在保留高分子材料绝大部分性能外,针对某一特定应用,对高分子材料的物理、机械性能做针对性的提升,从而使材料能够更适合这一应用。例如:沃斯坦公司的ALWAFLON系列氟塑料换热器管材,针对换热器行业的应用,将PTFE树脂进行耐温、耐压、增强导热系数等方面的改性,使其成为行业内性能**的氟塑料换热器管材。