岳煥玲

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

我國水處理行業(yè)及電鍍行業(yè)都會產生大量的污泥，其中電鍍行業(yè)污泥含有大量的銅、鎳等有價金屬，是可以利用的城市礦產資源。近年來，含銅污泥資源化利用的研究方向和方法很多，主要有濕法浸出、衛(wèi)生填埋和火法熔煉三種[1]。本文主要針對富氧側吹浸沒燃燒熔池熔煉處理含銅污泥后的煙氣特性，探討低溫SCR法脫硝技術的應用。

1 處理含銅污泥的煙氣特性

1.1 富氧側吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝流程

富氧側吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝是較先進的處理固體廢物的連續(xù)熔池熔煉技術,其主要工藝流程見圖1。工藝主要包括干燥和側吹熔煉兩部分，其中干燥煙氣中僅含有顆粒物，SO2、NOx等含量很低，因此煙氣經過收塵系統(tǒng)處理后即可達標排放；重點需要處理的是側吹熔煉產生的煙氣。

1.2 側吹熔煉煙氣特性

由于側吹熔煉爐中加入的物料種類較多、成分復雜，因此導致煙氣成分也很復雜，典型的上升煙道出口煙氣成分見表1，煙塵成分見表2。

1.3 側吹熔煉爐煙氣脫硝技術選擇

目前煙氣脫硝技術種類較多，主要應用的有選擇性非催化還原法(SNCR法)、選擇性催化還原法(SCR法)、低溫氧化法和活性焦脫硫脫硝一體化法等，選擇原則是針對不同行業(yè)的煙氣特性選擇合適的一種或兩種方法。

1.3.1 選擇性非催化還原法(SNCR法)

SNCR脫硝技術適應性較強、流程簡單、投資較低、施工期短，針對側吹熔煉爐煙氣，可將含有氨基的還原劑噴入余熱鍋爐內900～1 100 ℃的溫度區(qū)域，在約1 s的停留時間內可完成脫硝反應。側吹熔煉爐為連續(xù)生產，煙氣量波動較小，對還原劑噴入量的控制要求不是特別高，易于操作。不利之處是煙氣中SO3含量較高，容易在下游低溫區(qū)(280 ℃以下)形成硫酸銨，導致系統(tǒng)局部堵塞、系統(tǒng)阻力增大；另外需考慮NH3耗和NH3泄露等問題，該脫硝技術實際脫硝效率在30%～50%。針對側吹熔煉爐煙氣中NOX含量在1 200 mg/Nm3的情況，只用SNCR一種脫硝方法不能使煙氣達標排放，須和其他脫硝方法疊加使用。

1.3.2 選擇性催化還原法(SCR法)

SCR法有高溫、中溫和低溫三種不同的工藝。高溫SCR法一般指的是催化劑的適用溫度在450～600 ℃及以上；中溫SCR法是指催化劑的適用溫度在320～450 ℃；低溫SCR法是指催化劑的適用溫度在120～300 ℃或更低溫度。目前高、中、低溫催化劑都有比較成熟的應用。對于側吹熔煉爐煙氣，如果采用高溫或中溫SCR法，需布置在余熱鍋爐后面，煙氣中顆粒物和SO3含量均較高,生成的硫酸銨鹽類物質也較多。顆粒物和硫酸銨鹽類物質會導致催化劑孔道堵塞，大孔道堵塞后導致孔徑變小，總孔容下降，比表面積和孔徑的減少引起催化劑的吸附性能下降，降低催化劑的活性[2]。最為重要的是由于側吹爐煙氣成分復雜，煙氣和煙塵中的As、Pb、Cd、Na、Ca、Mg等均可引起催化劑中毒[3]，與催化劑本身發(fā)生物理或化學反應，造成催化劑失去活性，無法再促使NOX與氨基還原劑反應，并且一旦發(fā)生中毒，催化劑將很難恢復原有脫硝性能，甚至有時會導致完全失活。因此針對側吹熔煉爐煙氣，如果采用SCR法脫硝技術，煙氣須經過收塵、濕法脫硫凈化，再進入低溫SCR脫硝系統(tǒng)。

圖1 富氧側吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝流程

成分及煙氣溫度N2/V%O2/V%H2O/V%CO2/V%SO2/V%As2O3/V%HCl/V%HF/V%NOX/mg·Nm-3煙氣溫度/℃煙氣含塵/g·Nm-3含量及值37.674.5041.4915.890.250.00010.120.081200112527.66

表2 側吹熔煉爐煙塵成分 %

1.3.3 低溫氧化法

低溫氧化法現(xiàn)已應用于中小型燃煤機組及石化系統(tǒng)裂化氣脫硝。該工藝主要原理是在低于180 ℃的煙氣溫度下，利用一定濃度的臭氧(O3)作為氧化劑在氣相中將不溶于水的NO轉化為可與水完全反應的高價態(tài)氮氧化物，然后利用堿性吸收劑(或水)將生成的高價態(tài)氮氧化物捕集下來。而在這一溫度區(qū)間，O3對于SO2的氧化非常緩慢，可以忽略不計[4]。對于側吹熔煉爐煙氣來說，應用低溫氧化法脫硝技術不存在重金屬氧化物使催化劑中毒的問題,而且脫硝系統(tǒng)布置于收塵和脫硫之間，脫硝效率較高；不足之處在于高價態(tài)的氮氧化物與堿性吸收劑反應產生的副產物硝酸鹽和亞硝酸鹽，與脫硫產物混合在一起，而硝酸鹽在水中的溶解度較高，而該部分廢水處理的投資費用和運行成本均較高，大部分企業(yè)難以接受。

1.3.4 活性焦脫硫脫硝一體化法

活性焦脫硫脫硝一體化法是一種干法脫硫脫硝技術，可在一個系統(tǒng)內同時脫除SO2、NOx、重金屬(如Hg、Pb等)和二噁英類物質等。SO2的脫除率可達到95%以上，NOx的脫除率可達到55%以上[5]。該工藝流程簡單、布局緊湊，可節(jié)省大量水資源，但是脫硫、脫硝效率均不高，更適合處理NOx濃度300～500 mg/m3，SO2濃度1 000～3 000 mg/m3的煙氣，否則一次性投資和運行成本會大大增加。而側吹熔煉爐煙氣中SO2和NOx濃度均較高，如果采用該方法則難以滿足排放標準要求，該方法更適合于處理鋼鐵行業(yè)燒結機煙氣。

綜上所述，適合側吹熔煉爐煙氣脫硝的技術可以采用SNCR法+低溫SCR法或者單獨使用低溫SCR法。本文將重點探討低溫SCR法的應用。

2 低溫SCR法脫硝技術應用探討

2.1 低溫催化劑

催化劑是SCR脫硝的核心部件，在170～300 ℃的溫度范圍內依然具有較高脫硝性能的催化劑稱為低溫催化劑。目前，對于低溫催化劑，國內外的研究主要集中在錳基(MnOx)、釩基(V2O5)，以及其他金屬氧化物基(如鈰基CeO2、鐵基FeOx、銅基CuO)等催化劑的方向上。常見的金屬氧化物催化劑有三類：非負載型、以TiO2為載體和以Al2O3為載體的金屬氧化物催化劑。已工業(yè)化的SCR催化劑主要為負載型金屬氧化物催化劑。

目前有關低溫SCR催化劑的研究主要集中在兩個方面：①針對不同的載體，例如碳材料、金屬氧化物載體A12O3、TiO2或金屬離子交換分子篩載體ZSM- 5等開發(fā)高效低溫SCR催化劑；②在高效載體上配合不同的活性物質，如V、W、Mn、Cu、Ni和Pt等金屬氧化物，使催化劑具有高抗SO2和水蒸氣活性。目前主要研究的幾種低溫SCR脫硝催化劑性能見表3[6]。

表3 幾種催化劑的低溫SCR脫硝性能[7]

2.2 低溫SCR法脫硝技術應用探討

2.2.1 工程概況

本文以某工程側吹熔煉爐煙氣為例，探討低溫SCR法脫硝技術的應用。項目處理18.1萬t/a廢棄物，采用干燥機干燥- 側吹熔煉工藝，處理原料量見表4，干燥工序設2臺干燥機，順流干燥，24 h連續(xù)作業(yè)。設1臺12 m2的富氧側吹浸沒燃燒爐，24 h連續(xù)作業(yè)。干燥機煙氣經收塵處理后可達標排放，側吹爐煙氣經收塵、濕法脫硫后進入低溫SCR法脫硝裝置，具體煙氣參數(shù)見表5。

表4 干燥- 側吹工藝處理原料量如下

表5 進入低溫SCR脫硝煙氣參數(shù)

2.2.2 工藝流程簡述

由于側吹爐煙氣含水量較高，經過濕法脫硫后的煙氣溫度約為79 ℃，為了降低煙氣中的含水量，該煙氣首先經冷卻器降溫，然后進入蒸汽加熱器，由于廠內有富裕的蒸汽(1.8 MPa飽和蒸汽、207 ℃)，因此首先采用蒸汽加熱至170 ℃左右。如果廠內沒有富裕蒸汽，也可和脫硝后的煙氣(200 ℃)通過換熱升溫。然后利用廠內多余天燃氣，設置補燃燃燒器再次升溫至205 ℃，補燃燃燒器有兩個作用：一是升高煙氣溫度；二是當催化劑活性下降時，通過天燃氣補燃使煙氣溫度升至350 ℃，實現(xiàn)催化劑在線解析再生。

升溫后的煙氣進入SCR脫硝反應器內，同時向反應器的上游煙氣中噴入氨類還原劑，在催化劑的作用下使煙氣中的NOX轉化為氮氣和水。經過脫硝后的煙氣(200 ℃)可根據(jù)需要回收余熱后進入煙囪排放，因為煙氣溫度可控制在飽和溫度以上，煙囪無需防腐且能有效避免煙氣冒白煙的現(xiàn)象。主要工藝流程見圖2。

圖2 低溫SCR脫硝工藝流程圖

2.2.3 主要設備

2.2.3.1 脫硝反應器

脫硝反應器作為SCR脫硝系統(tǒng)最為關鍵的設備，其截面的設計不但要考慮最佳煙氣流速，還要考慮能夠適應不同類型的催化劑模塊布置、安裝的要求。因此，反應器截面與催化劑的支撐梁的設計要按通用(滿足蜂窩式、平板式、波紋板式催化劑模塊)設計考慮，使得每種類型的催化劑模塊都能互換安裝。

為了保證煙氣在催化劑層的均勻性與入射角度，反應器頂部應設計有煙氣整流層；為了防止反應器內部導流板、支撐結構等部件掉落的積灰以及煙道內絮狀雜物堵塞催化劑孔道，反應器內應設置碎灰格柵。

反應器獨立支撐，設有催化劑安裝門、檢修門、取樣孔等配套設施。反應器內催化劑采用3+1層設計，初裝三層，預留一層空間。

2.2.3.2 催化劑

對于SCR脫硝而言，催化劑成本占脫硝工程總成本的20%～40%，因此催化劑的選擇和設計應該引起足夠的重視，本項目催化劑主要參數(shù)見表6。

2.2.3.3 吹灰器

盡管煙氣中粉塵含量較低，為了防止富集而導致堵塞現(xiàn)象，設計有吹灰裝置。采用耙式壓縮空氣吹灰器，系統(tǒng)自動控制吹灰器的運行，為防止冷空氣對催化劑產生影響，故需要對壓縮空氣進行加熱，加熱熱源可利用脫硝后的熱煙氣能量，將壓縮空氣加熱至120～150 ℃。

2.2.4 主要技術經濟指標

低溫SCR脫硝系統(tǒng)處理后煙氣排放指標見表7，低溫SCR脫硝系統(tǒng)物料與能源消耗指標見表8。

3 結論

1)SCR法脫硝技術以其較高的脫硝效率而得到廣泛的應用，傳統(tǒng)的SCR脫硝裝置工作溫度范圍一般為300～400 ℃，布置在除塵系統(tǒng)之前，這一溫度區(qū)間雖然可獲得較高的脫硝效率，但是由于長期在高塵、高重金屬環(huán)境下運行，易造成催化劑磨損、腐蝕及中毒等問題。尤其是側吹熔煉爐煙氣成分復雜，煙氣中重金屬含量較高，很容易造成催化劑中毒，導致SCR脫硝系統(tǒng)無法長期運行。因此煙氣經過除塵、脫硫凈化后加裝低溫SCR脫硝，催化劑可

表6 低溫SCR脫硝催化劑參數(shù)

表7 煙氣排放指標

在“潔凈”的環(huán)境下工作，延長催化劑壽命，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。另外，煙氣的升溫可采用廠內多余蒸汽或者廢余熱，也可通過和脫硝后的煙氣換熱升溫，能源消耗低。

2)目前，國內絕大多數(shù)含銅污泥處理系統(tǒng)尚未安裝SCR脫硝裝置，若加裝高溫SCR法進行脫硝，很容易受到現(xiàn)有場地條件的限制，實施成本較高。如果采用低溫SCR脫硝，布置在脫硫設施之后，不需要對原有系統(tǒng)進行改造，安裝方便，總體成本可大幅下降。

表8 物料與能源消耗指標

3)低溫SCR脫硝在170～300 ℃的范圍內可穩(wěn)定運行，且脫硝效率較高，有效解決了水泥玻璃爐窯、鋼鐵燒結爐、焦化廠等不具備高溫區(qū)加裝條件的行業(yè)實施脫硝的難題。