原文奇，李振峰,，田振邦，王俊，王佳志，趙付生

(1.河南中白環(huán)境科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450002)(2.河南省科學(xué)院化學(xué)研究所有限公司，河南 鄭州 450002)(3.中白(沁陽市)環(huán)保設(shè)備制造有限公司，河南 焦作 454150)

0 引 言

鉬鐵在熔煉爐燃燒過程中會產(chǎn)生巨量煙氣，這些煙氣中含有大量顆粒物、SO2氣體等，如未經(jīng)過高效治理直接排入大氣，會給周圍環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染。在危害動植物生存的同時，也直接危害著企業(yè)員工及周圍居民的身體健康，因此對煙氣的高效治理是極其必要的。

洛陽某鉬鐵熔煉企業(yè)，原鉬鐵熔煉爐煙氣治理工藝為“煙氣—列管降溫—袋式除塵—引風(fēng)機(jī)—煙囪”，風(fēng)量60 000～70 000 m3/h，生產(chǎn)期間煙囪排放煙氣顆粒物濃度10～30 mg/m3、SO2濃度138～567 mg/m3。新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中對顆粒物和SO2排放濃度要求是顆粒物排放限值為10 mg/m3、SO2排放限值為50 mg/m3。為滿足新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，對原有治理系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，改造充分利用現(xiàn)場原有設(shè)備設(shè)施，更換袋式除塵器、整改列管降溫系統(tǒng)并新增RPF吸附式脫硫系統(tǒng)，實現(xiàn)了煙氣顆粒物、SO2的超低排放，改善了環(huán)境質(zhì)量，保障了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 工況分析

(1)鉬鐵熔煉原料：氧化鉬、硅鐵粉、鋁粉、鐵屑、螢石、硝石、鐵磷等[1]。

(2)熔煉方式：采用爐外法生產(chǎn)。高溫下通過投加鋁粉、硝石以及氧化鉬本身的燃燒反應(yīng)，生成鉬鐵，不需要熱源[1]。

(3)污染物排放狀況：熔煉生產(chǎn)間歇運行，每天最大負(fù)荷生產(chǎn)5爐。在熔煉生產(chǎn)期間，依據(jù)燃燒情況的不同，單爐熔煉時間為5～30 min，初始顆粒物、SO2濃度較小，隨后迅速升高并達(dá)到峰值，然后緩慢降低。

(4)污染物因子：原料劇烈反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的熱量和煙氣，煙氣中主要污染成分為氧化鉬粉、鉬鐵及原材料中相關(guān)無機(jī)材料顆粒，并含有SO2、NOx、HF、H2S、HCl等[2]。

(5)煙氣檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 熔煉煙氣檢測數(shù)據(jù)

2 改造設(shè)計方案

原有環(huán)保治理中收集系統(tǒng)風(fēng)量不足，大量煙氣從集氣罩邊溢出進(jìn)入大氣，且袋式除塵器的有效過濾面積僅有1 000 m2，無法實現(xiàn)顆粒物的排放濃度小于10 mg/m3，同時無任何對SO2的治理設(shè)施，SO2的排放濃度嚴(yán)重超標(biāo)，所以治理系統(tǒng)的改造圍繞以上問題組織設(shè)計方案。

2.1 改造思路

(1)降低系統(tǒng)阻力，充分利用原100 000 m3/h的引風(fēng)機(jī)，將煙氣治理風(fēng)量由60 000～70 000 m3/h提高到90 000～100 000 m3/h。

(2)將原2組串聯(lián)的列管降溫改為2組并聯(lián)，以降低系統(tǒng)阻力。為保障列管降溫效果，新增2排列管。為保障列管底部排塵效果，新增錐斗式顆粒物收集箱及螺旋排灰系統(tǒng)。

(3)新增袋式除塵器，替換原袋式除塵器。增大袋式除塵器過濾面積，減少袋式除塵器系統(tǒng)阻力，提高除塵效率。

(4)新增RPF吸附式脫硫系統(tǒng)，對煙氣中SO2進(jìn)行有效去除，同時顯著去除煙氣中的HF、H2S、HCl、CO2、NOx等酸性氣體，并對顆粒物進(jìn)行深度凈化，使外排煙氣達(dá)到環(huán)保要求。

(5)新增變頻設(shè)備，對原引風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，確保系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

2.2 改造前后煙氣治理工藝流程

改造前治理系統(tǒng)工藝流程：

改造后治理系統(tǒng)工藝流程：

2.3 系統(tǒng)風(fēng)量核算

設(shè)計風(fēng)罩罩口面積F=9.08 m2，風(fēng)罩最大控制距離x=0.6 m，煙氣風(fēng)速設(shè)定為Vx=2 m/s，根據(jù)公式[2]核算系統(tǒng)風(fēng)量為：

Q =3 600×(10×x2+F)×Vx

=3 600×(10×0.62+9.08)×2

=91 296 m3/h

系統(tǒng)風(fēng)量設(shè)計為100 000 m3/h，滿足要求。

2.4 列管降溫系統(tǒng)改造

為保證對高溫?zé)煔獾慕禍匦Ч?，有效降低系統(tǒng)阻力以提升風(fēng)量，并保障后續(xù)煙氣處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本著節(jié)約投資原則，充分利用原可用設(shè)備設(shè)施，將原2組串聯(lián)運行的列管降溫系統(tǒng)，改造為并聯(lián)運行。并新增16根散熱管，散熱管總數(shù)量增至64根，提高系統(tǒng)整體散熱率，保證散熱后煙氣溫度降至設(shè)計要求。改造前后列管降溫器排列見圖1。

圖1 列管降溫器改造前后平面圖

原列管降溫器列管參數(shù)為φ500 mm、長10 m，48根，總散熱面積753.6 m2；改造后列管φ500 mm、長10 m，64根，總散熱面積1 004.8 m2。散熱面積比改造前增加33.33%。

原單根列管過風(fēng)量20 000 m3/h，風(fēng)速28.3 m/s，阻力15 Pa/m，原列管降溫系統(tǒng)阻力：10 m/根×12根×15 Pa/m=1 800 Pa。改造后單根列管過風(fēng)量12 500 m3/h，風(fēng)速17.7 m/s，阻力6 Pa/m，改造后列管阻力：10m/根×8根×6 Pa/m=480 Pa。

2.5 袋式除塵器改造

新袋式除塵系統(tǒng)采用DMC型脈沖袋式除塵器，利用高壓(0.5～0.7 MPa)、大流量、脈沖閥逐條濾袋噴吹清灰。具有清灰動能大、清灰效率高等特點，且體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、安裝容易、維護(hù)方便[3]。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量，選用DMC-2000型脈沖袋式除塵器，濾袋參數(shù)φ130 mm、長6 m，832條，有效過濾面積2 037 m2,除塵室4個，過濾風(fēng)速為0.82 m/min[4]，裝機(jī)功率32 kW(振動器×18臺×0.75 kW、鉸刀×5組×2.2 kW、空壓機(jī)×1臺×7.5 kW)。袋式除塵器改造前后系統(tǒng)阻力計算數(shù)據(jù)見表2。

表2 袋式除塵器改造前后系統(tǒng)阻力 Pa

2.6 RPF吸附式脫硫系統(tǒng)

本次煙氣治理工程因煙氣風(fēng)量大、SO2濃度波動大、間歇式排放等因素，采用傳統(tǒng)的脫硫方案無法保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行[5]。經(jīng)研究對比，采用RPF吸附式脫硫工藝對煙氣進(jìn)行脫硫治理，同時對煙氣中的NOx、H2S、HCl、HF等酸性氣體進(jìn)行治理。

RPF吸附式脫硫指采用反應(yīng)性高分子纖維材料對煙氣中的SO2進(jìn)行吸附，以達(dá)到凈化煙氣的效果。反應(yīng)性高分子材料是一種新型的環(huán)境功能材料，利用基礎(chǔ)纖維結(jié)構(gòu)中反應(yīng)性基團(tuán)與改性劑間的特殊化學(xué)反應(yīng)(如水解反應(yīng)、加成反應(yīng))，將特定雜原子的功能基團(tuán)引入其基礎(chǔ)骨架材料上，利用這些功能性基團(tuán)的離子交換、螯合/絡(luò)合吸附等作用，使特選的工業(yè)材料功能化[6]。該纖維材料除具有一般纖維的物理機(jī)械性能以外，還具有特殊功能的離子交換性能，可對NH3、H2S、SO2、NOx、酸堿霧等極性氣體進(jìn)行吸附凈化。當(dāng)吸附飽和或接近飽和時，可通過再生液對纖維進(jìn)行原位再生，恢復(fù)其吸附性能，滿足重復(fù)使用條件[7]。

對煙氣中SO2的吸附原理及纖維再生原理為：

吸附原理：R-NH2+ SO2+ H2O → R-NH3+HSO3-

再生原理：R-NH3+HSO3-+2NaOH → R-NH2+ Na2SO3+ 2H2O

該治理工藝改變傳統(tǒng)的氣液交換凈化模式，采用更容易捕捉氣體、吸收氣體的氣固交換凈化模式，使待凈化氣體穿過密集的功能纖維材料層，特征污染氣體與功能纖維材料反應(yīng)被截留、凈化，去除率高。結(jié)合纖維再生系統(tǒng)定期對功能纖維材料進(jìn)行噴淋、再生，保障氣體凈化的持久性和可靠性，達(dá)到系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行。

根據(jù)本項目煙氣治理系統(tǒng)風(fēng)量及煙氣中氣體因子參數(shù)，設(shè)計RPF吸附式脫硫系統(tǒng)過濾面積880 m2，過濾風(fēng)速為1.9 m/min，再生周期20～45 s/10 min，再生泵流量為15 m3/h，再生方式為在線再生，再生液為3%NaOH水溶液，再生液日消耗量為1 m3，系統(tǒng)裝機(jī)功率為11.8 kW(再生泵2臺×2.2 kW、排液泵1臺×3 kW、配藥裝置2臺×2.2 kW)。

RPF吸附式脫硫設(shè)備具有能耗低、反應(yīng)效率高、物料消耗低、對污染物的濃度和風(fēng)量變化適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸小、重量輕、具備全自動運行功能(PLC控制)、運行與維護(hù)簡單等優(yōu)點。

2.7 系統(tǒng)風(fēng)阻核算

該工程主風(fēng)管采用φ1 400 mm，設(shè)計風(fēng)速為18 m/s[8]。根據(jù)實際情況，改造前后系統(tǒng)阻力數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 改造前后系統(tǒng)阻力數(shù)據(jù)對比 Pa

由表3數(shù)據(jù)可知：改造前系統(tǒng)阻力合計6 150 Pa，是治理系統(tǒng)風(fēng)量過小的主要原因。通過降低各治理單元的阻力，使治理系統(tǒng)風(fēng)量達(dá)到了設(shè)計要求。

2.8 風(fēng)機(jī)選型

原風(fēng)機(jī)型號YHTYF，NO16D，流量100 000 m3/h，揚程6 000 Pa，介質(zhì)溫度200 ℃，電機(jī)功率250 kW，轉(zhuǎn)速1 450 r/min。根據(jù)系統(tǒng)風(fēng)量和風(fēng)阻，原風(fēng)機(jī)滿足治理系統(tǒng)設(shè)計要求，故新增與原風(fēng)機(jī)相同的風(fēng)機(jī)殼，電機(jī)原物利用，并新增變頻器，對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。

2.9 運行效果

工程改造完成后，熔煉爐煙氣治理系統(tǒng)出口監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.1 含鉬鐵顆粒物回收核算

工程改造完成后，每天去除顆粒物約3 t，從顆粒物中回收含鉬鐵顆粒300 kg，全年總計回收60 t，回收鉬鐵價格按15 000元/t，經(jīng)濟(jì)效益90萬元。

3.2 煙氣治理系統(tǒng)運行費用核算

(1)煙氣治理系統(tǒng)年平均運行時間200天，平均每天運行時間1.5 h，耗功率核算：

風(fēng)機(jī)日耗功率：250 kW×1.5=375 kW

袋式除塵器日耗功率：32 kW×1.5=48 kW

RPF吸附式脫硫系統(tǒng)日耗功率：11.8 kW×1.5=17.7 kW

年耗功率為(375+48+17.7)kW×200=88 140 kW，電費平均價格按0.8元/kWh，年運行費用約為7.05萬元。

表4 熔煉爐煙氣治理系統(tǒng)出口監(jiān)測數(shù)據(jù) mg/m3

(2)煙氣治理系統(tǒng)年平均運行時間200天，脫除二氧化硫平均濃度350 mg/m3，年脫除二氧化硫10.5 t，脫硫系統(tǒng)年消耗氫氧化鈉約13.2 t，氫氧化鈉價格按3500元/t，全年物耗費用為4.62萬元。

(3)系統(tǒng)年維護(hù)費用每年約2萬元。計算可知，改造后熔煉爐煙氣治理系統(tǒng)年投入總費用為13.67萬元。

3.3 效益分析

煙氣治理系統(tǒng)每年直接經(jīng)濟(jì)效益為76.33萬元，改造投資費用5年內(nèi)收回。

4 結(jié) 論

鉬鐵熔煉產(chǎn)生煙氣采用“特殊降溫器—袋式除塵器—RPF吸附式脫硫設(shè)備—引風(fēng)機(jī)—煙囪”治理工藝，可滿足SO2和顆粒物的超低排放標(biāo)準(zhǔn)[11]。

采用以上治理工藝運行費用低、治理效率高、自動化程度高、操作與維護(hù)簡單、對污染物的濃度和溫度變化適應(yīng)性強(qiáng)。改造完成后，直接經(jīng)濟(jì)效益76.33萬元/年、減排顆粒物600 t/年、減排二氧化硫10.5 t/年，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益顯著。