喬 俊，劉金英，高培程，王貝貝

(北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404)

0 引言

某公司球團(tuán)生產(chǎn)線采用鏈回環(huán)工藝，設(shè)計(jì)產(chǎn)能200×104t/a，煙氣凈化設(shè)施采用了逆流式活性炭選擇性催化還原(CSCR)脫硫脫硝技術(shù)，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)分別為顆粒物不超5 mg/m3、SO2不超20 mg/m3、NOx不超30 mg/m3。

活性炭?jī)艋夹g(shù)具有脫硫、脫硝、除塵等一體化功能，其最大的優(yōu)勢(shì)是在一個(gè)系統(tǒng)中能聯(lián)合脫除多種有害物質(zhì)，不僅能將煙氣中的SO2資源化，系統(tǒng)排出的活性炭碎末還可再利用，做到了二次污染物零排放[1-5]，但存在運(yùn)行成本較高的問(wèn)題。該球團(tuán)生產(chǎn)線2021年消耗活性炭6 438.44 t，活性炭消耗成本占到了整個(gè)脫硫脫硝系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的24.5 %，占球團(tuán)礦全部加工成本的7.5 %，減少活性炭消耗是降低球團(tuán)礦生產(chǎn)成本的重要項(xiàng)目之一。

1 逆流式活性炭脫硫脫硝工藝特點(diǎn)介紹

逆流式活性炭脫硫脫硝工藝流程見(jiàn)圖1。運(yùn)行過(guò)程中煙氣由下而上，活性炭自上而下運(yùn)動(dòng)，兩者逆流相向接觸。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是活性炭和煙氣接觸更加均勻，在同一水平面上的活性炭床層飽和度基本一致，活性炭在煙氣進(jìn)口處達(dá)到最大飽和度后排出，因此活性炭的吸附能力可得到充分發(fā)揮[3]。該生產(chǎn)線的逆流式活性炭脫硫脫硝系統(tǒng)的主要生產(chǎn)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 逆流式活性炭脫硫脫硝工藝流程

表1 CSCR脫硫脫硝系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)

2 活性炭消耗的構(gòu)成和其影響因素

CSCR脫硫脫硝系統(tǒng)使用的活性炭是直徑9 mm，長(zhǎng)度5～12 mm的圓柱狀煤基活性炭顆粒，生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)各個(gè)吸附模塊和活性炭緩沖料倉(cāng)的料位下降情況給系統(tǒng)補(bǔ)充新活性炭，活性炭在系統(tǒng)中的消耗主要由化學(xué)消耗和物理消耗兩部分構(gòu)成。

2.1 活性炭的化學(xué)消耗

煙氣中的SO2被活性炭吸附以后，大部分以H2SO4的形式儲(chǔ)存于活性炭孔隙內(nèi)[6]。解析時(shí)，將活性炭加熱至400 ℃左右，其吸附的H2SO4與C反應(yīng)還原成SO2，同時(shí)活性炭得到“活化再生”恢復(fù)并增強(qiáng)其對(duì)SO2、NOx等物質(zhì)的吸附性能[7-10]。這一過(guò)程中產(chǎn)生了活性炭的化學(xué)消耗，其反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

2H2SO4·H2O+C→2SO2+2H2O+CO2

從反應(yīng)式可以看出，從活性炭中解析出2 mol的二氧化硫需要消耗1 mol的碳，活性炭的含碳量大約為90 %，因此理論上每生產(chǎn)出1 t濃度98 %的硫酸需要消耗大約0.067 t的活性炭。從生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，制酸系統(tǒng)每月生產(chǎn)98 %濃硫酸成品約600 t，每月產(chǎn)生30 %左右濃度的污酸約300 t，理論計(jì)算每月活性炭的化學(xué)消耗約46.32 t，化學(xué)消耗占系統(tǒng)活性炭總消耗量的大約8 %。

脫硫脫硝系統(tǒng)的硫負(fù)荷高低決定了活性炭的化學(xué)消耗，其影響因素主要是球團(tuán)生產(chǎn)的原料結(jié)構(gòu)、球團(tuán)生產(chǎn)線的產(chǎn)能發(fā)揮情況等。

2.2 活性炭的物理消耗

物理消耗是指活性炭在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，其顆粒大小或其它物理性能不再滿足脫硫脫硝系統(tǒng)循環(huán)利用的要求，以活性炭粉末、細(xì)小顆粒、黏結(jié)塊等形式排出系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)而產(chǎn)生的消耗。

圖2 活性炭的物理消耗

物理消耗發(fā)生在活性炭循環(huán)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，由于碰撞、摩擦、擠壓等各種機(jī)械力導(dǎo)致活性炭顆粒破碎、磨損，顆粒逐漸變小，最后通過(guò)風(fēng)篩、除塵管路、振動(dòng)篩篩下物等脫離出系統(tǒng)。影響活性炭物理消耗的因素有活性炭質(zhì)量、系統(tǒng)活性炭的循環(huán)量、輸送設(shè)備的性能、生產(chǎn)操作參數(shù)的控制等多個(gè)方面。

3 降低活性炭消耗的控制措施

3.1 加強(qiáng)活性炭的質(zhì)量管控

優(yōu)質(zhì)的活性炭是脫硫脫硝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低耗生產(chǎn)的前提，好的活性炭應(yīng)具有吸附能力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)[6]，從煤基活性炭的各項(xiàng)性能指標(biāo)看，碘值反映活性炭的吸附性能，碘值越高，吸附能力越強(qiáng)，耐磨強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度反映了活性炭的機(jī)械強(qiáng)度高低，這三項(xiàng)指標(biāo)的好壞對(duì)活性炭的消耗有比較大的直接影響。

在該系統(tǒng)投產(chǎn)之初，由于對(duì)入廠活性炭的質(zhì)量重視不夠，出現(xiàn)了活性炭的脫硫能力差、顆粒易碎等問(wèn)題。在后期逐步加強(qiáng)了活性炭的質(zhì)量管控，采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中要求碘值不低于350 mg/g、耐磨強(qiáng)度不低于97 %、耐壓強(qiáng)度不低于40 kgf，并建立了活性炭的入廠取樣和質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)制，2020年以后進(jìn)廠活性炭的相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)平均值見(jiàn)表2。

表2 活性炭質(zhì)量指標(biāo)

通過(guò)采用質(zhì)量較優(yōu)的活性炭后，前期存在的問(wèn)題逐漸得到改善，為活性炭減耗創(chuàng)造了條件。

3.2 降低活性炭的循環(huán)量

對(duì)生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，正常狀況下活性炭的循環(huán)量和振動(dòng)篩篩下物的產(chǎn)生量存在正相關(guān)性，循環(huán)量越高，篩下物產(chǎn)生量就越多，而且其增加幅度還是越來(lái)越大的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)，降低活性炭的循環(huán)量是活性炭減耗的直接有效手段。

圖3 活性炭循環(huán)量對(duì)振動(dòng)篩篩下物產(chǎn)生量的影響

球團(tuán)生產(chǎn)過(guò)程中，其焙燒煙氣的氮氧化物含量為200～300 mg/m3，為此脫硫脫硝模塊內(nèi)部設(shè)置了3 m高度的脫硝活性炭層，比2 m高度的脫硫活性炭層還要多50 %的活性炭，減少煙氣中的氮氧化物含量，可降低活性炭循環(huán)量。

回轉(zhuǎn)窯燃燒器在球團(tuán)生產(chǎn)工藝中是氮氧化物生成的源頭設(shè)備，使用低氮燃燒技術(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)窯燃燒器進(jìn)行改造(見(jiàn)圖4)，將燃燒器內(nèi)部和出口射流的空氣分級(jí)，控制燃料與助燃空氣的混合過(guò)程和速度，延緩燃燒時(shí)間，降低火焰峰值溫度，可減少40%以上的氮氧化物生成量[12]。經(jīng)過(guò)改造后，正常生產(chǎn)情況下球團(tuán)原煙氣氮氧化物濃度降低至120～200 mg/m3。

圖4 回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器頭部結(jié)構(gòu)圖

鏈箅機(jī)預(yù)熱二段煙罩的溫度為900～1 000 ℃，是SNCR脫硝較為適宜的應(yīng)用環(huán)境。將20%～25 %濃度的氨水從鏈箅機(jī)機(jī)頭噴射進(jìn)入鏈箅機(jī)的煙氣中，氨水溶液高溫下分解產(chǎn)生NH3，NH3再與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)，將其還原生成N2和H2O，可實(shí)現(xiàn)脫硝[13]。其工藝布置見(jiàn)圖5。

圖5 球團(tuán)鏈箅機(jī)SNCR脫硝工藝布置示意圖

通過(guò)控制鏈箅機(jī)機(jī)頭的噴氨量，充分發(fā)揮SNCR脫硝的能力，可將活性炭脫硫脫硝系統(tǒng)入口煙氣的氮氧化物濃度控制在40～60 mg/m3，再經(jīng)過(guò)活性炭對(duì)煙氣的進(jìn)一步吸附，最后凈煙氣氮氧化物濃度能夠滿足30 mg/m3以下的環(huán)保排放要求?；钚蕴棵摿蛎撓跄K實(shí)現(xiàn)90 %以上的時(shí)間不噴氨，只有在球團(tuán)開(kāi)、停機(jī)或者生產(chǎn)出現(xiàn)臨時(shí)故障的情況下，鏈箅機(jī)預(yù)熱二段溫度不能滿足SNCR脫硝的條件，才開(kāi)啟活性炭模塊的噴氨設(shè)施。

經(jīng)過(guò)控制以后，不僅較好的解決了活性炭模塊內(nèi)部因?yàn)閲姲倍鸬幕钚蕴筐そY(jié)問(wèn)題，而且活性炭脫硫脫硝系統(tǒng)對(duì)于脫硝的壓力也大幅減輕，脫硝活性炭層可轉(zhuǎn)而用于脫硫，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的脫硫能力，為降低活性炭的循環(huán)量創(chuàng)造了條件。定期對(duì)流程中的活性炭取樣檢測(cè)其硫含量，將吸附塔下部排出的活性炭硫含量控制在3.5 %左右，同時(shí)合理控制解析塔的料量和解析溫度，保證良好的活性炭解析效果，將解析后的活性炭硫含量控制在1 %左右，既滿足凈化后煙氣SO2排放濃度不超20 mg/m3的要求，又最大化的發(fā)揮活性炭的脫硫吸附能力，系統(tǒng)活性炭的循環(huán)量由以前的平均15 t/h降低至2022年以來(lái)的平均11 t/h，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)折算每月可減少活性炭消耗大約93.2 t。

3.3 優(yōu)化風(fēng)篩除塵設(shè)施的風(fēng)量控制

吸附后的活性炭在進(jìn)入解析塔再生以前，需要經(jīng)過(guò)風(fēng)篩去除掉活性炭料流中的灰塵。風(fēng)篩的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖6，在風(fēng)篩內(nèi)部，活性炭料流在重力的作用下從上往下流動(dòng)，100 ℃左右的熱風(fēng)從下往上吹，物料中的粉塵和細(xì)小顆粒因?yàn)橹亓枯^輕被熱風(fēng)從風(fēng)篩上部側(cè)面的出口帶出，之后進(jìn)入除塵系統(tǒng)進(jìn)行收集，大顆粒的活性炭因?yàn)橘|(zhì)量相對(duì)較大能夠從風(fēng)篩下部的出口流出，繼續(xù)進(jìn)入下步工序循環(huán)使用。在這一過(guò)程中，風(fēng)篩內(nèi)部的風(fēng)量控制至關(guān)重要，風(fēng)量太小起不到給活性炭除塵的作用，風(fēng)量太大會(huì)將大顆粒的活性炭也從風(fēng)篩上部的除塵出口帶出，造成合格粒度的活性炭流失浪費(fèi)。

圖6 脫硫脫硝系統(tǒng)風(fēng)篩結(jié)構(gòu)示意圖

前期由于風(fēng)篩的風(fēng)量控制不當(dāng)，在脫硫脫硝系統(tǒng)除塵器的除塵灰中經(jīng)常有比較多的大顆?；钚蕴?，大于2.5 mm顆粒的占比最多時(shí)超過(guò)了30 %。為此，一是在風(fēng)篩出口的除塵管道上安裝截門(mén)，通過(guò)截門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)其風(fēng)量的大小；二是操作工定期對(duì)風(fēng)篩出口的除塵管道進(jìn)行檢查，采取聽(tīng)聲辨識(shí)的方法判斷是否有大顆粒的活性炭抽進(jìn)了除塵管道，如果聽(tīng)到有顆粒對(duì)管壁的撞擊聲，則要立即對(duì)風(fēng)量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；三是定期從脫硫脫硝系統(tǒng)除塵器中對(duì)除塵灰取樣，檢驗(yàn)其中的大顆粒成分，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)風(fēng)篩的除塵風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化控制。通過(guò)加強(qiáng)管控以后，除塵灰中大于2.5 mm的活性炭顆粒占比降低到了1%左右，活性炭除塵灰平均每月產(chǎn)生量由2021年的182.18 t減少到了2022年的113.23 t，每月減耗活性炭大約68.95 t。

3.4 加強(qiáng)解析塔振動(dòng)篩的維護(hù)管理

解析塔下部的振動(dòng)篩篩網(wǎng)是由不銹鋼絲編織構(gòu)成的條縫篩，篩孔間隙原設(shè)計(jì)為2.5 mm，生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)篩網(wǎng)磨損間隙變大和篩網(wǎng)破損的問(wèn)題(見(jiàn)圖7)，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致合格的活性炭漏入散料倉(cāng)中而導(dǎo)致大量的浪費(fèi)，問(wèn)題嚴(yán)重的時(shí)候，每天的活性炭篩下物能比正常時(shí)多20～30 t。

(a)正常的振動(dòng)篩篩網(wǎng) (b)破損后漏料的振動(dòng)篩篩網(wǎng)

為此，一是優(yōu)化篩網(wǎng)的間隙，將篩面50 %區(qū)域的篩網(wǎng)間隙縮小至2 mm，剩余50 %區(qū)域的篩網(wǎng)間隙保持為2.5 mm；二是完善了日常的設(shè)備維護(hù)規(guī)定，將篩網(wǎng)更換周期由12個(gè)月縮減為3個(gè)月，篩網(wǎng)檢查周期由每周停機(jī)檢查一次縮減為每天停機(jī)檢查一次，發(fā)現(xiàn)篩網(wǎng)破損立即進(jìn)行修補(bǔ)或者更換。

通過(guò)強(qiáng)化控制以后，有效避免了由于篩網(wǎng)故障而導(dǎo)致的活性炭大量浪費(fèi)問(wèn)題，對(duì)前期的篩下物異常數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2022年對(duì)比2021年減少了活性炭篩下物異常量共計(jì)213 t，折合每月17.75 t。

3.5 對(duì)活性炭循環(huán)的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)

在活性炭的物料輸送過(guò)程中，活性炭轉(zhuǎn)運(yùn)落差大、設(shè)備掉料、排料閥擠料等原因會(huì)造成活性炭破損和浪費(fèi)。通過(guò)調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題有1#和4#管鏈機(jī)輸送能力不足、吸附塔鎖氣斗流量孔板下料量大造成鏈斗機(jī)提升段大量掉料、解析塔旋轉(zhuǎn)閥和三通分料器之間的落差大、解析塔各區(qū)域下料不均勻等問(wèn)題。為此，一是對(duì)1#和4#管鏈機(jī)進(jìn)行了升級(jí)增容，管徑由Ф108 mm增大到Ф219 mm，輸送能力由5 m3/h提高至10 m3/h；二是對(duì)吸附塔鎖氣斗流料孔板進(jìn)行改型，將孔徑尺寸由160.5 mm減小為150 mm，以此延長(zhǎng)鎖氣斗的放料時(shí)間，減少鏈斗機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的掉料；三是對(duì)解析塔下部的三通分料器進(jìn)行改進(jìn)，提升三通翻板料庫(kù)200 mm 高度，降低活性炭輸送時(shí)的落差；四是對(duì)解析塔上旋轉(zhuǎn)閥和下旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)行增容改進(jìn)，提高了物料的通過(guò)性，減少閥體內(nèi)部旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)活性炭的擠壓；五是對(duì)解析塔內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行改造，將原來(lái)的圓管輸送布料改進(jìn)為小料斗布料，避免出現(xiàn)堵管等問(wèn)題，確保解析塔各部下料均勻穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)改造以后，活性炭輸送設(shè)施的運(yùn)行穩(wěn)定性得到提高，平均每月的輸送設(shè)備故障次數(shù)減少了19 次，按照生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)處理故障時(shí)的實(shí)際情況，每次設(shè)備故障后的捅料、掉料等過(guò)程大約造成0.2 t活性炭的損失，每月可節(jié)約活性炭大約3.8 t。

3.6 控制效果分析

綜合各項(xiàng)控制措施，計(jì)算得出每月活性炭的消耗大約減少183.7 t。實(shí)際上2022年1～10月份平均每月消耗新活性炭為359.53 t，對(duì)比2021年每月的平均消耗量降低了177.01 t，降幅達(dá)到32.99 %，和計(jì)算值相差不大。折算成生產(chǎn)每噸球團(tuán)礦的活性炭單耗由2021年的2.65 kg/t降低至2022年的1.84 kg/t，降幅達(dá)到了30.57 %?；钚蕴肯臏p少后，每年可實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本700多萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在活性炭脫硫脫硝系統(tǒng)中，活性炭消耗分為化學(xué)消耗和物理消耗，其中化學(xué)消耗主要受系統(tǒng)硫負(fù)荷的影響，整體占比較少，物理消耗受活性炭質(zhì)量、輸送設(shè)備的性能、生產(chǎn)操作控制等多種因素的影響。

2)在使用優(yōu)質(zhì)活性炭的基礎(chǔ)上，結(jié)合球團(tuán)生產(chǎn)工藝，采取降低活性炭循環(huán)量、優(yōu)化風(fēng)篩除塵設(shè)施的風(fēng)量控制、加強(qiáng)解析塔振動(dòng)篩的維護(hù)管理等措施，活性炭消耗得到了較大幅度的下降，平均每月的消耗量減少了177.01 t，達(dá)到了有效降低球團(tuán)生產(chǎn)成本的目的。