套筒窑活性石灰厂喷煤后尾气脱硫脱硝措施大峘集团张旭0712之欧阳道创编.docx
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套筒窑活性石灰厂喷煤后尾气脱硫脱硝措施大峘集团张旭0712之欧阳道创编
套筒窑活性石灰厂喷煤后尾气脱硫脱硝措施
时间：
2021.03.06
创作：
欧阳道
张旭
（大峘集团有限公司）
[摘要]套筒窑活性石灰厂采用喷煤以后，尾气中将有SO2和NOx排放，通过对多种脱硫脱硝方法进行了比较讨论，得出石灰石膏法+臭氧法是较优化可行的脱硫脱硝方案。
在实测基础上得出套筒窑活性石灰工艺的自脱硫率约为79~84.2%。
[关键词]套筒窑石灰喷煤脱硫脱硝
活性石灰作为优秀的炼钢造渣溶剂日益受到钢铁企业的重视，为保证石灰品质稳定以及节本降耗，钢铁企业已越来越多地自建活性石灰工厂。
活性石灰生产工艺主要有套筒窑工艺、回转窑工艺、双膛窑工艺以及双梁窑工艺，因为综合性价比以及节能环保上的优势，目前套筒窑使用较多。
套筒窑多使用转炉煤气作为燃料，为了节省生产成本，将转炉煤气替代为喷煤粉已成为业内关注焦点。
凌源某活性石灰项目（简称凌源项目），建设有4×600t/d套筒窑生产冶金用活性石灰，设计完全采用喷煤供热，工程设计一套煤粉制备系统，采购原煤进行研磨制粉，制粉热源采用煤粉（自产）热风炉，每座窑煤粉消耗量为4300kg/h，煤粉制备系统煤粉消耗量为500kg/h，煤粉热值按5500kcal/kg计，硫含量为0.5%。
总烟气量（四座窑废气+一套煤粉制备系统废气）排放量约18万Nm3/h，年作业时间按照7920h计算，希望按此标准考虑脱硫脱硝措施。
本文以此为例对套筒窑石灰厂喷煤后尾气的脱硫脱硝进行分析讨论。
1尾气中SO2及NOx含量的计算
活性石灰是天然的脱硫剂，要想计算尾气中SO2，首先需要知道套筒窑活性石灰工艺自身的脱硫率，为此我们进行了一次测试。
测试选择在我公司总承包并已成功喷煤的唐山某3×600t/d套筒窑活性石灰厂中进行。
该工程燃料设计为煤粉+转炉煤气双燃，以煤粉为主，转炉煤气为辅，生产时可互相切换，每种燃料均能承担100%生产负荷。
该工程生产指标如下：
序号
指标名称
单位
数值
备注
1
活性石灰产量
1.1
年产量
t/a
3*200000
1.2
日产量
t/d
3*600
1.3
平均小时产量
t/h
3*25.0
2
石灰活性度
ml
≥350
4NHCl5分钟
3
石灰中残留CO2含量
%
≤2
4
活性石灰窑年作业时间
天
350
5
原料
5.1
石灰石消耗量
t/t
1.8
5.2
石灰石年需求量
t/a
3×1080000
粒度35～80mm
6
燃料
6.1
煤粉
t/h
3×4.750
热值按5000kCal/kg计算
6.2
转炉煤气
Nm3/h
3×21600
热值按1100kcal/Nm3计算
6.3
活性石灰单位热耗
kCal/kg
≤980
测试时，该工程正采用喷煤和转炉煤气混烧模式，喷煤情况如下：
名称
喷煤量
kg/h/座
热值
kcal/kg
S
%
灰份
%
挥发份
%
远兴煤
1900
6738
0.76
9.11
29.16
尾气测量结果如下：
SO2
mg/Nm3
NO
mg/Nm3
NO2
mg/Nm3
尾气温度
℃
尾气流量
Nm3/h
93~124
294~310
0
150
49000
如果认为煤中S能全部转化为SO2，通过计算，则可认为石灰窑自身的脱硫率为79~84.2%，如下表：
理论SO2排放量
Kg/h
实际SO2排放量
Kg/h
自身脱硫率
%
28.88
4.56～6.07
79~84.2
凌源项目套筒窑喷煤生产后，按照79~84.2%的自脱硫率，四座窑尾气中总SO2排放量为27.18～36.12kg/h，煤粉制备系统尾气中SO2排放量为5kg/h，总SO2排放量为32.18～41.12kg/h，如果考虑将窑尾气和煤粉制备尾气集中处理，总尾气量按180000Nm3/h计，烟气SO2排放浓度为179～228mg/Nm3。
凌源项目套筒窑喷煤生产后的NOx含量可取测试结果294～310mg/Nm3。
2环保排放标准
凌源项目的石灰用于炼钢，应属于冶金石灰的范畴，与之有关的标准见下表。
序号
标准
SO2
NOX
1
GB16297-1996大气污染物综合排放标准
960[1]
240[1]
2
GB9078-1996工业炉窑大气污染物排放标准
2000[2]
/
3
GB28662-2012钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准
200[3]
300[3]
4
DB13/2169-2015钢铁工业大气污染物排放标准
80[4]
400[4]
5
DB13/1641-2012石灰行业大气污染物排放标准
100[5]
400[5]
从排放浓度讲，对于SO2、NOx排放限值可从如下三方面进行考虑。
（1）从国家环保标准讲，应使用GB16297-1996大气污染物综合排放标准和GB9078-1996工业炉窑大气污染物排放标准进行限定，考虑到GB9078-1996工业炉窑大气污染物排放标准进行考核排放标准过低，现环评业内参考GB28662-2012钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准进行限定，两者取其严，则从国家环保标准讲，SO2≤200mg/Nm3,NOx≤240mg/Nm3。
（2）河北省专门出了与石灰有关的地方环保标准DB13/2169-2015钢铁工业大气污染物排放标准和DB13/1641-2012石灰行业大气污染物排放标准，由于本项目生产冶金石灰，根据标准说明应参考DB13/2169-2015钢铁工业大气污染物排放标准执行，SO2≤80mg/Nm3,NOx≤400mg/Nm3。
由于本项目地处辽宁省凌源市，无相应的地方环保排放标准，我们可取本行业国家标准、地方标准的最严格排放作为参考，SO2≤80mg/Nm3,NOx≤240mg/Nm3。
3脱硫脱硝措施
由于本工程尾气理论排放SO2为179～228mg/Nm3，已超过国家相关法规规定的最严格标准80mg/Nm3，需要建设脱硫率大于70%的脱硫装置。
考虑自产活性石灰，因此应优先考虑采用以石灰作为脱硫剂的脱硫方法。
目前在市场上应用比较广泛的有石灰石膏法、SDA法和CFB法，各自的特点见下表：
项目
石灰石膏法
SDA法
CFB法
类型
湿法
半干法
干法
技术成熟程度
成熟
成熟
成熟
脱硫效率
高
高
中
Ca/S
低
中
高
石灰CaO含量
≥80%
≥80%
≥80%
石灰粒度
d100≤3mm
d100≤3mm
d100≤1mm
石灰酸性不溶物
≤3%
无
无
石灰活性
T60≤4min
T60≤4min
T60≤4min
运行成本
低
中
高
初始投资
低
高
中
脱硫产物处置
容易
困难
困难
脱硫废水
有
无
无
设备腐蚀
严重
无
无
从上表可知，因为活性石灰厂自产石灰粒度不能满足CFB法要求，CFB先被排除。
在废水和脱硫石膏问题上，考虑到废水可以在生产工艺中消耗，因此石灰石膏法因为脱硫石膏容易处置而略显优势，是套筒窑活性石灰厂喷煤后的最佳脱硫工艺。
NOx理论排放为294～310mg/Nm3，高于最严格标准240mg/Nm3，需要建设脱硝率大于25%脱硝装置。
在25%脱销率的前提下，目前比较成熟的脱硝方法有SCR法、SNCR法、臭氧法脱硝，各自特点如下。
项目
SCR法
SNCR法
臭氧法
成熟程度
成熟
成熟
成熟
还原剂/氧化剂
NH3或尿素
NH3或尿素
O3
反应温度
300~420℃
850~1150℃
常温
催化剂
TiO2，V2O5，WO3
不使用催化剂
不使用催化剂
脱硝效率
90%
30~40%
30~40%（经济）
反应剂喷射位置
适合温度区间的烟道接出，再返回
适合温度区
脱硫前烟道内
NH3逃逸
小于3ppm
小于10ppm
-
系统压力损失
催化剂会造成较大的压力损失
没有压力损失
没有压力损失
烟气灰分的影响
高灰分会磨耗催化剂，碱金属氧化物会使催化剂钝化
无影响
无影响
占地空间
大（需增加大型催化剂反应器和供氨或尿素系统）
小（需增加脱硝喷枪）
小（需增加臭氧制备装置）
二次污染
无，NO被还原为N2
无，NO被还原为N2
中，NO被氧化及中和为硝酸钙，随废水排放
反应剂消耗
小
小
大
运行成本
中
低
高
初始投资
高
低
中
与脱硫的关系
无
无
优先与脱硫系统联合使用
SNCR法脱硝需要寻求850~1150℃工艺区间，在套筒窑上有两层烧嘴，温度如下表。
烧嘴位置
上层
下层
烧嘴数量只
7
7
供热量比例（占总供热量）
1/3
2/3
炉膛温度℃
1100~1200
1000-1100
从上表可知，不能保证通过在每一个炉膛内设置脱硝喷枪可靠覆盖100%烟气。
套筒窑炉膛通常很小，喷煤烧嘴又较大，可以布置脱硝喷枪的空间很少。
同时由于喷煤很容易遇到灰熔点问题，出现热态灰渣粘壁，这时很容易将脱硝喷枪堵塞，因此SNCR应被排除。
SCR法投资很高但运行费用低，臭氧法投资很低但运行费用高，对于本案25%的脱硝效率而言，臭氧法的氧氮比不高，相应的电费也不高，因此综合来看，此处选臭氧法较为合适。
4脱硫脱硝原理
4.1石灰石膏法脱硫原理
将石灰窑烟气收集后集中进入脱硫塔，脱硫剂为石灰与水配制的悬浮浆液，SO2与石灰反应后生成的亚硫酸钙，就地被强制氧化为石膏，石膏经二级脱水处理可作为副产品外售。
脱硫塔中SO2的脱除原理如下：
烟气中的SO2与浆液中氧化钙发生反应，生成亚硫酸钙：
CaO+SO2+H2O→CaSO3.½H2O↓+½H2O
（1）
通过烟气中的氧气和亚硫酸氢根的中间过渡反应，部分的亚硫酸钙转化成石膏（二水硫酸钙）：
CaSO3.½H2O+SO2+H2O→Ca（HSO3）2+½H2O
（2）Ca（HSO3）2+½O2+2H2O→CaSO4.2H2O↓+SO2+H2O（3）
脱硫塔浆液池中剩余的亚硫酸钙通过由氧化风机鼓入的空气发生氧化反应，生成硫酸钙。
反应过程（3）中直接的氧化是次要的，而主要是通过亚硫酸氢根与氧化风机鼓入的空气中氧气的反应来完成的。
其他的反应，如：
三氧化硫，氯化氢和氢氟酸与氧化钙的反应，反应生成石膏和氯化钙和/或氟化钙化合物：
CaO+SO3+2H2O→CaSO4.2H2O↓（4）CaO+2HCl→CaCl2+H2O（5）CaO+2HF→CaF2↓+H2O（6）
脱硫塔浆液池中的pH值通过加入石灰浆液来控制，在吸收塔浆液池中的反应需足够长的时间以使石膏能产生良好的石膏结晶（CaSO4.2H2O）。
4.2臭氧法脱硝原理
在石灰窑出口至脱硫塔进口的烟道上设置臭氧氧化系统，向烟气内喷射臭氧，将烟气中NOX氧化，并在脱硫塔内被吸收，控制脱硫塔最终排放烟气中NOx的浓度。
反应原理如下：
低温条件下，O3与NO之间的关键反应如下：
NO+O3→NO2+O2（7）
NO2+O3→NO3+O2（8）
NO3+NO2→N2O5（9）
NO+O+M→NO2+M（10）
NO2+O→NO3（11）
臭氧脱氮氧化物系统以
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