干式钠基正交预附净化铋熔炼烟气的应用研究

朱永贵

(湖南有色冶金劳动保护研究院,湖南长沙 410014)

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干式钠基正交预附净化铋熔炼烟气的应用研究

朱永贵

(湖南有色冶金劳动保护研究院,湖南长沙 410014)

对正交预附过滤技术及正交预附过程进行了分析,并通过对铋熔炼炉烟气的特性分析,提出了铋熔炼炉烟气采用干式钠基正交预附脱硫技术的可行性,并从理论分析到实际应用效果,详细阐述了铋熔炼炉烟气应用干式钠基正交预附脱硫技术的有效性和实用性。

干式钠基;正交预附;净化;铋熔炼烟气

预附吸附过程包括物理吸附过程和化学吸附过程。物理吸附为分子之间范德华力引起的,对于预附粉料来说,物理吸附是单层吸附;化学吸附也称活性吸附,吸附粉料颗粒与有害气体分子之间依靠化学键力造成的,是吸附粉料颗粒与有害气体间化学作用的结果。一般来说,同一种气体污染物可能在较低温度下发生物理吸附,而在较高温度下发生化学吸附。物理吸附发生在化学吸附之前,当吸附颗粒逐渐具备足够高的活化能后,就发生化学吸附,当温度较高时,两种吸附也可能同时发生。

预附过滤技术可使工业污染物有害气体中的某一组分或某些组分通过分子引力和化学键的作用,达到有害气体从工业废气混合物中分离出来。从理论和实际应用中可知,吸附效果取决于吸附剂和吸附质分子之间的激烈程度,包括吸附剂的物理化学活性、比表面积、吸附操作条件、吸附反应器性能等,同时,从运行成本和吸附剂成本来分析,吸附效果也取决于吸附剂的用量、再生和循环利用,吸附剂输入量多,吸附效果好,但成本高。吸附剂输入量少,虽然成本低,但吸附效果差,最大限度地发挥吸附剂的效能是降低成本和运行费用的关键。

1 正交预附过滤技术及过程分析

1.1 正交预附过滤技术

正交预附过滤技术就是从过程的可控性、吸附的激烈程度、吸附效率、吸附剂成本及系统运行能耗等方面进行全方位、全过程的控制技术,它的基本原理和吸附过程如下:预附粉料气流从反应器顶部垂直向下进入,污染气体从反应器前面水平接入反应器,在反应器内预附材料和污染气体成90°的正交接触和碰撞,预附材料和污染气体经过在反应器内正交碰撞接触,进行物理吸附和化学吸附过程,废气中有害气体一部分得到吸附,这是预附粉料和污染气流的第一次正交接触吸附反应过程;然后,预附材料和污染气体混合一起,经烟气管道进入高效袋式除尘器,其中,预附颗粒和有害气体在烟气管道中的接触吸附时间较长,烟气中有害气体一部分得到吸附,这是预附粉料和烟气气流的水平接触吸附反应过程;预附粉料和污染气体进入到高效布袋除尘器后,预附粉料被吸附到滤袋表面,在滤袋表面形成预附层粉料层,污染气体经过滤袋粉尘层时,污染气体与预附层粉料成90°的正面接触和碰撞,废气中的有害气体和预附粉料颗粒之间发生物理吸附和化学吸附过程,废气中有害气体得到进一步吸附,这是预附层粉料和污染气流的第二次正交接触吸附反应过程。

正交预附过滤技术使得预附层粉料和污染气体有三次接触吸附反应过程,即烟气管道中的水平接触吸附反应过程、反应器内的第一次正交接触吸附反应过程、高效布袋除尘器内的第二次正交接触吸附反应过程。经过以上三个接触吸附反应过程,废气中的某一组分或某些组分的有害气体被预附粉料所吸附,并随同烟尘经高效布袋除尘器以固态的形式收集起来,从而达到干法烟气脱出有害气体和烟尘的目的,以避免湿法脱除的二次污染。

为实现正交预附过滤技术,达到过程可控、吸附效率高、运行稳定和运行费用低的目的,必须满足以下要求:(1)预附层材料必须为粉料,粉料粒径≤50 μm,粉料活性好;(2)预附材料易取价廉,并可循环使用,对于有色冶金炉窑烟气有害物的脱除,最好采用炉窑添加粉料,以便回收的预附粉料再回炉重用,以降低成本;(3)可靠的预附粉料添加装置,粉料添加均匀,添加量可调;(4)预附粉料与有害气体之间物理吸附和化学吸附所要求的反应吸附温度、气流速度、接触时间等工况条件;(5)工业烟气收尘工艺中配有预除尘装置,一般采用的垂直挡板沉降室,可兼作预附反应器,以保证预附粉料的添加;(6)车间或工段有废热利用热源,以保证预附粉料热气流的供应。

1.2 正交预附过滤技术过程分析

正交预附过滤技术的特点是有三次预附接触反应过程,其中正交预附接触反应过程有二次,即:预附粉料和烟气气流在反应器中的第一次正交接触吸附反应过程、预附粉料在滤袋上形成过滤粉尘层后与烟气气流的第二次正交接触吸附反应过程。

1.2.1 预附粉料和烟气气流的第一次正交接触吸附反应过程

正交预附过滤技术预附粉料和烟气气流的第一次正交接触吸附反应是在预处理反应器中进行,其原理如图1所示。

图1 第一次正交接触吸附反应示意图

预附粉料和压气气流通过文丘里引射器的引射,形成预附粉料引射气流,预附粉料气流从反应器的顶部垂直向下导入反应器,烟气从反应器的前面水平导入反应器,预附粉料气流与烟气成90°正交接触,并产生碰撞形成紊流状态,预附粉料颗粒与烟气中有害气体分子之间依靠分子引力和化学键作用,产生物理吸附和化学吸附,由于接触比表面积大,接触碰撞激烈,因此吸附活性显著增大,这样,烟气中的某些有害气体浓集到预附粉料颗粒表面或深入到其内部结构,从而,有害气体从烟气混合物中分离出来。有害气体被预附粉料颗粒所吸附,一部分随同预附粉料落入反应器灰斗中(粉料回用),另一部分随同烟气气流进入高效布袋除尘器,在布袋表面形成粉尘层,经清灰落入灰斗(粉料回用)。工业试验表明,第一次正交接触吸附反应过程对某些有害物其脱除率为40%～50%左右。

1.2.2 预附粉料与烟气气流的第二次正交接触吸附反应过程

正交预附过滤技术预附粉料与烟气气流的第二次正交接触吸附反应是在高效布袋除尘器中进行,其原理如图2所示。

图2 第二次正交接触吸附反应示意图

预附粉料通过预处理反应器进入到烟气中,形成混合烟气气流,再经过烟气管道进入到高效布袋除尘器。预附粉料在滤袋表面形成预附层材料粉尘层,即过滤层,烟气进入到高效布袋除尘器,一方面烟气中的烟尘被滤袋收集,另一方面烟气中的有害气体通过预附材料粉尘过滤层时,与预附粉料成90°正交接触和碰撞,预附粉料颗粒和有害气体分子依靠之间的分子引力和化学键作用,产生物理吸附和化学吸附,由于其接触比表面积大,接触碰撞激烈,因此,吸附活性显著增大,这样烟气中的某些有害气体浓集到预附粉料颗粒表面或深入到其结构中,从而从烟气混合物中分离出来,有害气体被预附层粉料颗粒所吸附,随同颗粒形成粉尘层,经过滤袋清灰,随同过滤粉尘落入灰斗。工业试验表明:第二次正交接触吸附反应过程对某些有害物其脱除率为30%～40%左右。

2 干式钠基正交预附净化铋熔炼烟气的应用

2.1 铋熔炼炉烟气的特性分析

铋熔炼炉一般为反射炉,熔炼过程分装料、焖烧、熔炼、放渣和出铋等,铋熔炼烟尘的化学成分见表1,铋熔炼烟气的化学组分见表2。

表1 铋熔炼烟尘的化学成分%

表2 铋熔炼烟气的化学组分%

从表1、表2可看出:(1)烟尘含铋大于27%,烟尘铋含量略高于铋精矿,烟尘属有价物料,必须综合回收;(2)烟气含SO2的体积百分比为0.04%～0.06%,属低浓度SO2烟气。

根据上面烟气的特点,铋熔炼烟气必须进行脱硫,并且为了铋烟尘有价物料的回收,脱硫工艺应优先采用干式脱硫技术。

2.2 铋熔炼烟气应用干式钠基正交预附进行脱硫的理论分析

对于铋熔炉烟气的脱硫,采用纯碱作为烟气脱硫吸附剂理论上是十分有效的。从化学反应理论来说,利用铋熔炼炉大于200℃的二次送风,通过喷射装置把纯碱喷入烟气系统,使得烟气中的SO2与纯碱在烟气系统中充分接触,迅速反应而生成Na2SO3。Na2SO3随烟尘被收尘设备收集下来,未反应的纯碱、Na2SO3与烟尘一起返炉熔炼,其中Na2SO3进入炉渣,纯碱作为熔炼炉溶剂被再次利用。从脱硫产物的微观形态可以看出,脱硫产物的表面不规则,具有较高的粗糙度、不规则形态和较大的比表面积,使得布袋除尘器能继续提高脱硫效率和脱硫剂的利用率。当纯碱到达布袋除尘器时,纯碱和脱硫产物的颗粒聚集在布袋上形成致密的灰层,一方面增加了气固的接触时间,而且实际的Na/ S也比烟气中的要大;另一方面,气体穿过灰层的阻力较大,迫使SO2向颗粒内部扩散,脱硫剂的粗糙表面使得SO2能较容易达到颗粒的内部,与未反应的脱硫剂继续反应,因此布袋除尘器能使脱硫效率得以提高很多。

干式钠基脱硫技术在铋熔炼炉烟气脱硫中实现了干式脱硫,有价烟尘得到了回收,同时大大减少了SO2的排放。

2.3 30 m2铋熔炼炉烟气应用干式钠基脱硫的理论计算

对于30 m2铋熔炼炉来说,烟气量为3 000～6 000 m3/h,实际工况烟气量为13 000～29 000 m3/h,烟气量的波动是由冶炼工况过程决定的,也就是说随着冶炼工况要求而波动。烟气量实际上是由燃煤量的喷入多少来决定,因此根据冶金炉窑燃烧特性类比,烟气中的SO2的体积百分比为0.04%～0.06%,其理论钠基消耗量计算如下:

1.确定烟气中SO2的单位体积量。

最小值:3 000 m3/h×0.04%=1.2 m3/h

最大值:6 000 m3/h×0.06%=3.6 m3/h

2.确定纯碱理论耗量。

经计算,Na2CO3的消耗量为:5.68～17.04 kg/h,平均值为11.36 kg/h。按环境影响报告书提供的30 m2铋熔炼炉SO2的排放量为6.68 kg/h(平均值),经计算,Na2CO3的消耗量为11.06 kg/h。上述二种计算方法得出的理论纯碱消耗量完全吻合。

2.4 30 m2铋熔炼炉烟气干式钠基正交预附过滤技术工艺

30 m2铋熔炼炉烟气干式钠基正交预附过滤技术工艺如图3所示。

30 m2铋熔炼炉烟尘净化系统设备配置见表3。

从图3可知,30 m2铋熔炼烟气净化系统由干式钠基正交预附过滤添加系统、管式换热器、淋水冷却器、空气冷却器、高效布袋除尘器、预除尘器(隔板沉降室)、变频风机、烟囱等组成,干式钠基正交预附过滤添加系统包括贮料仓、星形减速给料机(可调)、文丘里引射器、气量调节阀、管道。干式钠基正交预附粉料添加采用喷入式,设二路纯碱喷入系统,一路是把带纯碱气流从空气冷却器的前顶部垂直喷入空气冷却器,另一路是把带纯碱气流从沉降室的前顶部垂直喷入预除尘器,以形成正交预附过滤模式。每路钠基脱硫喷入纯碱加入量为10～14 kg/h,并且为均匀连续供给,要求熔炼炉在冶炼阶段,两路喷入系统同时开启,熔炼炉在焖烧阶段开启一路喷入系统。输送纯碱气流是采用管式换热器出口空气(熔炼炉一次送风),该空气温度为200℃左右,输送气流量4 000～5 000 m3/h,空气冷却器的工况温度为300℃左右,预除尘器工况温度为220℃左右,高效布袋除尘器滤袋滤料为耐高温的覆膜针刺毡材料,耐温250℃,布袋除尘器工况温度200℃左右。

图3 30 m2铋熔炼炉烟气干式钠基正交预附过滤技术工艺图

2.5 30 m2铋熔炼烟气用干式钠基正交预附技术进行脱硫的应用效果

由于铋反射炉熔炼工艺分为加料、焖烧、熔炼、放渣和出铋等几个阶段,每个阶段系统所需的风量和风压均不相同,因而烟气中SO2的总含量也不相同。单炉熔炼周期排风量变化见表4。

考虑到脱硫过程中化学反应的不完全性,在实际操作中采取在产生烟气量大的阶段(熔炼阶段)二路喷入系统同时投入使用,在产生烟气量少的阶段(焖烧阶段)投入一路喷入系统使用,每路喷入系统喷入纯碱量为10～14 kg/h。

脱硫装置投入运行后,熔炼炉在焖烧阶段投入一路喷入系统使用,测得烟气中SO2的浓度由270 mg/m3下降到52 mg/m3(平均值),熔炼炉在熔炼阶段,投入二路喷入系统使用,测得烟气中SO2浓度由360 mg/m3下降到68 mg/m3(平均值),烟气中SO2脱除率超过80%,这二个阶段的烟气SO2排放浓度远低于国家二级排放标准850 mg/m3。同时,经测算30 m2铋熔炼炉烟气每年SO2的排放量可减少32 t。测定结果见表5、表6、表7、表8。

表3 30 m2铋熔炼炉烟尘净化系统设备配置

表4 单炉熔炼周期排风量变化表

表5 熔炼阶段中未开启钠基脱硫装置的SO2浓度

表6 焖烧阶段中未开启钠基脱硫装置的SO2浓度

表7 熔炼阶段中开启二台钠基脱硫装置的SO2浓度

表8 焖烧阶段中开启一台钠基脱硫装置的SO2浓度

3 结 论

干式钠基正交预附脱硫技术在30 m2大型铋熔炼炉烟气净化中得到了成功的应用,该技术和装置经过二年的运行具有如下特点:

1.脱硫装置简单,运行可靠,操作维护方便。

2.烟气脱硫率大于80%,SO2排放浓度远远低于国家标准。

3.吸收剂——纯碱取自铋熔炼炉熔炼工艺的熔剂,多余纯碱随烟尘返炉二次使用,烟气脱硫成本低。

4.铋熔炼烟气采用干式脱硫,脱硫产物返炉熔炼进入炉渣,无二次污染。

5.铋熔炼烟气采用干式脱硫,有价铋烟尘得到干法捕集,有效提高了贵重金属的回收率。

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Abstract:The orthogonal pre-adhered filtering technology and process of orthogonal pre-attached were analyzed, together with the analysis of the characteristics of the flue gas in bismuth smelting furnace,feasibility of the application of dry sodium-based orthogonal pre-attached desulfurization technology in bismuth smelting furnace flue gas was proposed.With the analysis of theory and results of practical application,effectiveness and practicality of the application of dry sodium-based orthogonal pre-adhered desulfurization technology in bismuth melting furnace flue gas was described.

Key words:dry sodium-based;orthogonal pre-ahered;purification;flue gas in bismuth smelting furnace

The Study of the Application of Dry Sodium-based Orthogonal Pre-adhered Purification Technology in Bismuth Smelting Furnace Flue G as

ZHU Yong-gui
(Hunan L abor Protection Institute of Nonferrous Metals,Changsha410014,China)

X701

A

1003-5540(2012)05-0048-05

2012-07-13

朱永贵(1966-),男,高级工程师,主要从事环保、暖通研究工作。