低温湿法脱硝系统的结构优化实践

林家永

(紫金铜业有限公司， 福建 龙岩 364200)

0 前言

随着国家对环保排放的管控越来越严格，为避免对环境造成危害，企业格外重视烟气的治理。工业上有多种烟气脱硝工艺，如SCR或SNCR等干法脱硝技术和酸、碱法等湿法脱硝工艺，但是其在有色冶炼烟气脱硝方面都没有应用实例，无法实际应用的主要原因是需要高温环境脱硝或脱硝效率不高。因此，开发适用于此烟气特点的低温烟气脱硝技术非常重要[1]。

某铜业公司铜阳极泥采用奥图泰卡尔多炉火法冶炼工艺，其产生的冶炼烟气经过除尘、脱硫后，烟气温度为50～70 ℃，且含水，后续脱硝无法采用传统SCR等干法脱硝工艺；该条件下的烟气脱硝适合采用低温湿法工艺，由于NOx极难溶于水或碱溶液，因而通常的湿法脱硝效率一般不高，但采用氧化、还原或络合吸收的方法可以提高NOx的净化效果。据了解，江西某公司研发的“TX混合剂(公开成分含高锰酸钾)+尿素”脱硝工艺能满足卡尔多炉烟气的低温脱硝[2-3]，但是该工艺所采用的药剂也只是在实验室完成测试，此前没有进行过工业化运行。2018年，某铜业公司与江西某公司合作开发以“TX药剂+尿素”作为吸收液的低温湿法脱硝新型脱硝系统，该脱硝系统的初期脱硝效果还能达到所需要求，但随着脱硝系统的持续运行，管线破裂、脱硝系统堵塞等问题的发生，导致系统停机、脱硝效率下降，影响生产效率，增大工人劳动强度。为解决低温脱硝系统产生的问题，某铜业公司对脱硝系统进行了一系列结构优化，以期为后续低温湿法脱硝工艺的工业化实践提供参考。

1 低温湿法脱硝系统

1.1 烟气参数

某铜业公司铜阳极泥采用奥图泰卡尔多炉火法冶炼工艺，其产生的烟气的相关参数指标见表1。

表1 烟气成分表

1.2 脱硝系统

1.2.1 工艺流程

江西某公司根据烟气参数和氮氧化物排放指标(NOx<240 mg/Nm3)，设计了一个直径3.5 m、高35 m的喷淋吸收塔，塔内分5级喷淋装置，每级喷淋下方设置高1 m、间隙为5 mm的聚酯塑料填料层；脱硝系统配备了吸收液循环槽、事故槽、沉淀槽、加药剂槽和五级循环泵等，烟气脱硝工艺流程如图1所示。

图1 低温湿法烟气脱硝工艺流程

1.2.2 工艺原理

系统所采用的脱硝工艺中主要反应机理如下，其中X1为TX混合剂(含高锰酸钾)：

(1)

(2)

(3)

(4)

2 低温湿法脱硝系统存在的问题及原因分析

2.1 存在的问题

低温脱硝系统设备安装调试完成后，进行烟气脱硝试验，脱硝烟气采用崂应3012H型自动烟尘烟气检测仪进行NOx排放浓度检测。试运行过程中，脱硝系统的NOx排放指标均在240 mg/Nm3以内，脱硝效率达到90%以上，药剂的脱硝效果达到所需要求。

在验证了脱硝系统具有优良的脱硝性能后，正式将脱硝系统运用于生产实践。开机运行2个月后，脱硝系统先后出现脱硝效果下降、循环泵管线破裂、热熔焊接处渗漏、塔内填料层堵塞等问题，极大地影响了生产任务，并增加了员工劳动强度。为保证生产的有序进行，对脱硝系统进行结构优化就显得异常重要和紧迫。

2.2 原因分析

对上述低温脱硝系统产生问题的原因进行分析：

1)脱硝效率下降。脱硫除尘后的烟气在进入脱硝吸收塔前含水量较大，易在脱硝塔内冷凝成水，从而汇集在循环槽内导致液位不断上涨。据统计，循环槽内循环液的水量每2 h增加1 m3，外来水的增加导致脱硝母液(含催化剂)浓度下降，影响脱硝效率；脱硝反应所产生的二氧化锰可作为催化剂，会降低脱硝反应速率，从而影响脱硝效率。

2)循环泵管线破裂。所使用的脱硝药剂中含有强氧化性的高锰酸钾等化学物质，会加快管线老化和开裂；另外焊接处渗漏是因为施工质量差。

3)塔内填料层堵塞(图2)。烟气脱硝反应过程中高锰酸钾氧化后有不溶于水的二氧化锰生成，在喷淋吸收塔填料层的结构设计上，认为二氧化锰颗粒细微，对填料层影响估算不足，仅设计了沉淀槽，计划定期清理沉淀槽中的二氧化锰。但实际上，沉淀槽中二氧化锰沉降量较低，脱硝药剂中的高锰酸钾反应生成了水合二氧化锰，水合二氧化锰具有一定的吸附、助凝作用，其大部分吸附、粘连在聚酯塑料填料层中。随着沉积的累积，烟气流动性越来越差，导致喷淋吸收塔前烟道处于正压状态，脱硝系统被迫停机。

图2 二氧化锰在填料层的堵塞现象

3 低温湿法脱硝系统的结构优化

为解决低温脱硝系统存在的问题，对脱硝系统进行了结构优化，优化后的烟气脱硝工艺流程如图3所示。

1)脱硝塔烟道入口处增设捕水装置。通过增大管道直径，降低烟气流速，将水滴和水雾通过捕水装置沉降下来，达到疏水的效果。另外，在循环槽中设置热水盘管加热系统(禁止使用蒸汽加热，蒸汽温度高，会影响母液中催化剂的作用效果)，保证循环液温度控制在60～70 ℃，该温度下有利于脱硝药剂吸收氮氧化物，并促进循环液中水分蒸发。以上结构优化解决了循环液水平衡问题。

2)循环泵管线将PVC管换成304不锈钢材质。更换管线材质后，有效地保证了循环液的正常输送。

3)将间隙为5 mm聚酯塑料填料层更换成φ76 mm海尔环(每层10 m3)，底部铺格栅板，增大液体流动间隙，有效降低了填料层中二氧化锰的沉积；并在吸收塔的各级海尔环的最低处设置了卸料口，以便清洗海尔环填料层，并依照烟气流动状况更换、清洗海尔环[4]。优化前后的吸收塔结构如图4所示。

图3 优化后的烟气脱硝工艺流程

图4 优化前后的吸收塔结构

4)在系统中增加1台板框压滤机。在循环槽引出一个旁路对二氧化锰进行压滤、开路，减少循环液中二氧化锰沉淀的含量，保证循环液脱硝效果不受影响。二氧化锰的滤渣如图5所示。

图5 二氧化锰滤渣

4 优化效果

通过对脱硝系统进行结构优化，取得了明显成效，主要体现在以下几个方面：

1)脱硝效率明显提高。在卡尔多炉冶炼过程中，作业稳定后，随机检测5组该作业段的NOx排放浓度，优化前后的检测结果见表2。由表2可知，优化前平均NOx排放浓度约为99.476 mg/Nm3；优化后平均NOx排放浓度约为73.398 mg/Nm3，脱硝效果显著提高。

表2 脱硝系统优化前后的NOx排放浓度 mg/Nm3

2)脱硝药剂的用量减少。结构优化前，外来水的增加导致循环液浓度降低，二氧化锰沉积会影响脱硝反应速率，为保证脱硝效率，则需要增加脱硝药剂用量，来维持循环液浓度、反应速率、优化后，脱硝药剂用量由600 kg/d降至400 kg/d，按脱硝药剂价格2.3万元/t计算，每年(作业300天)可节省烟气脱硝成本约138万元。

3)脱硝系统运行稳定。相较于优化前，优化后的循环液中二氧化锰含量下降了70%～80%，海尔环填料层中二氧化锰沉积较少，能持续保持液体的流通性，脱硝系统没有再出现堵塞停机现象，保证了生产正常有序进行。

4)工人劳动强度降低。优化前，喷淋吸收塔易受二氧化锰沉积堵塞的影响，导致脱硝停机，为保证生产进度不受影响，只能安排工人进入脱硝塔内清理、更换填料，极大地增加了工人的劳动强度，且受脱硝塔空间限制，工人进塔更换填料存在较大安全隐患。优化后，只需定期检查脱硝塔填料层颗粒沉积状况，增设的卸料口清洗更换方便，可大大降低工人的劳动强度。

5 结束语

氮氧化物低温湿法TX药剂脱硝技术有较高的脱硝效率，且生成N2和H2O，没有二次处理废水，但缺乏工业化实践，工艺研究停留在实验室阶段。在缺少可参考性工业化实践的前提下，某铜业公司通过对脱硝系统进行结构优化改造，实现了脱硝系统的稳定运行，且故障率低，其脱硝效率保持在90%以上，NOx排放浓度保持在90 mg/Nm3以内，降低了工人的劳动强度和生产成本，为该工艺的工业化应用积累了一些经验，同时对该工艺后续的工业化推广有一定的参考价值。