逆流活性炭脱硫脱硝技术在烧结烟气超低排放中的应用

何生明，赵立文，杨志功，姜海宾

（邯郸钢铁集团设计院有限公司，河北 邯郸 056000）

随着钢铁行业的持续发展，烟气排放量日益增加，其中SO2、NOx的排放严重影响到人类的生存环境和经济发展，因此亟需对其进行治理，实现污染物超低排放对于缓解其造成的环境污染意义重大。随着国内环保问题日益突出，国家的环保政策也愈加严格。2019 年，生态环境部、发展改革委、工业和信息化部等五部委印发的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中提高了烧结烟气污染物的排放标准。要求烧结机烟气中二氧化硫、氮氧化物、颗粒物的小时排放质量浓度均值分别不高于35 mg/m3、50 mg/m3、10 mg/m3。

目前，浙江某钢铁企业有2 台430 m2烧结机，前期均采用一套错流式活性炭脱硫脱硝烟气净化装置。吸附塔进口原烟气中二氧化硫、氮氧化物、颗粒物质量浓度约700 mg/m3、400 mg/m3、45 mg/m3，净化后二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放的质量浓度分别约为45 mg/m3、130 mg/m3、17 mg/m3，排放浓度达不到超低排放标准。经分析，排放浓度不达标主要原因为烟气中污染物浓度在吸附塔内水平分布不均匀，造成从吸附塔排出的活性炭饱和程度不一致，未能充分发挥活性炭的吸附作用。

因此，决定采用逆流活性炭脱硫脱硝技术对前期烧结烟气净化系统进行烟气深度处理改造，以使活性炭在吸附塔内同一水平截面处饱和度一致，对烟气中SO2和颗粒物吸附更充分[1]。此外，逆流式技术脱硫和脱硝独立反应，容易调节脱硫层及脱硝层活性炭床层高度，使脱硫脱硝效率更高，从而全面实现烧结烟气超低排放，促进钢铁等相关产业的绿色健康发展。

1 逆流活性炭净化工艺

1.1 工艺流程

烧结烟气经过增压风机增压后进入吸附系统后，采用活性炭一体化净化装置，以此实现一套装置中完成吸附和催化还原反应过程。吸附剂和催化剂选用特殊性能的活性炭，活性炭在吸附塔内分为完全独立的脱硫床层和脱硝床层，活性炭由塔顶加入，在重力和塔底出料装置的作用下从上向下移动，烟气自下而上，两者逆流相向接触。原烟气在脱硫床层脱除SO2达标后，在中间气室与经汽化的氨空气充分混合，再穿过脱硝床层进行脱除NOx，净化后的烟气达到排放标准后，通过主烟囱排入大气。

解析塔设计中采用充氮气隔氧技术，为防止活性炭的解析氧化，采用压力阶梯设计，防止解析后的活性炭再次吸附SO2[1]。吸附塔排出的饱和活性炭，首先经振动筛、风筛筛分，筛上的大颗粒活性炭通过链斗输送机输送到解析塔进行解析，解析后的活性炭出解析塔后经振动筛、风筛，将细小活性炭和粉尘去除，筛分后的活性炭输送到吸附塔循环使用，活性炭卸料、布料、筛分、转运等过程产生的粉尘尾气经布袋除尘器处理后经排气筒排放。新活性炭通过新炭仓加入到系统中，用于补充系统损失的活性炭。活性炭吸附的SO2被解析释放，送往制酸系统制成浓硫酸，实现资源的回收利用。逆流式活性炭工艺流程图如下页图1 所示。

图1 逆流式活性炭工艺流程图

1.2 活性炭理化特性

下页表1 为活性炭表面的元素组成，由表1 可以看出，活性炭表面含有丰富的基团，它们是加速污染物与还原剂发生反应的载体，活性炭自身的这种特性有利于极性污染物的吸附和催化反应[2]。图2为活性炭放大5 000 倍的扫描电镜图，由图2 可知，活性炭表面凸凹不平，比表面积大、空隙结构丰富，具有很强的吸附能力。综上可知，活性炭具有较强的吸附和催化能力，满足逆流脱硫脱硝装置的要求。

表1 活性炭XPS 表面元素分析结果[2]

图2 活性炭扫描电镜

1.3 脱硫原理

活性炭吸附烟气中SO2、H2O、O2，在活性炭微孔内SO2与O2、H2O 反应生成H2SO4。进入脱硫吸附塔的烟气温度在120～160 ℃之间时，SO2脱除效率高[3]。当活性炭吸附饱和后，通过活性炭输送系统输送至解析塔进行高温解析再生，恢复活性。反应式为：

1.4 脱硝原理

脱硫后的烟气进入中间气室与经汽化的氨空气充分混合，再穿过脱硝床层脱除NOx，由于活性炭对NOx具有吸附作用，会降低NOx与NH3的反应活化能，发生催化还原反应，将烟气中的NOx转化为N2和H2O。同样，进入脱硝吸附塔的烟气温度在120～160 ℃之间时具有较高的脱硝效率[3]。反应式为：

1.5 颗粒物吸附原理

经电除尘器过滤后的烧结烟气中颗粒粒径一般在2 μm 以下，吸附塔内的活性炭层相当于高效颗粒层过滤器，这些微小颗粒通过惯性碰撞、拦截、扩散沉降等方式沉积在活性炭表面凹陷区域及孔洞。通常情况下，直径超过1 μm 的颗粒可通过碰撞进行捕集，而1 μm 以下的粒子可通过遮挡和扩散方式进行捕集[4]。减少活性炭自身产生的颗粒物及降低吸附塔内烟气流速，有利于颗粒物的超低排放。

1.6 解析原理

吸附了污染物的活性炭被送至解析塔，在解析塔内被加热至390～450 ℃，由活性炭吸附的SO2被释放出来，生成富含SO2的气体送至制酸系统，可经过制硫酸工艺制备98%浓硫酸。解析后的活性炭经冷却后，通过风筛除尘和振动筛筛分，将细小活性炭和粉尘去除，筛分后的活性炭送回到吸附塔循环使用。新的活性炭需要连续加入到系统中，以补充筛分及再生造成的活性炭损耗[4]。反应式为：

2 项目运行情况及效果分析

系统投入运行前后烟气排放数据如表2 所示。由表2 可知，采用逆流活性炭脱硫脱硝技术后，净化后烟气中SO2排放质量浓度基本稳定在20 mg/m3左右，脱硫效率达到95%以上，NOx排放质量浓度基本稳定在45 mg/m3左右，脱硝效率达到85%以上，颗粒物排放质量浓度基本稳定在8 mg/m3左右，烧结烟气污染物减排效果显著，污染物排放浓度均达到环保标准的要求。

表2 净化系统投用前后烟气排放数据

经分析可知，由于原装置中烟气在吸附塔入口一侧的SO2浓度较高，所以这一侧的活性炭吸附后饱和程度较高，在烟气出口一侧，SO2经吸附后浓度下降，活性炭饱和程度较低，因此从吸附塔排出的活性炭饱和程度不一致，未能充分发挥活性炭的吸附作用。此外，同一活性炭床层脱硫脱硝时，在烟气SO2浓度未降到最低时喷氨，过量的氨气会与剩余SO2发生反应生成NH4HSO4，造成床层板结，降低脱硝效率。采用逆流式脱硫脱硝技术后，脱硫层与脱硝层分开，活性炭把烟气中的SO2充分吸收后再喷入氨气，在脱硝层进行脱硝反应，避免活性炭层的板结[5]。脱硫层及脱硝层活性炭床层高度容易调节，脱硫脱硝效率更高，增加了污染物超低排放的稳定性。

3 结语

采用逆流活性炭脱硫脱硝技术对烧结烟气净化系统进行烟气深度处理改造，改造后脱硫脱硝效果显著，脱硫率达到95%以上，脱硝率达到85%以上，净化后烟气中各污染物排放浓度达到超低排放水平，推动了行业高质量、可持续发展。该技术工艺简单、机构性紧凑、占地面积更小，具有良好的经济和社会效益，值得在烧结烟气脱硫脱硝项目建设中推广应用。