钼铁熔炼炉烟气治理工程改造实践

原文奇，李振峰,，田振邦，王俊，王佳志，赵付生

(1.河南中白环境科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450002)(2.河南省科学院化学研究所有限公司，河南 郑州 450002)(3.中白(沁阳市)环保设备制造有限公司，河南 焦作 454150)

0 引 言

钼铁在熔炼炉燃烧过程中会产生巨量烟气，这些烟气中含有大量颗粒物、SO2气体等，如未经过高效治理直接排入大气，会给周围环境带来严重的污染。在危害动植物生存的同时，也直接危害着企业员工及周围居民的身体健康，因此对烟气的高效治理是极其必要的。

洛阳某钼铁熔炼企业，原钼铁熔炼炉烟气治理工艺为“烟气—列管降温—袋式除尘—引风机—烟囱”，风量60 000～70 000 m3/h，生产期间烟囱排放烟气颗粒物浓度10～30 mg/m3、SO2浓度138～567 mg/m3。新的环保标准中对颗粒物和SO2排放浓度要求是颗粒物排放限值为10 mg/m3、SO2排放限值为50 mg/m3。为满足新的环保标准要求，对原有治理系统进行升级改造，改造充分利用现场原有设备设施，更换袋式除尘器、整改列管降温系统并新增RPF吸附式脱硫系统，实现了烟气颗粒物、SO2的超低排放，改善了环境质量，保障了企业的可持续发展。

1 工况分析

(1)钼铁熔炼原料：氧化钼、硅铁粉、铝粉、铁屑、萤石、硝石、铁磷等[1]。

(2)熔炼方式：采用炉外法生产。高温下通过投加铝粉、硝石以及氧化钼本身的燃烧反应，生成钼铁，不需要热源[1]。

(3)污染物排放状况：熔炼生产间歇运行，每天最大负荷生产5炉。在熔炼生产期间，依据燃烧情况的不同，单炉熔炼时间为5～30 min，初始颗粒物、SO2浓度较小，随后迅速升高并达到峰值，然后缓慢降低。

(4)污染物因子：原料剧烈反应过程中产生大量的热量和烟气，烟气中主要污染成分为氧化钼粉、钼铁及原材料中相关无机材料颗粒，并含有SO2、NOx、HF、H2S、HCl等[2]。

(5)烟气检测数据见表1。

表1 熔炼烟气检测数据

2 改造设计方案

原有环保治理中收集系统风量不足，大量烟气从集气罩边溢出进入大气，且袋式除尘器的有效过滤面积仅有1 000 m2，无法实现颗粒物的排放浓度小于10 mg/m3，同时无任何对SO2的治理设施，SO2的排放浓度严重超标，所以治理系统的改造围绕以上问题组织设计方案。

2.1 改造思路

(1)降低系统阻力，充分利用原100 000 m3/h的引风机，将烟气治理风量由60 000～70 000 m3/h提高到90 000～100 000 m3/h。

(2)将原2组串联的列管降温改为2组并联，以降低系统阻力。为保障列管降温效果，新增2排列管。为保障列管底部排尘效果，新增锥斗式颗粒物收集箱及螺旋排灰系统。

(3)新增袋式除尘器，替换原袋式除尘器。增大袋式除尘器过滤面积，减少袋式除尘器系统阻力，提高除尘效率。

(4)新增RPF吸附式脱硫系统，对烟气中SO2进行有效去除，同时显著去除烟气中的HF、H2S、HCl、CO2、NOx等酸性气体，并对颗粒物进行深度净化，使外排烟气达到环保要求。

(5)新增变频设备，对原引风机进行改造，确保系统运行平稳。

2.2 改造前后烟气治理工艺流程

改造前治理系统工艺流程：

改造后治理系统工艺流程：

2.3 系统风量核算

设计风罩罩口面积F=9.08 m2，风罩最大控制距离x=0.6 m，烟气风速设定为Vx=2 m/s，根据公式[2]核算系统风量为：

Q =3 600×(10×x2+F)×Vx

=3 600×(10×0.62+9.08)×2

=91 296 m3/h

系统风量设计为100 000 m3/h，满足要求。

2.4 列管降温系统改造

为保证对高温烟气的降温效果，有效降低系统阻力以提升风量，并保障后续烟气处理系统的稳定运行，本着节约投资原则，充分利用原可用设备设施，将原2组串联运行的列管降温系统，改造为并联运行。并新增16根散热管，散热管总数量增至64根，提高系统整体散热率，保证散热后烟气温度降至设计要求。改造前后列管降温器排列见图1。

图1 列管降温器改造前后平面图

原列管降温器列管参数为φ500 mm、长10 m，48根，总散热面积753.6 m2；改造后列管φ500 mm、长10 m，64根，总散热面积1 004.8 m2。散热面积比改造前增加33.33%。

原单根列管过风量20 000 m3/h，风速28.3 m/s，阻力15 Pa/m，原列管降温系统阻力：10 m/根×12根×15 Pa/m=1 800 Pa。改造后单根列管过风量12 500 m3/h，风速17.7 m/s，阻力6 Pa/m，改造后列管阻力：10m/根×8根×6 Pa/m=480 Pa。

2.5 袋式除尘器改造

新袋式除尘系统采用DMC型脉冲袋式除尘器，利用高压(0.5～0.7 MPa)、大流量、脉冲阀逐条滤袋喷吹清灰。具有清灰动能大、清灰效率高等特点，且体积小、重量轻、结构简单紧凑、安装容易、维护方便[3]。

根据系统设计风量，选用DMC-2000型脉冲袋式除尘器，滤袋参数φ130 mm、长6 m，832条，有效过滤面积2 037 m2,除尘室4个，过滤风速为0.82 m/min[4]，装机功率32 kW(振动器×18台×0.75 kW、铰刀×5组×2.2 kW、空压机×1台×7.5 kW)。袋式除尘器改造前后系统阻力计算数据见表2。

表2 袋式除尘器改造前后系统阻力 Pa

2.6 RPF吸附式脱硫系统

本次烟气治理工程因烟气风量大、SO2浓度波动大、间歇式排放等因素，采用传统的脱硫方案无法保障系统稳定运行[5]。经研究对比，采用RPF吸附式脱硫工艺对烟气进行脱硫治理，同时对烟气中的NOx、H2S、HCl、HF等酸性气体进行治理。

RPF吸附式脱硫指采用反应性高分子纤维材料对烟气中的SO2进行吸附，以达到净化烟气的效果。反应性高分子材料是一种新型的环境功能材料，利用基础纤维结构中反应性基团与改性剂间的特殊化学反应(如水解反应、加成反应)，将特定杂原子的功能基团引入其基础骨架材料上，利用这些功能性基团的离子交换、螯合/络合吸附等作用，使特选的工业材料功能化[6]。该纤维材料除具有一般纤维的物理机械性能以外，还具有特殊功能的离子交换性能，可对NH3、H2S、SO2、NOx、酸碱雾等极性气体进行吸附净化。当吸附饱和或接近饱和时，可通过再生液对纤维进行原位再生，恢复其吸附性能，满足重复使用条件[7]。

对烟气中SO2的吸附原理及纤维再生原理为：

吸附原理：R-NH2+ SO2+ H2O → R-NH3+HSO3-

再生原理：R-NH3+HSO3-+2NaOH → R-NH2+ Na2SO3+ 2H2O

该治理工艺改变传统的气液交换净化模式，采用更容易捕捉气体、吸收气体的气固交换净化模式，使待净化气体穿过密集的功能纤维材料层，特征污染气体与功能纤维材料反应被截留、净化，去除率高。结合纤维再生系统定期对功能纤维材料进行喷淋、再生，保障气体净化的持久性和可靠性，达到系统的高效、稳定运行。

根据本项目烟气治理系统风量及烟气中气体因子参数，设计RPF吸附式脱硫系统过滤面积880 m2，过滤风速为1.9 m/min，再生周期20～45 s/10 min，再生泵流量为15 m3/h，再生方式为在线再生，再生液为3%NaOH水溶液，再生液日消耗量为1 m3，系统装机功率为11.8 kW(再生泵2台×2.2 kW、排液泵1台×3 kW、配药装置2台×2.2 kW)。

RPF吸附式脱硫设备具有能耗低、反应效率高、物料消耗低、对污染物的浓度和风量变化适应性强、尺寸小、重量轻、具备全自动运行功能(PLC控制)、运行与维护简单等优点。

2.7 系统风阻核算

该工程主风管采用φ1 400 mm，设计风速为18 m/s[8]。根据实际情况，改造前后系统阻力数据对比见表3。

表3 改造前后系统阻力数据对比 Pa

由表3数据可知：改造前系统阻力合计6 150 Pa，是治理系统风量过小的主要原因。通过降低各治理单元的阻力，使治理系统风量达到了设计要求。

2.8 风机选型

原风机型号YHTYF，NO16D，流量100 000 m3/h，扬程6 000 Pa，介质温度200 ℃，电机功率250 kW，转速1 450 r/min。根据系统风量和风阻，原风机满足治理系统设计要求，故新增与原风机相同的风机壳，电机原物利用，并新增变频器，对引风机进行风量调节。

2.9 运行效果

工程改造完成后，熔炼炉烟气治理系统出口监测数据见表4。

3 技术经济指标

3.1 含钼铁颗粒物回收核算

工程改造完成后，每天去除颗粒物约3 t，从颗粒物中回收含钼铁颗粒300 kg，全年总计回收60 t，回收钼铁价格按15 000元/t，经济效益90万元。

3.2 烟气治理系统运行费用核算

(1)烟气治理系统年平均运行时间200天，平均每天运行时间1.5 h，耗功率核算：

风机日耗功率：250 kW×1.5=375 kW

袋式除尘器日耗功率：32 kW×1.5=48 kW

RPF吸附式脱硫系统日耗功率：11.8 kW×1.5=17.7 kW

年耗功率为(375+48+17.7)kW×200=88 140 kW，电费平均价格按0.8元/kWh，年运行费用约为7.05万元。

表4 熔炼炉烟气治理系统出口监测数据 mg/m3

(2)烟气治理系统年平均运行时间200天，脱除二氧化硫平均浓度350 mg/m3，年脱除二氧化硫10.5 t，脱硫系统年消耗氢氧化钠约13.2 t，氢氧化钠价格按3500元/t，全年物耗费用为4.62万元。

(3)系统年维护费用每年约2万元。计算可知，改造后熔炼炉烟气治理系统年投入总费用为13.67万元。

3.3 效益分析

烟气治理系统每年直接经济效益为76.33万元，改造投资费用5年内收回。

4 结 论

钼铁熔炼产生烟气采用“特殊降温器—袋式除尘器—RPF吸附式脱硫设备—引风机—烟囱”治理工艺，可满足SO2和颗粒物的超低排放标准[11]。

采用以上治理工艺运行费用低、治理效率高、自动化程度高、操作与维护简单、对污染物的浓度和温度变化适应性强。改造完成后，直接经济效益76.33万元/年、减排颗粒物600 t/年、减排二氧化硫10.5 t/年，经济效益、环境效益和社会效益显著。