工业炉窑协同处置二次灰渣的烟气洁净排放工艺研究

周金良，张宇驰，胡 兰，徐昱煚

（昱源宁海环保科技股份有限公司，浙江 宁波 315612）

根据《国家危险废物名录（2021年版）》，危险废物是具有一种或多种危害性，或对生态环境或者人体健康造成有害影响的固体废物[1]。目前，国内危险废物大多采用焚烧技术进行处置，可以达到减量化、无害化处理的目的，同时可以进行余热利用和能量回收[2-5]。二次灰渣（飞灰、铝灰）现已列入《国家危险废物名录（2021年版）》，属于HW18 焚烧处置残渣、HW48 有色金属采选和冶炼废物[6]。危险废物焚烧处置过程中，物料燃烧将产生SO2、氮氧化物（NOx）、粉尘、重金属Hg 等有害物质，这类污染物将对人体及环境产生危害。据统计，2021年全国SO2排放量约为229 万t，NOx排放量约为907.1 万t，粉尘排放量约为512 万t。目前，我国粉尘、SO2、NOx已达到深度减排目标[7]，但在烟气净化过程中可凝结颗粒物、氨逃逸、气溶胶等问题仍未得到有效解决，这些副作用产物压缩排放空间，降低环境容量，导致二次颗粒物的大幅增加，不仅抵消一次颗粒物减排的效果，还在不利气象条件下导致重度雾霾的暴发。

目前，常见的烟气脱硝工艺分为还原法和氧化法[8]，还原法一般有两种，即选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR），氧化法包括臭氧氧化法与次氯酸钠氧化法[9]。除尘工艺包括重力沉降、旋风除尘、湿式除尘、布袋除尘和电除尘等[10]，应用较为广泛的为布袋除尘。相对于干法、半干法脱硫，湿法脱硫是较为成熟的SO2脱除技术，应用较多的为石灰石-石膏湿法，脱硫效率可超过95%[11]。以工业炉窑协同处置二次灰渣（飞灰、铝灰）项目为例，在使烟气达到洁净排放标准的前提下，考虑经济性、合理性、适用性等方面，确定烟气处理的最佳工艺路线[12-15]。

1 设计参数

国内危险废物资源化处置企业相对较少，危险废物处置能力不足。本工业炉窑协同处置二次灰渣项目的危险废物设计处置规模为20 万t/a（包括飞灰5 万t/a）。处置过程中产生的废气相关参数如表1所示。

表1 炉窑烟气参数

2 工艺流程

每条窑炉单独配置SNCR 脱硝、重力沉降室及布袋除尘设备，两条炉窑经各自环保装置处理后的烟气在增压风机前端烟道均匀混合，随后进入臭氧脱硝、烟气降温、石灰石-石膏湿法双塔双循环脱硫装置深度处理，经高效除雾器净化后通过烟囱达标排放。工艺流程如图1所示。

图1 炉窑烟气处理工艺流程

2.1 烟气脱硝系统

现阶段，应用较多的脱硝方案为SCR、SNCR、SNCR-SCR 联合工艺及臭氧氧化工艺[16-17]。烟气含有钠盐、钾盐，原烟气中SO2浓度较高，且除尘器出口烟气温度低于160 ℃，经综合考虑，本项目采用SNCR+臭氧脱硝，SNCR 为第一级脱硝，臭氧为第二级（深度）脱硝，SNCR 反应区布置于炉窑高温煅烧带，该处温度介于850～1 100 ℃，在高温煅烧带，NOx与氨发生还原反应，进行一级脱硝，脱硝效率为40%～50%。第二级脱硝反应区位于增压风机后直烟道处，该处烟道平直且距离大于9 m，利于臭氧与烟气均匀混合，烟气中未被NH3还原的NOx与O3发生氧化反应，生成可溶性硝酸盐，并通过脱硫系统洗涤脱除，实现深度脱硝，脱硝效率超过70%。SNCR+臭氧脱硝可使NOx浓度不大于100 mg/m3，总脱硝效率不小于82%。两级脱硝工艺可以降低传统工艺的氨逃逸，而且臭氧脱硝工艺运行过程中可根据原烟气NOx浓度调整O3浓度及流量，适应性较强，可保障NOx的高效脱除。脱硝系统相关参数如表2所示。

表2 脱硝系统运行参数

2.2 烟气除尘系统

原烟气盐分及SO2浓度较高，且烟气含湿量在15%以上，在此工况下，粉尘比电阻易受影响，造成电除尘器二次电流波动，同时烟气会对阴极线和阳极板造成腐蚀，故本项目不宜用电除尘器，采用重力沉降及滤袋收集烟气中的粉尘。在沉降室内布置多层挡板，烟气进入沉降室后流速降低，较大尘粒借助自身重力及碰撞挡板沉降而被分离捕集。粉尘在沉降室内停留的时间为40 s 左右，流速小于0.5 m/s，尘粒沉降速度为0.2 m/s。经过重力沉降室后，烟气粉尘浓度降为原来的85%～90%，经布袋除尘器收集过滤后，烟气中的粉尘浓度降至小于20 mg/m3。布袋除尘器过滤风速为0.8～1.0 m/min，过滤面积为1 322 m2，配置为12 室4 灰斗，滤袋采用聚四氟乙烯（PTFE）材质，布袋清灰采用离线压缩空气反吹形式，总除尘效率大于99%。沉降室及布袋除尘器结构简单，操作维护方便，可根据现场实际情况进行布置和选型，最大限度地利用场地及空间。除尘设备相关参数如表3所示。

表3 重力沉降及布袋除尘器参数

2.3 烟气脱硫系统

脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，采用两座吸收塔串联形式，实现双塔双循环脱硫[18-19]。两条炉窑出口烟气经脱硝除尘后汇入烟气降温系统，再通过脱硫系统吸收，两条炉窑共用一套脱硫设施。双塔双循环脱硫装置烟气处理能力为两条炉窑最大运行工况烟气量的110%，设计脱硫效率不小于98%。脱硝除尘后的烟气进入一级脱硫塔，一级脱硫塔分为降温段和脱硫段，两段分开布置。冷却后的烟气（温度不大于75 ℃）进入pH 较低的脱硫段，一级脱硫塔有利于石灰石的完全溶解和优质石膏的生成，同时也降低氧化风机的能耗。经一级脱硫塔处理后的烟气进入二级脱硫塔，在较高的pH 下进一步脱硫。在相同液气比下，高pH 可以保证更高的脱硫效率。双塔双循环脱硫工艺增加烟气在塔内的停留时间，促进石灰石的溶解及利用，分步控制SO2吸收和反应过程，避免工艺参数的相互制约，优化反应过程，保证脱硫效率及系统的稳定性[20-22]。

一级脱硫塔液气比为25，塔釜直径为5.0 m；二级脱硫塔液气比为36，塔釜直径为6.0 m。二者的Ca/S 均为1.03，喷淋覆盖率均不小于180%，空塔流速均为2.4 m/s，浆液停留时间均为18 h，浆液循环时间均为5 min。脱硫系统设计参数如表4所示。

表4 双塔双循环湿法脱硫系统参数

2.4 高效除雾系统

炉窑烟气经过除尘、脱硝、脱硫工艺处理后，烟气仍会含有粉尘、（亚）硫酸盐、（亚）硝酸盐、铵盐、（氟）氯化物、细颗粒物（PM2.5）、SO3等物质形成的气溶胶，传统工艺去除效果并不明显，同时湿法脱硫后更容易形成石膏雨。因此，在二级脱硫塔后增加高效除雾系统，进一步去除粉尘、石膏雨、气溶胶等污染物，粉尘去除效率不小于75%。高效除雾系统共有5 层模块，包括一层冷凝水膜除雾器，水膜可以附着气溶胶和粉尘颗粒，比传统除雾器的除尘除雾效果更加明显，可以脱除至少99%的直径不小于15 μm 的液滴。高效除雾系统的主要工艺参数如表5所示。

表5 高效除雾系统参数

3 臭氧及湿法脱硫脱硝协同脱汞

重金属Hg 毒性大、生物累积性强，Hg 的脱除越来越受到关注。将难溶性元素Hg 氧化成水溶性二价汞（Hg2+）是脱汞技术的核心。随着国家污染物排放要求越来越严格，单独设置污染物脱除设备会存在占用空间大、维护烦琐、效果不理想等问题。因此，开发协同处置多种烟气污染物的技术是发展趋势。臭氧脱硝石灰石-石膏湿法脱硫工艺具有一定的脱汞能力[23-24]。O3具有一定的转化单质Hg 能力，湿法脱硫系统对Hg2+具有良好的去除效果[25]。李玲[26]研究表明，烟气中的Hg2+可溶于水，湿法脱硫可脱除烟气中80%～95%的Hg2+。

臭氧脱硝过程可协同脱汞，随着臭氧投入量增加，NOx和Hg 的去除率将会增加。邵嘉铭等[27]对脱汞机理及技术进行研究，结果表明，臭氧脱硝的最佳反应温度为60～150 ℃，温度低于60 ℃时，氧化反应速率降低，温度高于150 ℃时，反应速率加快，中间氧化产物将会分解，整体去除效率降低。Hg 被臭氧氧化为Hg2+的最佳反应温度约为110 ℃，生成HgO 和HgCl2。WANG 等[28]在研究O3氧化NOx和Hg 的混合烟气时发现，O3优先与NOx发生氧化反应生成高价氮氧化物，高价氮氧化物可以将Hg 氧化为Hg2+。NOx、Hg 被O3氧化后从气态转化为溶于水的物质，再经脱硫塔洗涤，达到同时脱除NOx和Hg 的目的[29-32]。因此，O3脱硝+湿法脱硫去除烟气中的汞是可行的。经检测，烟气温度为74 ℃，O3浓度为70 mg/L 时，脱汞效率大于93.3%，烟气检测数据如表6所示。

4 运行结果分析

目前，工业炉窑协同处置二次灰渣项目已完成环保验收，检测结果如表7所示。从表7 可知，该烟气净化工艺运行后，烟气中粉尘、SO2、NOx脱除效率分别为99.9%、99.5%、86.4%，排放值远低于生态环境部门批复限值（粉尘≤30 mg/m3、SO2≤200 mg/m3、NOx≤300 mg/m3）。脱硝（SNCR+臭氧氧化法）、脱硫（双塔双循环）、除尘（重力沉降+布袋除尘）组合工艺的应用使得排放的粉尘、SO2、NOx大幅缩减[33-35]。SO2、NOx、粉尘的年排放量比排放指标要求分别减少83.72 t、123.11 t、14.12 t，此烟气洁净排放工艺对SO2、NOx、粉尘的脱除具有非常好的效果。

表7 污染物排放检测结果

5 结论

本文结合工业炉窑协同处置二次灰渣项目的工艺流程，对其运行结果进行分析。结果表明，“SNCR脱硝+重力沉降室+布袋除尘器+臭氧脱硝系统+烟气降温+石灰石-石膏湿法双塔双循环脱硫+高效除雾”工艺可实现SO2、NOx、粉尘等污染物的综合控制处理，技术成熟可靠；经检测，SO2、NOx、粉尘排放浓度分别低于200 mg/m3、300 mg/m3、30 mg/m3，该工艺可满足洁净排放要求；在不满足SCR/SNCR 反应温度或无法使用催化剂脱硝时，可考虑臭氧氧化法脱硝，该工艺对工况适用性强，而且可以协同脱Hg；湿法脱硫工艺对Hg2+的处理效果较好，但对Hg 的处理效果不理想，可与O3联用提高脱汞效率。本项目已连续稳定运行，污染物排放数值明显低于排放标准，同时也为类似危险废物处置项目烟气处理工艺设计提供参考。