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烧结烟气臭氧脱硝工艺设计

2021-06-20 18:50:38

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北极星大气网讯:摘要:根据烧结烟气的主要特点及NOX的脱除方法,结合实际设计了一套完整的臭氧脱硝工艺

引言

在工业生产过程中,有大量的烟尘和废气产生,在废气中含有大量的NOX,SO2和CO2等气体,其中氮氧化物主要为NO和NO2,通常把这两种氮氧化物称为NOX,其中NO含量占90%以上。NO虽然毒性不大,但是高浓度的NO会引起神经中枢障碍,而且它很容易转化为剧毒的NO2;NO2是棕色气体,有特殊的刺激性臭味,被吸入肺后能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸,严重时会引起肺气肿。在大气中的氮氧化合物达到100×10-6~150×10-6的高浓度时,人连续呼吸30~60min便会中毒。另外,NOX也会损害动、植物,破坏臭氧层,是引起温室效应和酸雨的主要物质之一。因此,开展对NOX排放的治理具有极其重要的意义。

1烧结烟气的特点

烧结过程是一个高温燃烧条件下的复杂物理、化学过程,被抽入料层的空气与混合料中的燃料发生燃烧反应,燃烧释放的热量保证烧结物理、化学过程的进行,燃烧的烟气作为废气排放。烧结烟气相比于其他工业炉窑产生的烟气有如下特点:

(1)烟气量大。每生产1t烧结矿大约产生1500~3000m3的烟气。

(2)烟气温度变化大,一般在110~150℃范围波动。

(3)烟气携带粉尘较多,烟气中粗颗粒粉尘较多,粒径大于50μm的占30%以上。

(4)含湿量大,露点较高。按体积比计算,含湿量在10%左右,露点一般在65~80℃。

(5)烟气中含有腐蚀性和有毒气体,如HF,HCl,CO气体等。

(6)SO2和NOX浓度随铁矿原料和燃料的差异变化,SO2浓度一般在600~1000mg/m3范围内,可能高达2000~4000mg/m3;NOX浓度一般在200~350mg/m3范围内变化,***达到600mg/m3左右。

(7)烟气的含氧量较高,通常在14%~17%。

2NOX的脱除方法及特点

2.1常用的脱硝方法

NOX气体的治理常采用还原法、氧化法和吸附法。

(1)还原法:通常采用NH3还原法;分为选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR),利用还原剂将NOX转化为N2排空。近年来,燃煤电厂大量使用选择性催化还原法(SCR法),脱硝效率达到85%以上,而且运行费用较低,但要求烟气的温度较高,通常需大于280℃。

(2)氧化法:通常采用臭氧氧化法,是利用氧化剂将NOX转化为N2O5进而用水吸收生成硝酸盐,典型的工艺过程是低温氧化工艺(LOTOX);其脱硝效率较高,可以达到85%以上,但电耗较高,致使运行费用高。此方法适合于小规模的烟气脱硝,或者其他办法难以实现的脱硝场合。

(3)吸附法:分为活性炭法和活性焦法,采用活性炭或活性焦吸收烟气中的有害物质,通常用于同时脱除烟气中的SO2和NOX。这种方法需配套制酸系统,投资较高,运行成本高。

2.2脱硝方法的比较

(1)SCR法:由于烧结烟气的温度较低,处理时需要对烟气进行加温,尤其是对于现有的湿法脱硫烟气,所需加热燃料非常多,从而导致脱硝燃料成本大幅增加,企业难以承受。

(2)活性炭吸收法:由于活性炭吸收后需解吸制酸,需配套制酸系统,因此投资较大;从已经投产的设施运行情况看,所生产的酸产品含杂质较高,销价较低,运行费用高;另外还存在着着火问题,一旦着火会造成巨大的损失,对于中、小企业来说,经济上很难承受。

(3)臭氧氧化法:烧结烟气的NOX中95%为NO,而NO难溶于水,通过O3将NO氧化成NO2,然后通过碱液吸收生成硝酸盐,从而脱除烟气中的NOX。

目前大部分烧结厂的烟气NOX含量处于标准的临界点,在烧结生产过程中出现超标现象,但超过排放允许值并不多,所需要脱硝的量较少,因此采用臭氧氧化法脱硝是合适的。

3脱硝设计及实施

3.1设计的参数依据

以360m2烧结烟气脱硝为例,烧结初始烟气的NOX浓度为320mg/m3(10.67mol/m3),SO2浓度为800mg/m3(12.5mol/m3),含尘量为50mg/m3,烟气量为110万m3/h;脱硝后的烟气NOX浓度为270mg/m3(9mol/m3,***排放标准为300mg/m3)。

3.2臭氧脱硝原理

脱硝化学反应式如下:

O3+NO=NO2+O2

O2+2NO2=2NO3

NO2+NO3=N2O5

N2O5+H2O=2HNO3

在脱硝过程中,臭氧与NO发生等摩尔反应。

另外当烟气中含有SO2,还会发生如下的反应:

O3+SO2=SO3+O2(在无催化剂情况下,臭氧脱除SO2效率较低)

3.3臭氧量的选择

初始烟气中的NOX摩尔浓度为:10.67mol/m3,SO2摩尔浓度为:12.5mol/m3,脱硝后的烟气的NOX摩尔浓度为:9mol/m3,所消耗的臭氧量为3.5mol/m3。实际需要的脱硝效率为:(10.67-9)/10.67=15.6%3.3.1烟气反应时间的影响通常吸收塔内的烟气流速为3~4m/s,臭氧的有效流动距离约为20~30m,因此臭氧在烟气中的停留时间约为:6~10s,取停留时间为8s。根据实验,臭氧脱硝效率约为65%,如图1所示。

仅考虑反应时间,则理论上所需的相对臭氧浓度为:15.6%/65%=24%;所需的臭氧浓度为:24%×10.67×48=122.3(mg/m3)。

3.3.2吸收液温度的影响

通常吸收液温度在50~70℃之间,取温度为55℃。在实验过程中,室温时臭氧对NOX的脱除效率为58.2%,在60℃时为28.8%。如图2所示,在55℃时,脱除效率为35%。

仅考虑吸收液温度,则理论上所需的相对臭氧浓度为:15.6%/35%=44.5%;所需的臭氧浓度为:44.5%×10.67×48=227.9(mg/m3)。

3.3.3臭氧浓度的影响

选取臭氧与NOX摩尔浓度之比为:mO3/mNO=0.45,根据图3实验值,脱硝效率约为35%。

仅考虑臭氧浓度对脱硝效率影响,则理论上所需的相对臭氧浓度为:15.6%/35%=44.5%;

当mO3/mNO=0.45,臭氧浓度为:0.45×10.67×48=230(mg/m3);

理论上所需的臭氧浓度为:44.5%×10.67×48=227.9(mg/m3);

因此仅考虑臭氧浓度的影响,则所需的臭氧浓度应选为230mg/m3。

综合以上各种因素考虑,并取保险系数为1.1,

则臭氧浓度应选为:230×1.1=253(mg/m3)。

3.3.4烟气中SO2的影响

在没有催化剂的情况下,臭氧对SO2的脱除效率约为30%(温度对脱硫影响小,不考虑温度影响),因此烟气中SO2消耗的臭氧量为:

10.67×0.3×(10.67/12.5)×48=131(mg/m3)

由于131+(320-270)=181(mg/m3)<253(mg/m3),因此在本设计系统中,可以不考虑烟气中的SO2对脱硝效率的影响。

3.3.5综合选择

在目前已运行的臭氧脱硝系统中,脱硝效率大约在35%~50%之间,这是由于实际运行过程中,臭氧脱硝的机理更复杂,臭氧浓度、吸收液温度、反应时间及吸收液浓度等相互都有影响。参考实际已投运的设施,臭氧发生量选择为253×110×10000/1000000=278(kg/h)因此可选择2台150kg/h或3台100kg/h臭氧机,建议选用3台100kg/h臭氧机。

3.4臭氧氧化工艺流程

臭氧氧化工艺流程如图4所示。

3.5臭氧脱硝的主要设备

臭氧脱硝工艺所需的主要设备如表1所示。

4结束语

(1)臭氧脱硝装置设备简单,运行及维护简便,投资费用低于活性炭法和SCR法。

(2)臭氧脱硝法适用于湿法脱硫系统,利用脱硫塔作为吸收塔,脱硫液作为吸收液;烟气中的NOX经臭氧氧化后,通过吸收液吸收生成硝酸盐外排。

对于干法或半干法脱硫系统,则需增加吸收塔,用于吸收臭氧氧化后的NO2,NO3,N2O5等气体,生成硝酸盐;因此投资及运行费用均较湿法为高。

(3)在脱硝量需求较小时(脱硝效率小于40%时),臭氧脱硝工艺运行费用低于活性炭法和SCR法。

(4)硝酸盐的溶解度远高于硫酸盐,很难通过结晶和沉淀来去除溶液中的硝酸盐离子,为了保证脱硝效率及降低系统腐蚀性,需外排一部分水,用来降低溶液中的硝酸盐浓度。

原标题:烧结烟气臭氧脱硝工艺设计


烧结烟气臭氧脱硝工艺设计

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北极星大气网讯:摘要:根据烧结烟气的主要特点及NOX的脱除方法,结合实际设计了一套完整的臭氧脱硝工艺

引言

在工业生产过程中,有大量的烟尘和废气产生,在废气中含有大量的NOX,SO2和CO2等气体,其中氮氧化物主要为NO和NO2,通常把这两种氮氧化物称为NOX,其中NO含量占90%以上。NO虽然毒性不大,但是高浓度的NO会引起神经中枢障碍,而且它很容易转化为剧毒的NO2;NO2是棕色气体,有特殊的刺激性臭味,被吸入肺后能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸,严重时会引起肺气肿。在大气中的氮氧化合物达到100×10-6~150×10-6的高浓度时,人连续呼吸30~60min便会中毒。另外,NOX也会损害动、植物,破坏臭氧层,是引起温室效应和酸雨的主要物质之一。因此,开展对NOX排放的治理具有极其重要的意义。

1烧结烟气的特点

烧结过程是一个高温燃烧条件下的复杂物理、化学过程,被抽入料层的空气与混合料中的燃料发生燃烧反应,燃烧释放的热量保证烧结物理、化学过程的进行,燃烧的烟气作为废气排放。烧结烟气相比于其他工业炉窑产生的烟气有如下特点:

(1)烟气量大。每生产1t烧结矿大约产生1500~3000m3的烟气。

(2)烟气温度变化大,一般在110~150℃范围波动。

(3)烟气携带粉尘较多,烟气中粗颗粒粉尘较多,粒径大于50μm的占30%以上。

(4)含湿量大,露点较高。按体积比计算,含湿量在10%左右,露点一般在65~80℃。

(5)烟气中含有腐蚀性和有毒气体,如HF,HCl,CO气体等。

(6)SO2和NOX浓度随铁矿原料和燃料的差异变化,SO2浓度一般在600~1000mg/m3范围内,可能高达2000~4000mg/m3;NOX浓度一般在200~350mg/m3范围内变化,***达到600mg/m3左右。

(7)烟气的含氧量较高,通常在14%~17%。

2NOX的脱除方法及特点

2.1常用的脱硝方法

NOX气体的治理常采用还原法、氧化法和吸附法。

(1)还原法:通常采用NH3还原法;分为选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR),利用还原剂将NOX转化为N2排空。近年来,燃煤电厂大量使用选择性催化还原法(SCR法),脱硝效率达到85%以上,而且运行费用较低,但要求烟气的温度较高,通常需大于280℃。

(2)氧化法:通常采用臭氧氧化法,是利用氧化剂将NOX转化为N2O5进而用水吸收生成硝酸盐,典型的工艺过程是低温氧化工艺(LOTOX);其脱硝效率较高,可以达到85%以上,但电耗较高,致使运行费用高。此方法适合于小规模的烟气脱硝,或者其他办法难以实现的脱硝场合。

(3)吸附法:分为活性炭法和活性焦法,采用活性炭或活性焦吸收烟气中的有害物质,通常用于同时脱除烟气中的SO2和NOX。这种方法需配套制酸系统,投资较高,运行成本高。

2.2脱硝方法的比较

(1)SCR法:由于烧结烟气的温度较低,处理时需要对烟气进行加温,尤其是对于现有的湿法脱硫烟气,所需加热燃料非常多,从而导致脱硝燃料成本大幅增加,企业难以承受。

(2)活性炭吸收法:由于活性炭吸收后需解吸制酸,需配套制酸系统,因此投资较大;从已经投产的设施运行情况看,所生产的酸产品含杂质较高,销价较低,运行费用高;另外还存在着着火问题,一旦着火会造成巨大的损失,对于中、小企业来说,经济上很难承受。

(3)臭氧氧化法:烧结烟气的NOX中95%为NO,而NO难溶于水,通过O3将NO氧化成NO2,然后通过碱液吸收生成硝酸盐,从而脱除烟气中的NOX。

目前大部分烧结厂的烟气NOX含量处于标准的临界点,在烧结生产过程中出现超标现象,但超过排放允许值并不多,所需要脱硝的量较少,因此采用臭氧氧化法脱硝是合适的。

3脱硝设计及实施

3.1设计的参数依据

以360m2烧结烟气脱硝为例,烧结初始烟气的NOX浓度为320mg/m3(10.67mol/m3),SO2浓度为800mg/m3(12.5mol/m3),含尘量为50mg/m3,烟气量为110万m3/h;脱硝后的烟气NOX浓度为270mg/m3(9mol/m3,***排放标准为300mg/m3)。

3.2臭氧脱硝原理

脱硝化学反应式如下:

O3+NO=NO2+O2

O2+2NO2=2NO3

NO2+NO3=N2O5

N2O5+H2O=2HNO3

在脱硝过程中,臭氧与NO发生等摩尔反应。

另外当烟气中含有SO2,还会发生如下的反应:

O3+SO2=SO3+O2(在无催化剂情况下,臭氧脱除SO2效率较低)

3.3臭氧量的选择

初始烟气中的NOX摩尔浓度为:10.67mol/m3,SO2摩尔浓度为:12.5mol/m3,脱硝后的烟气的NOX摩尔浓度为:9mol/m3,所消耗的臭氧量为3.5mol/m3。实际需要的脱硝效率为:(10.67-9)/10.67=15.6%3.3.1烟气反应时间的影响通常吸收塔内的烟气流速为3~4m/s,臭氧的有效流动距离约为20~30m,因此臭氧在烟气中的停留时间约为:6~10s,取停留时间为8s。根据实验,臭氧脱硝效率约为65%,如图1所示。

仅考虑反应时间,则理论上所需的相对臭氧浓度为:15.6%/65%=24%;所需的臭氧浓度为:24%×10.67×48=122.3(mg/m3)。

3.3.2吸收液温度的影响

通常吸收液温度在50~70℃之间,取温度为55℃。在实验过程中,室温时臭氧对NOX的脱除效率为58.2%,在60℃时为28.8%。如图2所示,在55℃时,脱除效率为35%。

仅考虑吸收液温度,则理论上所需的相对臭氧浓度为:15.6%/35%=44.5%;所需的臭氧浓度为:44.5%×10.67×48=227.9(mg/m3)。

3.3.3臭氧浓度的影响

选取臭氧与NOX摩尔浓度之比为:mO3/mNO=0.45,根据图3实验值,脱硝效率约为35%。

仅考虑臭氧浓度对脱硝效率影响,则理论上所需的相对臭氧浓度为:15.6%/35%=44.5%;

当mO3/mNO=0.45,臭氧浓度为:0.45×10.67×48=230(mg/m3);

理论上所需的臭氧浓度为:44.5%×10.67×48=227.9(mg/m3);

因此仅考虑臭氧浓度的影响,则所需的臭氧浓度应选为230mg/m3。

综合以上各种因素考虑,并取保险系数为1.1,

则臭氧浓度应选为:230×1.1=253(mg/m3)。

3.3.4烟气中SO2的影响

在没有催化剂的情况下,臭氧对SO2的脱除效率约为30%(温度对脱硫影响小,不考虑温度影响),因此烟气中SO2消耗的臭氧量为:

10.67×0.3×(10.67/12.5)×48=131(mg/m3)

由于131+(320-270)=181(mg/m3)<253(mg/m3),因此在本设计系统中,可以不考虑烟气中的SO2对脱硝效率的影响。

3.3.5综合选择

在目前已运行的臭氧脱硝系统中,脱硝效率大约在35%~50%之间,这是由于实际运行过程中,臭氧脱硝的机理更复杂,臭氧浓度、吸收液温度、反应时间及吸收液浓度等相互都有影响。参考实际已投运的设施,臭氧发生量选择为253×110×10000/1000000=278(kg/h)因此可选择2台150kg/h或3台100kg/h臭氧机,建议选用3台100kg/h臭氧机。

3.4臭氧氧化工艺流程

臭氧氧化工艺流程如图4所示。

3.5臭氧脱硝的主要设备

臭氧脱硝工艺所需的主要设备如表1所示。

4结束语

(1)臭氧脱硝装置设备简单,运行及维护简便,投资费用低于活性炭法和SCR法。

(2)臭氧脱硝法适用于湿法脱硫系统,利用脱硫塔作为吸收塔,脱硫液作为吸收液;烟气中的NOX经臭氧氧化后,通过吸收液吸收生成硝酸盐外排。

对于干法或半干法脱硫系统,则需增加吸收塔,用于吸收臭氧氧化后的NO2,NO3,N2O5等气体,生成硝酸盐;因此投资及运行费用均较湿法为高。

(3)在脱硝量需求较小时(脱硝效率小于40%时),臭氧脱硝工艺运行费用低于活性炭法和SCR法。

(4)硝酸盐的溶解度远高于硫酸盐,很难通过结晶和沉淀来去除溶液中的硝酸盐离子,为了保证脱硝效率及降低系统腐蚀性,需外排一部分水,用来降低溶液中的硝酸盐浓度。

原标题:烧结烟气臭氧脱硝工艺设计


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