再生鉛富氧側吹熔煉SNCR 干法脫硝工藝實踐

薛松成

（山西恒巨環?？萍加邢薰?，山西 運城 043200）

1 再生鉛富氧側吹熔煉技術介紹

富氧側吹熔煉技術是利用熔池熔煉原理，通過浸沒底吹氧氣的強烈攪動，使硫化物精礦、未脫硫鉛膏與熔劑等原料在反應器（熔煉爐）的熔池中充分攪動，迅速熔化、氧化、交互反應和還原，生成粗鉛的熔煉技術。該技術優勢在于：① 側吹爐采用豎爐結構，占地面積小，綜合能耗低。② 根據生產需要，可用一臺爐或兩臺爐串聯，實現鉛泥的間斷還原或連續還原?？煽刂七€原深度，實現金屬鉛在爐渣中的含量達到 1 % 以下。爐渣不溶于水，可達一般固廢標準，易于處理。③ 固定在側墻上的水冷風口結構簡單，造價低廉。開風、停風快捷方便。工作時無需更換風口。風口壽命長達數年。同時，風口可配置天然氣或煤氣燃燒裝備。④ 從側吹爐兩側鼓入熔融渣層的富氧空氣或工業氧保證了熔體的強烈鼓泡攪拌。攪拌功率達 40～100 kW/m3。在此種情況下，液、固、氣反應極快。而且，在飽和度不大的條件下，新相生成并加速生長?？繄F聚（碰撞）作用爐渣中的金屬長成 0.5～5 mm 的液滴，能迅速地下沉，與爐渣分離。⑤ 側吹爐的爐身由銅質水套圍成矩形，靠銅水套工作面上形成的冷凝爐渣層來抵御爐渣的沖刷和腐蝕，其使用壽命在 5 a 以上。盡管銅水套比用耐火磚襯里的熱損量大，但是冶煉單位能耗仍可維持在較低的水平。因為高爐床能力和高氧鼓風使得煙氣體積大大減少，從而使煙氣帶走的熱量大大降低。⑥ 側吹爐的鼓風工作壓力較低。⑦ 由于采用富氧技術，氧化熔煉可產出高濃度含 SO2的煙氣。⑧ 如果粒煤作為還原劑和燃料，比天然氣作為燃料，反應更順暢，成本更低。因此，富氧側吹熔煉技術是國家在鉛冶煉和再生鉛冶煉領域大力推廣的最佳實踐技術之一[1]。

2 再生鉛富氧側吹熔煉煙氣治理采用脫硝技術的背景

2019 年國家出臺了《重污染天氣應急減排措施技術指南 再生銅、鋁、鉛、鋅行業》[2]，在污染防治技術條款中明確了再生鉛火法冶煉應采用先進的脫硝工藝（純氧燃燒工藝除外）。在環境管理水平條款中要求：具有廢氣污染治理設施運行管理信息（除塵濾料更換量和時間、脫硫及脫硝劑添加量和時間、含煙氣量和污染物出口濃度的月度 D C S曲線圖等）；再生鉛火法熔煉煙氣治理必須采用先進的脫硝技術，以達到《再生銅、鋁、鉛、鋅工業污染物排放標準》（GB 31574—2015）的要求[3]。

再生鉛富氧側吹熔煉煙氣的特點在于：① 隨投料量變化，煙道內的煙溫會有 0～150 ℃的上下波動；② 隨鍋爐運行時間的增加，同樣點位煙氣溫度會逐漸升高 0～150 ℃；③ 由于熔煉爐運行一段時間后煙道壁會有積灰和結焦，管束的換熱效果會變差，導致點位溫度會逐漸上升（與前期運行情況對比）；④ 由于廢舊電池原料來源有差異，含水量等成分就會有所不同，因此即使投料量相同，相同點位的煙溫也會受到較大影響；⑤ 整個系統負壓（除塵積灰、管道灰沉積）及系統漏風率的變化，會導致煙氣流速發生變化，所以同樣點位煙溫也會有變化。再生鉛富氧側吹熔煉煙氣的這些特點會導致采用選擇性催化還原（簡稱 SCR）脫硝的效果較差，成本較高，SCR 脫硝劑失活嚴重等問題。因此，在中國再生鉛熔煉煙氣脫硝主要采用高溫脫硝和濕式氧化脫硝工藝。

3 再生鉛富氧側吹熔煉煙氣脫硝工藝介紹

3.1 氧化法脫硝工藝

煙氣氧化法脫硝的原理是用 O3、NaClO、H2O2等氧化劑將 NO 氧化成 NO2，再用水或堿性溶液吸收生成的高價態氮氧化物，從而實現脫硝。再生鉛富氧側吹熔煉煙氣氧化法脫硝工藝主要有 O3氧化法與 H2O2氧化法（二者原理基本相似）。氧化法脫硝工藝原則流程如圖1所示。

臭氧氧化還原脫硝系統包括 7 部分，分別為：臭氧發生器系統、臭氧噴射格柵、液相還原劑存儲及輸送系統、脫硝吸收還原系統、尾吸電除霧、直排煙囪、電氣控制系統。臭氧氧化還原脫硝工藝流程參見圖2。經脫硫處理后的含 NOx煙氣先進入臭氧噴射格柵。在催化劑噴射格柵，煙氣中的 NO 被臭氧氧化生成高價態 NxOx，然后依次進入脫硝一級吸收塔和二級還原塔。一級吸收塔為煙氣調質塔，二級還原塔為還原反應塔，兩級塔均為高效旋流板塔結構。在煙氣通過塔底部的渦旋氣體分布器的時候，由于受到流道的限制，煙氣的流向和流速發生變化。煙氣由原來的垂直流動變為水平旋轉流動。由于流通截面積大大縮小，煙氣流速急劇增大，從原來的每秒幾米增大到每秒幾十米。動壓頭大大增加。同時，煙氣在渦輪葉片的作用下，被分割成幾十股高速旋轉流動的氣流。當遇到還原液循環泵經噴淋層輸送來的還原循環液時，這些氣流迅速將液相分散打碎，并充分混合，形成強力氣動攪拌。氣、液兩相形成泡沫層，使氣、液兩相的比表面積增至最大。在泡沫層中氣、液兩相進行非常徹底和快速的傳質。煙氣中 NxOx和二級還原塔循環液中的還原劑充分反應，生成 N2后達標排放。同時，少量的 NO2和循環母液中的 NaOH 反應，生成 NaNO3及 NaNO2，大大提高了脫硝效率。脫硝還原副反應生成的 Na2SO4、NaNO3和 NaNO2溶液回到還原吸收塔循環槽，等達到一定濃度之后，再通過噴淋支管輸送到廢水處理系統。

圖2 臭氧氧化還原脫硝工藝流程圖

液相還原劑的輸送和循環如下：① 還原劑通過卸車泵輸送到還原劑存儲系統；② 還原劑存儲系統中的還原劑通過計量泵經過流量計的控制按需補充到吸收噴淋管道中，和吸收循環液混合，然后經過噴淋層和尾氣中經臭氧催化氧化形成的 NxOx充分反應，以完成整個脫硝流程。

3.2 SNCR 高溫干法脫硝工藝

選擇性非催化還原（簡稱 SNCR）高溫干法脫硝工藝利用計算流體力學（簡稱 CFD）和化學動力學模型（簡稱 C K M），將虛擬現實設計技術與側吹熔煉爐爐膛尺寸、原料類型、煙氣成分、鍋爐負荷、燃燒方式、過?？諝?、NOx初始濃度、煙氣溫度分布、爐膛煙氣流速分布等實際情況等相結合。該技術是采用 SNCR 輸送系統將 SNCR-JYB02 脫氮激活劑（全干態，用料級配是不大于 200 目的粉體/1～2 mm 的顆粒）用噴槍，噴入煙道溫度在 750～920 ℃的區域。噴槍分兩層布置在熔煉爐直升煙道/輻射室內，可形成較好的湍流效應。脫氮劑被高溫激活氣化后（0.8～1.2 s），與煙氣中的 NOx發生還原反應，還原成 N2、H2O 和少量 CO2。由于沒有任何對鍋爐和人體危害性的成分產生，NOx排放指標要求得以實現。SNCR 高溫干法脫硝系統優、缺點匯總在表1 和表2 中。

表1 SNCR 高溫干法脫硝系統的優點

表2 SNCR 高溫干法脫硝系統的缺點

4 SNCR 高溫干法脫硝實踐

4.1 SNCR 干法脫硫系統

4.1.1 SNCR 脫氮激活劑

SNCR 脫氮激活劑在 750～920 ℃的高溫下迅速被激活氣化，瞬間與 NOx反應，熔煉成 N2、H2O和 CO2，從源頭減少 NOx量級。SNCR 脫氮激活劑是由 NnHxOy、NnOxCy、緩釋劑、活化劑、催化劑、各種氨基成分等在不同溫度工況下，經過精密設備智能配比均勻捏合形成的全干態粉狀顆粒，具有很好的霧化效果。通過 PLC 自動化控制系統調節脫氮激活劑量，能迅速降低 NOx排放濃度，使脫硝效率達到 50 % 以上（設備越多，效率越高，但應根據客戶的環保要求而定）。SNCR 脫氮激活劑沒有二次污染物產生，不會腐蝕鍋爐壁、煙道，對鍋爐結焦結灰有抑制作用，而且對人體沒有危害。

4.1.2 SNCR 脫硝主機系統

SNCR 脫硝系統配置有專用噴射和輸送設備系統，能實現氣、粒兩相流的持續穩定輸送。耐磨陶瓷彎頭可經受 SNCR 脫氮激活劑的粉體/顆粒磨蝕。在煙道適溫區選擇合適位置開 6～8 個直徑 30 mm 的圓孔，確保脫氮激活劑噴射進煙道，實現全覆蓋無死角。以下對圖3 中 SNCR 脫硝系統進行詳細介紹：

圖3 SNCR 系統現場布置示意圖

吸料儲存系統：它是提供固體干粉/顆粒設計的持續循環裝置。對于進入計量模塊的脫氮激活劑，采用了持續循環吸料設計，確保原料源源不斷的供應、拱破碎。吸料系統采用負壓吸料，可根據料倉料量調節吸料量。吸料能力為 60～500 kg/h。

下料輸送系統：每套脫硝系統配置 1 個獨立的錐形底立式料倉。儲罐容積可滿足 6～9 h 工作用料量。儲罐配備流化裝置，以防止 SNCR 脫氮激活劑結塊、堵塞。料倉出口連接可定量的變頻輸送裝置。物料輸送量為 10～100 kg/h（可調節）。水平輸送距離為 50 m，垂直高度為 30 m。

管道噴射系統：管道噴射系統安裝在鍋爐的直升煙道/輻射室。每支噴槍都具有各自的位置，及適宜的長度和特性，以保證達到減排 NOx所需的流量和壓力。分配器與噴槍采用活動聯接，便于不停爐或停爐時檢查更換。每臺設備可控制 4 支噴槍，且 2 臺設備錯位布置，即布置 8 支槍對面噴射。噴槍外徑 30 mm，內壁直徑 25 mm。

控制系統：噴射區裝置均為獨立控制，可為每支工作中的噴射槍提供與 NOx需要處置量匹配的干態料量。計量裝置提供 SNCR 脫氮激活劑的流量控制，以適當的壓力和流速將脫氮激活劑噴入煙道的設計反應區域。

動力系統：每臺設備總功率為 20 kW·h（羅茨風機 15 kW，下料電機 1.5 kW)。配電電壓為 380 V/220 V。2 臺設備正常工作時的運行負荷為 35 kW·h。

場地布置：SNCR 脫硝系統中占地面積最大的是氣力輸送設備。所以，建設原則是，SNCR 脫硝系統宜靠近熔煉爐，且越近越好。

4.2 SNCR 高溫干法脫硝的應用案例

在表3 所列的應用案例中，平均脫硝效率均大于 80 %，氮氧化物排放濃度也都滿足《再生銅、鋁、鉛、鋅工業污染物排放標準》（G B 31574—2015）的要求[3]。安徽某再生鉛企業年產 10 萬t鉛，采用破碎分選－富氧側吹熔煉工藝，于 2019年采用 SNCR 高溫干法脫硝技術?，F場照片如圖4所示。SNCR 高溫干法脫硝系統滿足當前工況下的使用要求，可以實現連續運行。收集該企業 9月份 7 d 內的運行數據，并對脫硝效率數據進行計算（見圖5）。在調試期間氧化爐的氮氧化物含量平均在 400 mg/m3，脫硝后氮氧化物含量平均為 71 mg/m3，平均效率為 82.50 %。高溫脫硝系統完全滿足富氧側吹爐爐況、產量、溫度的變化。

表3 應用案例一覽表

圖4 安徽某案例應用現場照片

5 結束語

本文中，筆者系統介紹了再生鉛富氧側吹熔煉爐各種市場應用的主要脫硝技術，并且著重介紹了 SNCR 高溫脫硝系統。實踐應用證明，SNCR 高溫脫硝系統運行穩定，可適應再生鉛熔煉煙氣的氣量不穩定，成分也不穩定的特性。采用 SNCR 高溫脫硝系統，不僅脫硝效率高，而且運行成本低。并且，可根據甲方排放指標要求，靈活地調整脫氮激活劑用量，以達到成本效益最大化。