摘 要：活性炭脱硫脱硝系统可同步脱除烧结烟气中的SO2、NOx、颗粒物、重金属等多种污染物，目前在烧结烟气治理过程中得到广泛应用。由于系统对颗粒物脱除率比较低，在脱除颗粒物时，入口颗粒物浓度和活性炭本身特性及工艺操作均会对颗粒物排放产生较大影响。当入口颗粒物偏高时，将会造成出口颗粒物偏高；活性炭脱硫脱硝系统和烧结工艺参数的变化也会对颗粒物的排放产生重要影响。通过长期的生产实践，对颗粒物排放特性进行分析，找到影响颗粒物排放的因素及控制方法。
关键词活性炭 脱硫脱硝 颗粒物排放 生产实践
前言
随着国家环保标准的提高，活性炭脱硫脱硝以其对烧结烟气中SO2、NOx、颗粒物、重金属、二噁英等的协同处理得到大面积推广应用。但由于活性炭对颗粒物的脱除能力有限再加上自身在吸附塔内破碎、摩擦等产生颗粒物，造成了该工艺在颗粒物的排放控制上存在瓶颈。如何降低颗粒物排放，甚至是达到超低排放成为目前技术攻关的主要方向。
1 活性炭脱除颗粒物机理及特性
活性炭移动层的除尘原理与普通的过滤除尘相同，通过冲撞，遮挡以及扩散捕捉效果进行除尘。经电除尘器过滤后的烧结烟气中含有的微小颗粒物主要通过惯性碰撞、拦截、扩散沉降等方式在活性炭孔洞、凹陷区域、表面等沉积。通常，直径1μm以上的粒子可通过冲撞效果进行捕捉。而不到1μm的粒子要通过遮挡和扩散捕捉效果进行捕捉。[1]
活性炭脱硫脱硝系统随烟气排出的颗粒物大致可以分为两类，一类是由烧结烟气带入后经活性炭吸附脱除后逃逸的颗粒物，另一类是活性炭自身在运转、碰撞、摩擦等产生的。通过对排放颗粒物进行成分分析，活性炭自身产生的颗粒物约占颗粒物总排放的18%～40%。基于活性炭脱硫脱硝工艺对烧结烟气中颗粒物脱除原理以及自身产生颗粒物的特性，为降低脱硫脱硝系统出口颗粒物浓度排放，需要从两方面入手：1）降低入口颗粒物浓度；2）减少活性炭自身产生的颗粒物。
2 入口颗粒物浓度对颗粒物排放的影响
2.1 烧结过程对入口颗粒物的影响
合适的烧结生产参数既是保证烧结矿产质量的关键，也是减少烧结生产污染物排放的主要参数。当烧结生产过程参数匹配时，烧结燃烧速度和传热速度一致，此时燃烧带温度将会达到最高，燃烧带变窄，部分难熔的烧结料将会粘结在一块，烧结烟气中的颗粒物浓度也会降低。当烧结参数出现波动时，将会导致垂直烧结速度、烧结风量等的波动，造成颗粒物排放升高。
2.2 颗粒物吸附饱和理论
2.2.1 定义
活性炭吸附颗粒物饱和值是指烟气达标排放时活性炭吸附（脱除）颗粒物的最大值。
值得说明的是颗粒物吸附饱和值与烟气在吸附塔内通过的流速呈负相关关系。如果用在某流速下颗粒物实现达标排放的持续时间（t）来表示活性炭对颗粒物吸附的饱和值（t饱和），其与流速（v）之间的关系如下：
t饱和=k/v
其中k是比例系数，t饱和的最小值tmix≥d/v(d为活性炭床层厚度）。
也就是说活性炭对颗粒物吸附（脱除）的饱和值是相对于不同的烟气流速而说的，烟气流速越高，该饱和值越小。
2.2.2 入口颗粒物浓度严重偏高情况
当入口颗粒物浓度高于某一数值时，颗粒物随着烟气在通过活性炭床层时虽然大部分被拦截脱除，但仍有部分颗粒物随烟气直接排出，并致使出口数据超过排放限值。因此我们在实际生产中应对入口颗粒物严格管控，确保入口数据不超过此值，否则颗粒物将无法控制。
2.2.3 入口颗粒物浓度长期偏高情况
当入口颗粒物浓度未达到上述的限值，但仍处于偏高状态时，颗粒物排放在短时间不会超标，但如果长期保持这一状态，排放数据会逐渐升高并最终会超出排放限值。而颗粒物在某一数值持续保持时间与颗粒物浓度呈反比关系，颗粒物浓度越高，实现达标排放的持续时间越短。
2.2.4 颗粒物排放的滞后性
颗粒物排放的滞后性是指当入口颗粒物浓度持续偏高一段时间然后明显降低，在入口偏高时间段内颗粒物排放并未超标，反而在浓度降低后出现排放超标的情况（如图1、图2所示）。主要原因为烟气从吸附塔底部（或一侧）进入，最先接触烟气的活性炭吸附的颗粒物最多，在排料过程中，部分附着在活性炭表面的颗粒物与活性炭脱离并随烟气在活性炭层中多次出现吸附、脱离再吸附再脱离，最终有部分颗粒物随烟气排出，造成出口颗粒物超标排放。
3 脱硫脱硝系统对颗粒物排放的影响
3.1 活性炭自身产生颗粒物的原因及影响因素
活性炭在物料循环过程中，由于活性炭与活性炭之间的物理摩擦、挤压、物料循环路径上的磨损等因素。再加上活性炭在脱硫脱硝过程中C元素参与化学反应进行消耗，导致活性炭的强度变差而加剧的物理磨损等。影响活性炭自身产生颗粒物的因素主要有以下几个方面：
3.1.1 活性炭物理性质
活性炭的物理性能有很多，例如水分、装填密度、粒度、耐压强度、耐磨强度等。其中粒度反映了新焦的破碎程度，耐磨耐压性能则主要表现在活性炭在转运、移动床内产生颗粒物的难以程度。如果耐磨耐压强度不合格，会导致在使用过程中由于不能承受料压和移动过程中的相互挤压，逐渐破碎。
3.1.2 活性炭物料输送的影响
在脱硫脱硝系统设计时，如果活性炭转运次数多、落差大、排料阀挤料、吸附塔下料不均匀等原因会造成活性炭破损严重。活性炭的破损必然导致活性炭自身产生的颗粒物数量增加，对颗粒物排放产生影响。为降低活性炭破损应采取如下措施：
1）吸附塔、解析塔采用均匀排料装置，保证活性炭排料均匀，防止活性炭在料压和移动的双重影响下造成活性炭挤压破碎；
2）减少物料循环系统的链斗机数量，降低倒运次数；
3）选择密封性好的卸料阀，减少卸料阀在卸料时由于阀芯和阀壳之间间隙大造成的挤料。
4）系统内各缓冲仓采取中高料位控制，减少活性炭进入缓冲仓的摔打破碎。
3.2 物料循环量的影响
要保持吸附塔对SO2、NOx、颗粒物及其他污染物的持续脱除，必须及时排出吸附塔内已饱和的活性炭，送到解析塔解析再生，从而恢复活性。因此活性炭的循环量是保持活性炭脱硫脱硝系统污染物排放的重要参数。
提高活性炭循环量不仅造成了活性炭消耗的增加，也会造成系统出口颗粒物排放的上升。其主要原因为随着炭循环量的增加，活性炭在吸附塔内的流动速度加大，活性炭之间相互摩擦、挤压、碰撞加剧，造成活性炭破损，由此产生的颗粒物会随着烟气排出，导致颗粒物升高。
由于活性炭对颗粒物的吸附存在饱和，当对颗粒物的脱除达到极限时就必须及时把活性炭排出，使新活性炭有继续脱除颗粒物的能力。因此，为保证系统颗粒物的稳定排放，必须保证活性炭的循环量。
但上文谈到，炭循环量增加会导致活性炭自身产生的颗粒物增加，两者之间存在一定矛盾。因此在控制出口颗粒物浓度上炭循环量存在一个平衡点，当入口颗粒物浓度较高时，必须适当增加炭循环量，使吸附在活性炭上的颗粒物尽快从系统中排出；当入口颗粒物浓度较低时，加大炭循环量活性炭自身产生的颗粒物增加，为降低颗粒物排放可适当降低炭循环量。
3.3 解析效果对颗粒物排放的影响
活性炭的解析效果不仅影响到活性炭对烟气中SO2、NOx的吸附和脱除，对系统颗粒物浓度的排放也起到至关重要的影响。通过活性炭对颗粒物的脱除原理可知，活性炭对颗粒物的吸附也是脱除颗粒物的主要方式之一。保证良好的解析效果，使吸附在活性炭微孔内化学物质和其他大分子物质析出，活性炭对颗粒物的吸附能力大大增加，系统对颗粒物的脱除能力将会提高。
图3为2018年8月-10月颗粒物排放数据趋势图。7月末到8月初由于解析塔上下旋转阀、富硫风机频繁故障、高炉煤气压力不足等一系列问题，活性炭解析效果变差，出口颗粒物持续升高。随着以上问题逐步解决，活性炭解析效果逐渐改善，颗粒物呈逐步稳定下降趋势。
4 其它因素对颗粒物排放的影响
4.1 烧结过烧对排放的影响
由于烧结生产波动造成烧结终点提前或滞后，当烧结终点提前时烧结矿在台车上冷却，烧结矿携带的显热进入烧结烟气，造成烟气温度升高。由于活性炭脱硫脱硝系统对入口烟气温度的苛刻性要求，在烟气温度偏高时必须适当兑入一定量的空气降温。此时会造成系统处理的烟气量增加，烟气量的波动将会导致烟气在吸附塔模块内的气流紊乱，导致颗粒物波动升高。
烧结过烧除了造成风量增大以外，烧结矿在台车上冷却会造成大量空气进入烟气中，再加上兑入的空气，将会造成进入吸附塔的氧含量迅速升高，在目前采取以16%为基准的氧含量进行折算时将会使折算值进一步升高，不利于颗粒物的达标排放。
4.2 烟气循环影响
烧结烟气循环是根据烧结风箱烟气排放特征（温度、含氧量、烟气量、污染物浓度等）的差异，在不影响烧结矿质量的前提下，选择高温段和低温段各四组风箱的烟气循环回烧结机台车面，用于热风烧结。该工艺既实现了热风烧结的目的，又确保了循环利用的烟气具有较高的O2含量。
烧结烟气循环的投用，在降低烧结燃料配比的同时，对降低烧结烟气污染物的排放起到显著作用，切实起到了节能减排的目标。另外，烟气循环系统对降低脱硫脱硝系统入口烟气风量、温度和氧含量起到显著效果，有利于脱硫脱硝系统超低排放的实现。
由于烟气循环系统烟道阀安装在风箱支管与大烟道连接的竖管上，需要定期开关放料，对进入脱硫脱硝系统的烟气量、烟气温度和氧含量均产生较大影响。脱硫脱硝系统被迫需要根据烧结烟气的变化进行适当调整，造成了进入吸附塔烟气波动。
4.3 脱硫脱硝系统进退模块的影响
稳定的烟气烟气流速是保持脱硫脱硝系统出口颗粒物稳定达标排放的关键。当脱硫脱硝系统部分模块因热点、检修等原因需要退出时，会造成进入其他模块的烟气量、烟气压力的迅速变化，从而造成颗粒物短时间内出现较大波动。如果模块退出后烟气流量、压力持续偏高，可能造成颗粒物长期偏高，并造成小时平均值超标。
5 结论
通过以上分析，我们得出如下结论：
1）吸附塔内烟气流速低有利于颗粒物实现超低排放，因此在设计时应考虑一定烟气余量；
2）合适的活性炭循环量是降低活性炭脱硫脱硝颗粒物排放的重要参数，偏大或偏小均不利于超低排放的实现；
3）活性炭的解析效果影响到颗粒物的脱除效果，因此应高度重视活性炭脱硫脱硝的解析效果；
4）烧结工艺操作对颗粒物排放也起到关键作用。
6 参考文献
[1]蒋剑春等.活性炭应用理论及技术[M].北京：化学工业出版社，2010:11-16.
文稿来源
申明强，阎占海，白仲彬.活性炭脱硫脱硝颗粒物排放生产实践[J].炼铁交流,2021,14(3):27-29.
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