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摘要：为实现铁矿烧结烟气SO2和NOx协同减排，采用氨法联合活性炭对烧结烟气进行协同脱硫脱硝研究。结果表明，在经氨法预先脱除SO2后，仅凭活性炭单级吸附就能获得70%以上的脱硝率。氨法联合活性炭法脱硝的机理是由于逃逸的NH3与活性炭表面的C-OH官能团结构发生化学吸附反应，最终生成了N2和H2O。针对目前已有氨法脱硫装置的烧结厂而言，只需在脱硫喷淋塔后直接连接单级活性炭吸附塔，即可达到99%以上的脱硫率和70%以上的脱硝率，不仅可大幅降低设备投资成本，还可解决氨的逃逸和二次环境污染的问题。
关键词：铁矿烧结；烟气；氨法；活性炭；脱硫脱硝
1前言
钢铁工业是重要的基础产业，对经济建设的发展发挥着巨大的作用。但是，中国钢铁工业至今仍是高污染工业。钢铁行业废气中二氧化硫排放量占全国的9.8%左右，氮氧化物排放量占全国的10%左右。烧结生产工序的烟气是钢铁工业产生SO2和NOx的最大环节，其排放的SO2和NOx分别占钢铁工业总排放量的60%和50%以上，烧结烟气已成为中国社会环境保护治理的重点。
2钢铁厂脱硫脱硝工艺选择
氨法脱硫工艺在中国钢铁企业烧结烟气脱硫中应用较广泛，该工艺具有较高的脱硫率。但该工艺存在氨逃逸和吸收塔周边产生气溶胶污染的问题，并且在较高的烟气温度、较高SO2及NO质量分数的烟气条件下，难以满足更高的烟气脱硫脱硝效率的要求。活性炭法是国内在烧结尾气同时脱硫脱硝上获得应用且效率较高，在单级吸附的前提下，脱硫率大于98%，脱硝效率也能达到35%～50%。但该工艺脱硝过程中需要氨的参与，要求限制烟气温度不超过120℃，并且需要两级吸附才能确保80%以上的烟气脱硝率，因而整体投资偏高，制约了其大规模的推广应用。利用氨法高效脱硫的能力，首先脱除烟气中绝大部分的SO2，释放活性炭本来用于吸附SO2的孔容和官能团，同时利用氨法不可避免产生的逃逸氨，在无需外加氨源的前提下，强化活性炭法的脱硝能力。此外，高温烟气经氨法处理后，烟气温度完全能满足活性炭法对烟气温度的要求，可以避免活性炭的局部烧损、微孔结构改变等现象和活性炭吸附容量下降，延长活性炭的使用周期；同时也可以避免现有活性炭法必须对大烟道风温采取兑冷风的控温措施，减少对烧结工艺本身的影响。
因此，本文开展氨法结合活性炭单级吸附的烧结烟气联合脱硫脱硝技术研究，考查该联合工艺的脱硫脱硝效率，揭示两者的协同耦合效应，为目前采用氨法脱硫工艺的钢铁企业选择适宜的脱硝工艺提供理论指导和技术参考。
3原料及研究方法
3.1试验原料
本研究是在实验室配气系统中进行配气，模拟国内某钢铁公司烧结厂烧结烟气性质，其中模拟烧结烟气的成分为NO、SO2、N2、O2，所需的主要试剂及气体见表1。试验所用活性炭其理化性能见表2。
表1试验试剂
表2试验用活性炭性能
3.2试验器材
试验中采用烟气分析仪对烟气中各组分的质量分数进行检测，pH计主要用于测定吸收液的pH值，磁力驱动泵用于喷淋塔中吸收液的循环输送，雾化器用于将添加剂喷入到烟气中，气体流量计和减压阀用于模拟烧结烟气的配制，液体流量计用于调节吸收液的喷淋量。
3.3试验方法
分别考察单一活性炭体系以及氨法-活性炭法联合体系的脱硫脱硝。单一活性炭脱硫脱硝试验系统主要由模拟烟气系统、活性炭吸附系统和烟气检测系统3部分构成。氨法联合活性炭法体系试验系统则由模拟烟气系统、烟气氧化系统、喷淋塔、活性炭吸附塔和烟气检测系统5部分构成，该试验系统是在预氧化强化氨法同时脱硫脱硝试验系统的基础上增加了活性炭吸附装置。模拟烟气系统由配气装置和气体加热装置组成。烟气检测系统主要装置为烟气分析仪，用于检测模拟烧结烟气中各组分的质量浓度。尾气吸收瓶主要用于吸收反应后烟气中残余的NO和SO2。
单一活性炭脱硫脱硝试验时，先将活性炭装入吸附塔中，吸附塔为圆柱体，内径尺寸为ϕ74mm，在烟气流量一定的前提下，通过调整活性炭装入高度来调整空速（单位时间单位体积催化剂处理的气体量）。本文中采用体积空速，其值为烟气体积流量（20℃，m3/h）、活性炭体积（m3），可简化为h-1，反映的是物料在催化剂床层的停留时间。空速越大，停留时间越短，反应深度降低，装置处理能力越大；空速越小，停留时间越长，反应深度增高，但处理量减小。在确定相应空速后，再打开气体钢瓶减压阀进行模拟烧结烟气配气，经标定后的烟气通过加热炉（型号HX-1000）加热后进入活性炭吸附塔，烟气温度为140℃，对烟气流速为0.36m/s，烟气与活性炭发生吸收脱除反应。烟气经活性炭脱硫脱硝反应前后的各组分浓度进行在线测定。烟气中各组分的质量浓度为待活性炭吸附脱除反应趋于稳定后5min内的平均浓度。
4氨法联合活性炭法脱硫脱硝机理
经氨法脱硫脱硝处理后，烟气中的SO2主要以SO32－和SO42－的形式被脱除，而NO则以N2和NO3－的形式脱除，只是在氧化烟气强化氨法同时脱硫脱硝工艺中NOx被吸收液中的亚硫酸铵还原为N2而脱除的比例下降。对于氨法联合活性炭法，由于绝大部分的SO2能在氨法处理中脱除，部分NO也能按照上述氨法的脱硝机制而脱除掉，残余的NOx被强化脱除主要是依靠活性炭的脱硝机制。活性炭具有较大的比表面积和发达的孔结构，且表面含有丰富的多元含氧官能团，既可以作为优良的吸附剂，又可以作为催化剂和催化剂载体。活性炭通过物理和化学吸附对进行吸附，气体吸附在活性炭上的过程如图3所示。活性炭脱硫主要以传统的微孔吸附原理为基础，在实际工况中是化学吸附为主，物理吸附为辅；因此，当氨法没有脱除干净的SOx吸附于活性炭表面时，与烟气中水和氧气反应最终生成H2SO4。
图1气体吸附质在活性炭吸附剂上的吸附过程
氨法联合活性炭法脱硝的机制是由于无需在活性炭吸附塔中进行脱硫，释放了更多的吸附容量，强化了活性炭对NH3与NOx的吸附，使逃逸的NH3与活性炭表面的C－OH官能团结构发生化学吸附反应，形成了C＝O•••NH4中间产物，其中C－OH结构可能为酚类或羧酸类物质中的酸性含氧官能团；使未被氨法脱除的NOx与活性炭表面的C＝O结构发生反应，形成了C－O•••N－O中间产物，C＝O结构可能为O＝C－O或酮类物质中的碱性含氧官能团；两种物质吸附后形成的中间产物在活性炭的活性中心相互反应而产生耦合效应，强化了活性炭法的脱硝效果，最终生成了N2和H2O，从而实现了无污染且高效的联合脱硝。
结束语
国内钢铁企业的烧结烟气脱硝尚处于起步阶段，可供参考的成功案例并不丰富。针对烧结烟气的自身特点，目前主流的烧结烟气脱硝技术均具有各自的技术优势，但同时也存在不完善、不成熟的特点。氨法联合活性炭法的脱硝效果均优于单一活性炭法单级吸附的效果，效果良好。
参考文献：
[1]樊彦玲郑鹏辉汪蓓等.钢铁厂烧结烟气脱硫脱硝技术探[J].化工设计通讯，2017（08）
[2]史夏逸董艳苹崔岩.烧结烟气脱硝技术分析及比较[J].中国冶金，2017（08）