1029国家高技术研究发展计划863计划实施方案论证.docx
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1029国家高技术研究发展计划863计划实施方案论证
玻璃/陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范
课题实施方案
玻璃/陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范课题由玻璃炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范和陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范两个子课题组成,具体实施方案如下。
1.课题目标和具体任务指标
1.1课题目标
针对我国玻璃/陶瓷窑炉烟气污染物的排放特性、生产工艺现状和污染物处理技术要求,在对国外先进的污染物控制技术系统研究的基础上,开发出具有自主知识产权的玻璃/陶瓷窑炉烟气SO2、NOx、氯化物、氟化物、铅等重金属多污染物协同控制关键技术,并实现技术的集成和工程示范,提高我国玻璃、陶瓷行业烟气污染物控制技术的市场竞争力,为我国玻璃、陶瓷窑炉环境管理提供有力的工程实践和科技支撑。
1.2具体任务指标
一、玻璃炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范
1)研究开发湿式氨法脱除SO2、NOx、HCl、HF综合控制和重金属污染物协同控制核心技术,开发副产物可资源化过程控制关键技术,实现技术耦合与集成开发,并建立玻璃窑炉多污染物协同控制技术示范。
2)建立玻璃窑炉烟气多污染物协同控制技术工艺包。
3)玻璃窑炉烟气多污染物协同控制和副产物分离成套设备。
4)申请国外专利1项,国家专利6-8项,发表学术文章8-12篇,培养科技骨干3-4名,培养研究生3-5名。
5)建立1个全烟气总处理量大于10万m3/h的玻璃炉窑烟气多污染物协同控制技术示范工程,累计稳定运行时间不少于2000小时。
脱硫效率>95%,脱硝效率>80%,脱除氯化物效率≥90%,脱除氟化物效率≥90%,脱除重金属效率≥80%,氨逃逸率<10mg/m3,达到最新相关标准要求。
二、陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范
1)研发出1种适合成品窑烟气湿法协同控制的新型复合吸收剂。
2)研发出1种适合喷雾塔烟气湿法协同控制的新型复合吸收剂。
3)研发出1套适合陶瓷烟气湿法协同控制的高效吸收设备。
4)形成具有自主知识产权的尿素/碱/添加剂为复合吸收剂的湿法陶瓷烟气多污染物协同控制成套技术与核心设备1套,建设示范工程并建立成套技术工艺包,为我国陶瓷行业烟气污染治理提供可靠技术支撑。
5)申请6~8项发明专利,发表学术文章10-15篇,培养科技骨干3-4名,培养研究生2-4名。
6)建立1-2个示范工程,总处理烟气量不小于100000m3/h,示范工程稳定运行2000小时,SO2去除效率≥95%,NOx去除效率≥50%,氟化物去除率≥90%,氯化物去除率≥90%,重金属去除率≥80%,排放浓度低于国家相关标准排放限值。
2.课题目标与项目目标的关联性分析
本项目的总体目标是:
针对钢铁、水泥、有色、玻璃、陶瓷等行业工业炉窑烟气颗粒物、SO2、NOx、氟化物、氯化物、重金属、二恶英等污染物排放量大、成份复杂的特点,研发多污染物控制核心催化剂和设备,建立满足国家排放标准和行业需求、具有自主知识产权的工业炉窑烟气多污染物控制技术体系,为工业炉窑烟气污染物控制提供技术支撑。
本课题的研究任务是开展玻璃/陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术研究并进行工业示范,建立玻璃/陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制成套技术工艺包,形成具有自主知识产权的成套技术与核心设备。
本课题任务是项目总体目标的重要组成内容,课题任务的顺利完成与否将直接影响到项目总体目标的实现。
3.主要研究内容及研究开发的重点
3.1主要研究内容
一、玻璃炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范
1)NO2制备系统与烟气条件耦合技术研究
探索利用氨水同时脱硫脱硝的NO2、NO的匹配条件,研究多污染物脱除效率的综合影响规律,研究不同烟气条件下NO2制备系统的最佳耦合参数,开发自适应NO2制备过程控制技术。
2)多污染物协同控制技术条件研究
通过分析烟气温度、喷射方式、喷射结构、喷淋量、氨水浓度、烟气流速等条件对NOx、SO2、HCl、HF、Pb和Cr等脱除效果的影响,研究湿式氨法同时脱除烟气多污染物的工艺条件,重点研究不同烟气成分、停留时间、气液比对SO2和NOx脱除效率的综合影响。
3)吸收塔内结构优化研究
建立MonteCarlo多分子化学反应动力学模型,研究气液传质与吸收过程控制,优化氨水喷入方式、喷射位置,提高氨水与烟气接触的几率。
建立k-ε双方程流体动力学与多相流模型,结合湍流扩散反应理论,分析烟气吸收过程中流场、温度场和氨水液滴的分布,优化吸收塔的结构。
通过实验测试结果与模拟分析结果进行对比,进一步修正数学模型。
4)副产物资源化关键技术研究
通过对玻璃窑炉烟气中Pb、Cr等重金属的反应机理及形态转化,以及相关塔内设备的研究与开发,突破硫酸铵、硝酸铵、卤类铵的析出以及与重金属的关键分离与回收技术。
5)玻璃窑炉烟气多污染物控制技术集成及工程示范
在以上研究的基础上,进行多污染物协同控制关键技术集成,实现系统优化和集成控制,建立玻璃窑炉多污染物协同控制工艺包,建立示范工程,形成成套化技术与装备,并进行技术评估,编写相关工程技术规范。
二、陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范
1)复合吸收剂制备
分别针对成品窑烟气和喷雾干燥塔烟气净化,研究出尿素/碱/添加剂高性能复合吸收剂。
复合吸收剂由尿素、碱和添加剂组成,以达到同时高效净化多种污染物的目的,关键是添加剂的配制、吸收剂各组分比例的确定等。
2)多污染物湿法协同控制关键技术
针对陶瓷烟气温度、污染物成分及浓度的特征,研究吸收剂与烟气中多污染物净化反应机理及工艺条件,包括吸收反应的特性、反应速率、主要化学反应方程、协同作用效果,烟气成分、浓度、吸收剂组成、浓度、吸收反应温度、气液比、停留时间、酸碱度等因素净化效果的影响规律等,形成SO2、NOx、氟化物、氯化物及重金属等多污染物湿法协同控制技术。
3)高效吸收设备开发
结合湿法烟气治理工程中普遍使用喷雾塔、水膜塔、湍流塔、旋流板塔等设备优点,优化气、液流态分布及设备结构,开发气液接触传质效果好、结构简单、防堵防垢、体积小、压降小吸收塔,形成SO2、NOx、氟化物、氯化物及重金属等多污染物协同控制高效吸收设备。
4)吸收尾液无害化处理关键技术与设备
研究吸收尾液处理方法、机理、重金属再释放特性、工艺条件及其相关系统适应性、固液分离方法和设备,形成吸收尾液无害化处理关键技术与设备。
5)多污染物协同控制技术示范工程及工艺包
建立处理总烟气量大于10万Nm3/h的示范工程,对包括吸收方法,尾液处理方法、配套设备、设施及电气自控等全套烟气净化系统优化集成,形成成套化技术与装备,建立陶瓷炉窑烟气多污染物湿法协同控制技术工艺包。
3.2研究开发的重点
一、玻璃炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范
1)玻璃窑炉烟气高浓度NOx高效联合去除:
根据烟气NOx成份的变化,开发NO2与NO的自适应匹配技术,使NO2制备系统自适应调节到最佳NO/NO2摩尔比,形成针对玻璃窑炉烟气高浓度NOx高效去除的关键技术和成套设备。
2)副产物无重金属资源化:
通过Pb和Cr等重金属的反应机理及形态转化,以及相关塔内设备的研究与开发,使Pb和Cr等重金属进入底泥,研究开发副产物中硫酸铵、硝酸铵、卤类铵和重金属的分离技术,形成有自主产权的重金属分离的副产物资源化技术和设备。
二、陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范
1)复合吸收剂的研发,关键在添加剂的筛选配制和吸收剂组成配比的确定。
既要保证复合吸收剂对烟气多污染物高效净化,又要求复合吸收剂运输、存储及使用安全方便、价格低廉且无二次污染。
2)工艺条件控制,要求保证烟气SO2、NOx、氟化物、氯化物、重金属(铅、镉、镍)等多达7类污染物同时高效地得到净化。
3)高效吸收设备的研发,吸收设备是整个处理系统的核心装置,要求气液接触传质效果好,同时结构简单、体积小、防堵塞、压降小等。
4)吸收尾液无害化处理,关键在重金属、氟化物、氯化物的形态分析,重金属、氟化物处理剂及最佳协同处理工艺条件的确定。
5)全套烟气净化系统设计,难点在于方法、设备及设施等系统的优化集成、自动控制系统保证高度的实时性。
4.主要技术路线
一、玻璃炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范
主要技术路线
在进行调研分析和初步实验的基础上,本课题对玻璃窑炉烟气将选用氨法吸收多污染物协同控制的工艺流程,如图1所示。
图1玻璃窑炉烟气多污染物协同控制工艺流程简图
工艺流程说明:
通过NO2发生系统以液氨和空气为原料采用氨氧化法制取NO2气体,玻璃窑烟气经除尘器除尘后进入烟道内,同时将NO2气体按一定比例补入烟道内与烟气混合,然后进入湿法反应塔。
在湿法反应塔内以氨水作为吸收剂,通过喷淋装置将氨水雾化喷淋将烟气中的SO2、NOx、HCl、HF和重金属等污染物脱除,随后烟气进入氨逃逸吸收单元,将烟气中混有的氨气捕捉下来,最后洁净的烟气进入烟囱排放。
。
由于向烟气中配比的NO2和NO反应生成可溶于碱液的N2O3,因而在吸收塔内通过氨水喷淋可将烟气中的NO去除,酸性污染物SO2、HCl和HF也可同时被碱液吸收脱除,同时由于NO2具有一定的氧化性,也可将烟气的Pb、Cr等重金属氧化为高阶的氧化物吸附在颗粒上在吸收塔内被喷淋的碱液吸收脱除。
在吸收塔内氨水分别与气体中的SO2和NOx反应生成亚硫酸铵、硝酸铵、氯铵和亚硝酸铵等副产物,通过氧化单元将其中的亚硝酸盐氧化为硝酸盐,再经过分离回收系统得到副产物成品硫酸铵、硝酸铵和氯铵。
根据上述工艺流程确定如图2所示的研发技术路线
图2玻璃窑炉烟气多污染物协同控制技术路线
研究方法
以课题组研发的燃煤烟气多污染物协同控制技术为基础,根据玻璃炉窑烟气污染物排放特点,开展小试、中试和示范工程研究。
首先在实验室研究采用1~2.5m3/h的模拟烟气进行技术工艺理论及机理研究;再在烟气量为3500m3/h的2t实验锅炉上进行中试实验研究验证和参数条件优化确定;进而在120000m3/h的玻璃窑炉上进行示范工程集成设计、建设、调试和优化;最后形成玻璃烟气多污染物协同控制成套技术装备及工艺包。
实验室小试研究
在实验室内建立1~2.5m3/h模拟烟气多污染物系统控制实验台,包括污染物配气系统、烟气加热装置和一个模拟可调式的吸收塔。
通过研究NO2添加量、添加方式、烟气温度、吸收塔中吸收液的喷射方式、喷射结构、喷淋量等参数对模拟玻璃窑炉烟气中SO2、NO等污染物去除率的影响,确定工艺流程中多污染物协同去除的反应机理特性及中试实验中关键设备的参数条件。
其中SO2、NO、NO2等污染组分采用TESTO340型便携式烟气分析仪在线实时测量。
中试实验研究
在2t实验锅炉上通过污染物的配比模拟玻璃窑炉烟气进行中试实验研究,建立中试用NO2制备系统、吸收塔和副产物回收系统。
通过研究NO2制备系统的自身性能包括氨气比、流量等和烟气中NO2添加量、添加方式等参数对SO2、NO等污染物去除的影响,确定NO2制备系统的最佳耦合参数,开发自适应NO2制备过程控制软件。
通过小试研究结果,结合采用多分子化学反应动力学模型对吸收塔类型对气液传质与吸收过程的分析,设计并建立中试用吸收塔;通过对吸收塔中吸收剂喷入方式、喷射位置等条件参数的实验研究,结合吸收塔多相流模型对湍流扩散反应理论分析,对吸收塔的结构参数进行优化;
通过综合研究烟气温度、烟气成分、停留时间、气液比等参数条件对NOx、SO2、HCl和重金属等污染物脱除效果的影响,确定烟气多污染物协同去除的工艺运行参数。
其中SO2、NO、NO2等污染组分采用TESTO340型便携式烟气分析仪在线实时测量,Pb等重金属按《GB/T16157-1996》标准进行采样后用ICP-AES715型等离子发射光谱仪进行测量分析。
通过研究副产物回收系统中亚硝酸盐氧化时间、氧化方式等参数的优化,确定副产物氧化系统工艺参数;通过研究硫酸铵、硝酸铵、卤类铵等副产物的析出温度、结晶温度、溶液固含量以及与Pb等重金属的分离条件,确定副产物回收系统的工艺运行参数。
其中液体中的重金属离子采用ICP-AES715型等离子发射光谱仪进行测量,硫酸根、硝酸根、亚硝酸根、硫酸根等离子采用ICS-3000离子色谱仪进行测量。
示范工程试验研究
选择福耀集团通辽有限公司中一台120000m3/h的玻璃窑炉进行工程示范研究,根据该窑炉的实际运行参数和烟气污染物成分特点,设计NO2制备系统、吸收塔、副产物回收系统和电器自控系统等关键设备参数。
在课题组的监督和指导下严格按照相关标准和设计图纸,开展相关设备制造和示范工程建设。
以课题组成员为主开展示范工程现场调试工作,并在此基础上进行优化试验,通过确定NO2制备系统与烟气的最佳耦合参数,建立自适应NO2制备过程控制系统;掌握烟气温度、喷射方式、喷射结构、喷淋量、吸收液浓度、气液比等条件对多污染物去除效率的影响和结晶温度、结晶时间等对副产物回收效率和品质的影响;对整套系统的工艺运行参数进行优化和确定。
对示范工程中的数据和运行经验进行总结,编写相关的运行手册和运行数据表,对运行过程中出现的问题进行反馈和优化;对示范工程进行长期稳定运行的考验,形成玻璃炉窑烟气多污染物协同控制技术技术装备工艺包,并进行技术评估,编写相关工程技术规范。
二、陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术研究与示范
主要技术路线
首先进行相关调研分析和初步实验,确定初步的成套技术工艺流程,如图3所示。
图3陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术工艺流程图
工艺流程说明:
烟气由底部进入吸收塔,与从塔顶喷淋而下的吸收剂在塔内逆流接触反应,烟气中的污染物通过扩散溶解、机械碰撞、物理截留等作用被吸收剂溶液捕获,进而与吸收剂发生吸收及化学反应,SO2被中和及氧化去除,NOx与吸收剂中的尿素发生氧化还原反应生成无害N2排放,同时,氟化物、氯化物、铅、镉、镍等重金属等在吸收液中通过中和、氧化及络合等作用被净化,净化后的烟气经烟囱排向大气。
通过复合吸收剂组成、浓度、反应温度、气液比、气体停留时间等工艺参数优化控制来提高污染物的去除效率。
尿素/碱/添加剂复合吸收剂在配药系统配制好后进入循环系统,在循环系统内连续循环,由循环水泵增压后由塔顶进入吸收塔,完成吸收后流向塔底进入循环池,循环池设计为双格,可连续排出饱和吸收液(尾液)。
尾液进入无害化处理系统,经过中和、混凝、沉淀、分离等过程,最后分离出的固体废渣作为固废处置,分离液进入企业的陶瓷废水处理系统处理达标排放。
根据上述工艺流程确定如图4所示的研发技术路线
图4陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制主要技术路线图
研究方法
以课题组湿法烟气同时脱硫脱硝成套技术为基础,结合陶瓷炉窑烟气污染物排放特点,以多污染物协同控制为目标,进行小试、中试和示范工程。
首先,进行理论研究与实验室模拟实验,实验室研究采用2~8m3/h模拟烟气和200m3/h实际燃烧烟气进行模拟实验;第二步:
中试试验研究验证与改进实验小试结果;第三步:
示范工程集成设计、建设、调试、优化;最后形成陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制成套技术装备及工艺包。
摸拟上述流程中吸收剂与废气在吸收塔中的净化过程进行小试研究,中试和工业试验直接采用上述工艺流程。
1)实验室研究方法
实验室研究采用模拟烟气和实际烟气两种烟气进行实验,采用动态吸收反应器,即吸收液与气体在小型吸收柱中逆向流动接触反应进行研究,对吸收尾液进行小试。
(1)复合吸收剂制备
在前期实验研究的基础上,结合本领域内最新研究成果,具体开发以尿素、碱、添加剂为主要成分的高效复合吸收剂,关键在添加剂的筛选确定,添加剂种类包括氧化型添加剂、络合型添加剂等。
在2~8m3/h模拟烟气实验台上,模拟实际陶瓷成品窑烟气和喷雾干燥塔烟气,以多污染物去除效率、添加剂经济性和安全性等因素为参比,筛选较佳的添加剂、吸收剂组成及优化配比,开发出分别适合成品窑烟气和喷雾干燥塔烟气控制的2类新型复合吸收剂。
(2)多污染物湿法协同控制技术工艺条件研究
采用2~8m3/h模拟烟气和200m3/h实际燃烧烟气,对多污染物湿法协同控制技术工艺条件开展研究。
主要研究烟气成分和浓度、吸收剂组成和浓度、吸收反应温度、气液比、停留时间、酸碱度等因素对净化效果的影响规律;研究吸收反应的特性、反应速率、主要化学反应方程、协同作用效果等吸收反应机理,确定较佳的吸收剂组成配比和工艺运行参数。
在200m3/h实际燃烧烟气上对上述工艺条件和吸收剂组成配比进行进一步的验证和优化,最终确定最佳的吸收剂组成配比和工艺运行参数。
CO2、CO、N2O、NO、NO2、O2和SO2等污染组分采用testo350XL型便携式烟气分析仪在线实时测量,而气相中的重金属Pb、Cd、Ni及其化合物按照《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T16157-1996)进行采用,随后按照国标方法进行分析。
(3)吸收尾液无害化处理关键技术研究
采用2~8m3/h模拟烟气和200m3/h实际燃烧烟气,开展吸收尾液无害化处理技术研究。
主要研究重金属、氟化物等有害离子的去除方法和条件,初步选择中和、混凝、沉淀的工艺开展研究,重点是药剂的选择和最佳协同反应条件的确定,同时开展相关处理设备系统选择或研制。
吸收尾液中的重金属离子采用等离子发射光谱仪进行测量,F-、Cl-、硫酸根、少量硝酸根等阴离子采用离子色谱仪进行测量或是相关国标方法测量。
(4)高效吸收设备开发
结合湿法烟气净化工程上普遍使用的喷雾塔、水膜塔、湍流塔、旋流板塔等设备优点,设计出高效吸收塔,选择吸收剂喷入方式、喷射位置,对吸收塔进行传质模拟,分析烟气吸收过程中流场和吸收液滴的分布,优化流态分布及设备结构,开发出高效吸收塔。
2)中试研究方法
在上述实验室研究的基础上,拟建设规模为1000~3000m3/h的陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术中试装置1套。
开展吸收塔设备及工艺系统设计、建设、安装和调试,并进行现场中试试验研究。
通过对多污染物去除效率、吸收塔压力降、运行稳定性、尾液重金属和氟化物去除效率及经济成本等进行综合评价,优化工艺条件和设备结构,为示范工程的设计、建设提供条件。
3)示范工程研究方法
(1)示范工程准备
确定示范工程建设点,示范工程选择在承担单位完成的湿法脱硫工程的老客户中建设。
建设点确定后,进行现场实地调查,确定示范工程建设场地规模和现场条件,最终得到示范工程设计所需的相关技术参数。
目前初步选定在广东金意陶陶瓷有限公司成品窑上进行,该公司佛山厂有四台成品窑,燃料为煤制气,烟气量合计10万m3/h,具体烟气组成为:
SO2为1000~1500mg/m3、NOx为600~800mg/m3、氟化物(以HF计)为5-60mg/m3、氯化物(以HCl计)为20-150mg/m3及重金属(铅、镉、镍)等。
(2)示范工程设计
设计依据为课题的主要技术、经济指标、相关标准、技术规范及业主提供的有关技术资料、地质基础资料及要求等。
对吸收方法、吸收设备、吸收剂储存配制系统、吸收液循环系统、尾液处理系统、电气自控系统等全套烟气净化系统进行优化集成设计。
(3)示范工程建设
在课题组的监督和指导下严格按照相关标准和设计图纸,开展相关设备制造和示范工程建设。
(4)示范工程调试及试验优化
以课题组成员为主开展示范工程现场调试工作,在调试过程中,借鉴现有湿法烟气净化系统的调试方法,摸索出一整套适合陶瓷炉窑烟气净化系统的调试方法。
在此基础上进行优化试验,掌握烟气温度、浓度、吸收剂组成配比、吸收反应温度、气液比、停留时间、酸碱度等因素对多污染物去除效率的影响,尾液处理药剂浓度、酸碱度等因素对重金属和氟化物等去除效率的影响等;对整套系统的工艺运行参数进行优化和确定。
(5)示范工程的总结与提高
对示范工程中的数据和运行经验进行总结,编写相关的运行手册和运行数据表,整理示范工程运行中的试验数据,对运行过程中出现的问题进行反馈和优化;示范工程进行长期稳定运行的考验,对不断完善工艺及关键设备配置,进一步优化各系统,形成陶瓷炉窑烟气多污染物协同控制技术装备工艺包。
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