回转窑-矿热炉工艺处理含镍酸洗污泥的烟气处理设计与生产实践

王 珊，黄朝广

（1.松阳光洁固废处置有限公司，浙江 丽水 323400；2.长沙市公共工程建设中心，湖南 长沙 410013）

不锈钢材料在生产加工过程中材料表面会形成一层黑色的氧化层，一般采用混合酸进行浸泡和清洗，清洗产生的废水经处理后产生大量酸洗污泥[1]。不锈钢酸洗污泥中含有大量Fe、Ni、Cr 等有价金属元素，另外还有F、Cl、S、P、NO3-等危险废物[2]，因其含有的有价金属具有较高的回收利用价值，国内很多环保企业开展了不锈钢酸洗污泥的资源化利用[3]。本项目借鉴传统RKEF 镍铁冶炼工艺，采用一段蒸汽干燥+回转窑焙烧+矿热炉还原熔炼工艺，回收不锈钢酸洗污泥中镍、铁，这在国内尚属首次，在行业内具有很好的示范效应[4]。回转窑烟气和矿热炉烟气经过一氧化碳燃烧+热交换+一级除尘后，汇总进入干法脱酸+二级除尘+湿法脱酸+SCR 脱硝，脱硝后换热排放，克服了冶炼烟气中氟化物及氮氧化物浓度较高的问题，实现了达标排放。

1 烟气系统工艺设计参数

回转窑出口烟气和矿热炉烟气分别进入烟气处理系统入口，回转窑烟气从窑尾直接进入烟气处理系统。矿热炉烟气首先进入二燃室和余热锅炉，再进入烟气处理系统。系统设备富余系数为1.25。两路烟气条件见表1。

表1 烟气系统入口烟气条件

2 烟气系统工艺流程

烟气处理系统包含烟气热交换器、布袋除尘、干法脱酸及活性炭喷射、湿法脱酸系统、GGH 换热器、SCR 脱硝系统等，工艺流程见图1。

图1 烟气处理系统工艺流程

2.1 烟气热交换器

回转窑出口烟气，温度为350 ℃左右，进入烟气换热器，热烟气通过烟气换热器进行换热后，温度降至180～200 ℃，进入回转窑一级布袋除尘系统。矿热炉烟气经燃烧室燃烧和余热回收后，出口温度为240 ℃左右，热烟气通过烟气换热器进行换热后，温度降至180～200 ℃，进入合金炉一级布袋除尘系统。回转窑和矿热炉烟气冷却器冷却面积分别为260 m2和120 m2，采用管式冷却型式。

2.2 一级布袋除尘系统

一级布袋除尘系统含回转窑烟气布袋除尘器和合金炉烟气布袋除尘器，两个布袋除尘器结构和各部分所选材质相同。为应对烟气中高浓度含氟气体，除尘器壳体材质采用碳钢内衬PTFE 板，袋笼材质采用316L 不锈钢，花板材质采用蒙乃尔合金，滤袋采用纯PTFE+PTFE 覆膜材质，100%纯PTFE 滤料长期运行在高达200 ℃温度范围内可出色地抵抗含氟气体的化学攻击。

回转窑和矿热炉一级布袋除尘器设计风量分别为11 800、12 500 m3/h，进口烟气灰尘质量浓度分别约为70 g/m3和6 g/m3，过滤面积不小于600 m2，过滤风速＜0.65 m/min，单室停风＜0.80 m/min，滤袋规格Φ130 mm×5 000 mm，采用仪表空气脉冲在线清灰，除尘器的运行阻力≤1 500 Pa。

2.3 干法脱酸和活性炭喷射系统

干法脱酸和活性炭喷射系统主要包括干法脱酸塔、消石灰配送系统、活性炭配送系统，工艺系统位于一级布袋除尘器与二级布袋除尘器之间，主要是通过喷入一定量的消石灰脱除烟气中一部分酸性污染物，喷入一定量的活性碳粉以吸附烟气中的重金属和可能存在的二噁英。干法脱酸中和反应一部分发生在反应器内，另一部分发生在二级布袋除尘器滤袋表面的滤层。采用消石灰作为脱酸剂的干法脱酸效率一般在40%～60%，本单元对于脱酸剂的供给，根据烟气在线监测的污染因子数据，系统具备自动控制调节和手动控制的功能。设计SO2脱除率为40%，HF 脱除率为40%，HCl 脱除率为60%。

干法脱酸塔由两部分组成：入口文丘里管式混合器和筒体。在入口文丘里管中，烟气流速非常高，有利与吸收剂与烟气的充分混合，在此处设有干法脱酸剂与活性炭喷入口；喷入的脱酸药剂可以脱除烟气中部分酸性有害气体，喷入的活性炭吸附部分重金属与可能存在的二噁英。

干法塔本体采用双套筒结构，可以节约布置空间并获得更长的烟气流程，确保足够的烟气停留时间。烟气自反应器内筒向上，上升过程中有部分大颗粒粉尘落入到下部灰斗中，烟气到达内筒顶部过渡进入外筒，继续向下经由出口排出进入下游烟道。

2.4 二级布袋除尘系统

二级布袋除尘器主要作用是收集干法脱酸系统喷入的脱酸剂反应物和活性炭吸附物，除尘器结构和材质与一级布袋除尘器相同。除尘器设计风量27 900 m3/h，进口烟气灰尘质量浓度为25 g/m3，过滤面积1 370 m2，单室停风小于0.65 m/min，滤袋规格Φ130 mm×5 000 mm，采用仪表空气脉冲在线清灰，除尘器的运行阻力≤1 500 Pa。

2.5 一级脱酸系统

因本项目烟气中F 含量较高，设计采用三级脱酸系统。一级脱酸系统包含文丘里冷却器、一级脱酸塔和脱酸液冷却循环系统，采用水洗方式将烟气中大部分的氟化氢和氯化氢吸收下来，避免在后部石灰石膏法脱酸过程中产生大量氟化钙，影响石膏副产物质量[5]。

文丘里冷却器采用石墨材质，主要作用是给烟气进行预冷却，避免高温烟气烫伤一级脱酸塔内填料。一级脱酸塔塔体采用PPH 材质，内设两层增强型PP填料层，每层填料设计吸收效率为80%，总吸收率96%。填料上部布置喷淋层，下部为气液分离槽，分离液体排入脱氟液循环池。

脱氟液循环冷却系统包括一级冷却循环系统和二级冷却循环系统。冷却循环系统包括冷却循环泵、冷却循环池、换热器。换热器采用石墨材质，冷却循环池采用混凝土内衬聚氯乙烯，冷却循环泵采用超高分子聚乙烯泵。

2.6 二、三级脱酸系统

二、三级脱酸系统包含二级多相反应器、三级脱酸塔、吸收剂制备系统、氧化系统、石膏脱水系统等，主要作用是完成脱硫及脱除残留的少量HF 和HCl气体。脱硫工艺为石灰-石膏法，石灰粉与水混合搅拌制成吸收剂浆液。在吸收塔内，吸收浆液与烟气接触混合，烟气中的二氧化硫被吸收并与浆液中的碳酸钙以及鼓入的氧化空气进行化学反应，最终产物为脱硫石膏。

二级脱酸塔由5 单元多相反应器和1 个高效混流器组合而成，多相反应器下安装1 台循环槽，材质为进口高分子材料。烟气从反应器顶部与吸收浆液并流进入，气、液、固三相充分接触反应后进入安装在循环槽内的高效混流器，高效混流兼强化传质和气、液分离作用，气液分离后，气相经烟道进入除雾器，液、固两相流入循环槽继续循环吸收。

三级脱酸塔为喷淋形式，塔体采用碳钢衬玻璃鳞片防腐。塔内分上下3 层喷淋，喷淋层间距1 800 mm。喷淋管采用耐磨增强型玻璃钢管，喷嘴采用SiC 材质，型式为空心锥型，喷嘴布置保证单层吸收液覆盖率不低于200%。3 层喷嘴错开30°角度，保证截面各处浆液分布更均匀。

系统配置50 t 石灰储罐及浆化槽，用以配制脱硫浆液。2 台氧化风机将槽内的亚硫酸盐氧化成硫酸盐。一套板框式隔膜压榨过滤机对脱硫石膏进行脱水。在三级吸收塔最上层喷淋层上方安装除雾器，脱硫净烟气经除雾器后再进入湿式电除尘器。

2.7 烟气换热器（GGH）和SCR 脱硝系统

来自三级脱酸塔的54 ℃烟气与SCR 反应器出口285 ℃烟气进行换热，升温至约235℃，再经燃烧器加热至285 ℃进入SCR 反应器，脱硝后烟气进入GGH 换热器降温至约100 ℃，经系统风机送入烟囱排放。系统工艺流程示意图见图2。

图2 烟气换热器和脱硝系统

3 运行出现的问题及改进措施

系统投入运行后，总体运行情况较好，但也出现一些问题，经分析问题出现的原因，针对不同问题分别进行了系统改进，取得较好效果。

3.1 烟气换热器入口温度偏离设计及漏风率过大

回转窑烟气热交换器设计入口烟气温度350 ℃，矿热炉烟气热交换器设计入口烟气温度240 ℃。系统运行后回转窑热交换器入口实际温度200～300 ℃，矿热炉热交换器入口实际温度220～280 ℃，回转窑侧热交换器入口烟气温度与设计偏离较大，以致后续回转窑一级布袋除尘器运行烟气温度只有120 ℃，在生产系统启动初期会出现布袋结板现象。通过更改阀门，扩大回转窑热交换器直通断阀门面积，增大烟气直通段流量，减少烟气通过U 型冷却管流量，控制回转窑热交换器出口烟气温度150～200 ℃，达到控温目的。

回转窑和矿热炉热交换器下方分别设有8 个和6 个下灰口，下灰口采用双层重锤翻板卸灰阀密封，由于烟气粉尘颗粒小且密度小，通过换热器沉降的粉尘量较小，重锤式翻板卸灰阀不能起到很好的密封作用，测量回转窑前后烟气含氧体积分数分别为4.58%和9.84%。采取的解决措施是在下灰口增加手动旋转式卸灰阀，整改完毕后再次测量回转窑前后烟气含氧量分别为4.25%和4.61%，漏风问题得到明显改善。

3.2 氮氧化物浓度偏高及其解决措施

不锈钢制品的酸洗工艺大部分会用到硝酸和氢氟酸，因此一部分硝酸根和氟离子会被带入到不锈钢酸洗污泥中。经实验，在300 ℃温度下硝酸根基本被分解完全，因此几乎所有硝酸根分解的氮氧化物在回转窑侧进入烟气系统。运行过程中，检测到回转窑出口烟气中氮氧化物质量浓度达到8 000 mg/m3以上，远大于设计值。

通过增加催化剂体积、增加氨水喷入量、增加氨蒸发器流量等改进措施，对脱硝系统进行了升级改造，脱硝系统能力得到显著提升，保证出口氮氧化物含量符合排放标准。

4 烟气主要排放指标

系统自投运以来，经过调试与技术升级改造，烟气各项指标已到达或超过设计要求，符合环评排放标准。运行期间烟气排放数值见表2。

5 结语

本项目借鉴传统RKEF 镍铁冶炼工艺，采用一段蒸汽干燥+回转窑焙烧+矿热炉还原熔炼工艺处理不锈钢酸洗含镍污泥，项目烟气处理系统设计规范，能有效去除烟气中高浓度含氟气体、氮氧化物以及其他常规污染物指标，系统运行率高，烟气排放指标达到或优于排放标准，对类似高氟高氮氧化物烟气的处理具有一定的借鉴意义。