觸媒陶瓷濾管多污染物一體化脫除技術(shù)在光伏玻璃行業(yè)中的應(yīng)用

高 超，沈 浩，時昌波，史 薇，王 騏，王思凱

(深圳凱盛科技工程有限公司，深圳 518000)

在“碳達峰、碳中和”目標(biāo)愿景下，光伏、風(fēng)電等清潔能源加快發(fā)展步伐。其中，光伏玻璃作為光伏組件的必備輔材，也在不斷地加速擴產(chǎn)，2021年中國光伏玻璃產(chǎn)量為5.94億萬m2，同比增長8.6%。2021年7月20日，工業(yè)和信息化部發(fā)布修訂后的《水泥玻璃行業(yè)產(chǎn)能置換實施辦法》(以下簡稱《辦法》)，自2021年8月1日起施行。按照《辦法》要求，所有擴大產(chǎn)能的水泥熟料和平板玻璃，必須制定產(chǎn)能置換方案，實施產(chǎn)能置換?！掇k法》明確，對光伏玻璃產(chǎn)能置換實行差別化政策，光伏壓延玻璃項目不再要求產(chǎn)能置換，但要建立產(chǎn)能風(fēng)險預(yù)警機制[1]。在此背景下，更加刺激了光伏玻璃行業(yè)的迅速擴張。隨著光伏玻璃行業(yè)的快速發(fā)展，窯爐燃燒煙氣的排放對大氣也會造成相當(dāng)嚴(yán)重的污染。煙氣中污染物主要是粉塵、氮氧化物、二氧化硫等，為打好大氣防治攻堅戰(zhàn)，研究適應(yīng)壓延光伏玻璃行業(yè)煙氣特性的煙氣處理技術(shù)具有重大意義。

光伏玻璃屬于平板玻璃，其污染物排放執(zhí)行平板玻璃污染物排放標(biāo)準(zhǔn)?！镀桨宀ＡЧI(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB26453-2011)自2011年10月1日頒布施行，但隨著環(huán)保形式的日益嚴(yán)峻，各個地區(qū)紛紛出臺排放限值低于國標(biāo)的地方標(biāo)準(zhǔn)。目前修訂《玻璃工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB26453-20××)正在征求意見，規(guī)定玻璃熔窯大氣污染物排放限值為顆粒物30 mg/Nm3、二氧化硫200 mg/Nm3、氮氧化物400 mg/Nm3；重點地區(qū)執(zhí)行大氣污染物特別排放限值要求，顆粒物20 mg/Nm3、二氧化硫100 mg/Nm3、氮氧化物300 mg/Nm3。此標(biāo)準(zhǔn)排放限值基本等同于美國和歐盟的BAT控制水平。此外，該標(biāo)準(zhǔn)中對重點地區(qū)提出的特別排放限值比歐盟的BAT指標(biāo)更高。

京津冀“2+26”城市由于其特殊的地理位置，相對國標(biāo)需要執(zhí)行更嚴(yán)格的特別排放限值。其中河北省出臺了首個以超低標(biāo)準(zhǔn)命名的《平板玻璃工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB13/2168-2020)，主要的三項污染物排放限值分別提高至顆粒物10 mg/Nm3、二氧化硫50 mg/Nm3、氮氧化物200 mg/Nm3，并且增加了氨逃逸限值為8 mg/Nm3[2]。

隨著平板玻璃行業(yè)超低排放限值的提出，以經(jīng)濟性合理、技術(shù)性可靠為原則，在壓延光伏玻璃行業(yè)，尤其是以天然氣為燃料的熔窯，采用觸媒陶瓷濾管多污染物一體化煙氣凈化工藝裝置可以達到超低排放要求，具有很好的效果。

1 壓延光伏玻璃煙氣特性

目前光伏玻璃熔窯大多使用清潔能源天然氣，該文主要分析以天然氣為燃料的光伏玻璃熔窯。

1)高溫。光伏玻璃窯爐出口煙氣溫度高，在450～500 ℃之間，進入余熱發(fā)電鍋爐利用后最終排煙溫度降至150 ℃。

2)氮氧化物濃度高。氮氧化物來源主要是來自“氮氣”在1 300 ℃以上的高溫燃燒；小部分來自玻璃原料中少量的硝酸鹽分解。氮氧化物濃度可達1 800～3 400 mg/Nm3[3]。

3)二氧化硫濃度低。由于天然氣中含硫量很低，二氧化硫主要來自原料中芒硝的分解。

4)煙氣中污染物濃度及煙氣量存在波動性。由于玻璃窯爐燃燒過程存在20 min“切換火”的情況，切換過程存在含氧量增高現(xiàn)象，會導(dǎo)致污染物濃度的波動，且兩個火的燃燒溫度及助燃風(fēng)風(fēng)量也存在不同，會導(dǎo)致兩個火的煙氣量和污染物濃度的波動。

5)玻璃窯內(nèi)壓力要求穩(wěn)定。窯爐是玻璃廠的主要熱工設(shè)備,工藝要求玻璃液面處為零壓或微正壓( 小于5 Pa),拱頂處的壓力為15～20 Pa[4]。

2 一體化脫除技術(shù)工程應(yīng)用

2.1 工藝流程

該工程設(shè)計滿足窯爐煙氣(450～500 ℃)經(jīng)余熱鍋爐高溫段降溫至350～400 ℃后的煙氣處理。煙氣處理時進入干法脫硫塔內(nèi)，與噴入的脫硫反應(yīng)劑(熟石灰)均勻混合，完成部分SO2的脫除，同時煙氣與噴入的脫硝反應(yīng)劑(氨水)均勻混合后進入觸媒陶瓷濾管過濾系統(tǒng)內(nèi)，煙氣在經(jīng)過觸媒陶瓷濾管時，顆粒物被攔截在濾管表面，并形成粉餅層(含部分熟石灰)；濾管表面的粉餅層又進一步脫除了煙氣中的SO2；在陶瓷濾管所含觸媒的催化作用下，NH3同NOx反應(yīng)，完成了NOx的脫除。而后通過環(huán)保引風(fēng)機回到余熱鍋爐低溫段進行余熱利用，余熱利用的凈煙氣經(jīng)鍋爐引風(fēng)機從煙囪達標(biāo)排放。當(dāng)鍋爐檢修時，窯爐煙氣經(jīng)高溫?fù)Q熱器降溫至350～400 ℃后，進入 “觸媒陶瓷濾管除塵器”系統(tǒng)進行脫硫脫硝除塵，處理后的凈煙氣經(jīng)煙囪達標(biāo)排放。整個系統(tǒng)阻力均由環(huán)保引風(fēng)機和安裝于鍋爐后端的鍋爐風(fēng)機克服，且該風(fēng)機可在360 ℃工況下長期穩(wěn)定、可靠運行。

主要設(shè)備：干法脫硫系統(tǒng)、氨水(儲存及輸送噴射)系統(tǒng)、旋風(fēng)除塵(沉降)系統(tǒng)、觸媒陶瓷纖維濾管除塵脫硝系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、循環(huán)灰系統(tǒng)、脫硫劑系統(tǒng)、氣力輸灰系統(tǒng)、廢灰系統(tǒng)、高溫?fù)Q熱器系統(tǒng)。

2.2 工藝原理

2.2.1 除塵

熟石灰及循環(huán)灰經(jīng)過干法脫硫塔，進入濾管除塵器，在觸媒陶瓷濾管表面形成殘存層餅與顆粒層餅兩層。其中殘存層餅緊貼觸媒陶瓷纖維濾管表面，厚度為1～2 mm，防止粉塵滲透到濾管，提升過濾效率，可處理不同負(fù)荷的粉塵濃度[5]。較外層的顆粒層餅可通過反向脈沖清洗，致使粉塵顆粒脫離。反向脈沖清洗使用高壓脈沖逆洗方式清灰，具備在線清灰和離線清灰功能。在除塵器中，煙塵從煙氣中分離出來，煙氣經(jīng)過陶瓷纖維濾管處理后煙塵濃度應(yīng)低于10 mg/Nm3后進入凈氣室。經(jīng)過高壓脈沖逆洗方式落到除塵器灰斗的灰，經(jīng)過氣力輸送系統(tǒng)輸送到干法脫硫塔，提高脫硫效率。

2.2.2 脫硫

原煙氣在經(jīng)過陶瓷纖維過濾系統(tǒng)前端的煙道及干法脫硫塔時，熟石灰及循環(huán)灰直接噴入干法脫硫塔中，脫除煙氣中部分的SO2、SO3以及HF、HCl等其它酸性物質(zhì)。當(dāng)煙氣進入陶瓷纖維濾管過濾器時，陶瓷濾管表面因顆粒物的沉積會形成粉餅層，在煙氣流速較低情況下，煙氣與粉餅層內(nèi)顆粒接觸充分，煙氣中的SO2與熟石灰再次進行脫硫反應(yīng)，脫除部分的SO2提高了脫硫劑的利用率，達到脫硫要求。

2.2.3 脫硝

觸媒陶瓷纖維濾管中應(yīng)按照設(shè)計處理目標(biāo)值要求加入足量的釩-鈦系觸媒(催化劑)。所有催化劑需均勻地分布在陶瓷濾管纖維表面，表面積應(yīng)達到催化劑的活性表面積以及反應(yīng)速率要求。煙氣中的NOx與NH3在催化劑的作用下發(fā)生催化反應(yīng)生成N2和H2O，從而達到脫硝作用。濾管表面的濾餅層，可降低觸媒免受重金屬砷(As)、硒(Se)及汞(Hg)的毒化[6]。

3 設(shè)計要點

除塵器選型及濾管個數(shù)的確定，需考慮到超低排放的要求粉塵排放濃度小于10 mg/Nm3，煙氣在經(jīng)過濾管的過濾風(fēng)速不大于1 m/min。由于除塵器具備分倉室在線檢修功能，選型時需要保證至少關(guān)閉一個倉室仍可以達標(biāo)排放。

由于目前環(huán)保形式嚴(yán)峻，玻璃生產(chǎn)線一旦投入運行基本沒有停機檢修時間，觸媒陶瓷濾管多污染物一體化煙氣凈化系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障需具有備用設(shè)備且有在線檢修功能。

1)濾管除塵器各倉室之間相互獨立、個別倉室存在斷管或者設(shè)備問題時，可以把倉室煙氣隔離，降溫后可以單獨檢修。

2)設(shè)計了空冷高溫?fù)Q熱器及鍋爐旁通煙道。當(dāng)鍋爐停機檢修時，窯爐煙氣直接通過高溫?fù)Q熱器降溫至350～400 ℃后，進入 “觸媒陶瓷濾管除塵器”系統(tǒng)進行脫硫脫硝除塵，處理后的凈煙氣經(jīng)過鍋爐旁通煙道直接排入煙囪。

3)主要設(shè)備高溫引風(fēng)機、氨水輸送系統(tǒng)、石灰供應(yīng)系統(tǒng)等均一用一備，從而保證系統(tǒng)可以連續(xù)不間斷、穩(wěn)定地運行。

為了保證二氧化硫排放濃度小于50 mg/m3，此系統(tǒng)設(shè)計了旋風(fēng)除塵器和循環(huán)灰系統(tǒng)。經(jīng)過干法脫硫塔的含塵煙氣首先進入旋風(fēng)除塵器，旋風(fēng)除塵器具備預(yù)除塵功能，可以將煙氣中50%～60%的大顆粒物脫除，進入循環(huán)灰倉，通過循環(huán)灰倉底部的雙軸螺旋排入干法脫硫塔。然后煙氣進入濾管除塵器，經(jīng)過陶瓷濾管的過濾，顆粒物被截留在濾管表面，經(jīng)過壓縮空氣反吹，濾管表面顆粒物落入除塵器灰斗，經(jīng)過氣力輸送系統(tǒng)，將灰斗中的灰直接打入旋風(fēng)除塵器循環(huán)利用，提高脫硫效率，降低鈣硫比。

脫硝所需催化劑負(fù)載在陶瓷濾管上，催化劑為高溫釩-鈦系催化劑，其反應(yīng)所需溫度為320～380 ℃。結(jié)合系統(tǒng)溫降，為了保證脫硝所需溫度，一體化系統(tǒng)進口溫度要求350～400 ℃。陶瓷纖維濾管粒徑極細(xì)，濾管的表面積很大，煙氣在濾管中的低流速和濾管本身的結(jié)構(gòu)空隙延長了煙氣的停留周期，釩鈦系脫硝觸媒劑催化劑的活性比面積的增大及煙氣與催化劑反應(yīng)時間的延長，使脫硝效率得到明顯地提高。

由于觸媒陶瓷濾管材質(zhì)的原因，需盡量保證濾管處于干燥環(huán)境中。在開機階段，應(yīng)盡快將倉室溫度升高到120 ℃以上，使溫度高于酸露點，避免冷凝水。在停機階段，當(dāng)倉室溫度降低至120 ℃以下，需要打開除塵器進口人孔門，打開引風(fēng)機抽取空氣置換除塵器內(nèi)煙氣，讓倉室盡快降溫至水露點以下。

陶瓷濾管一體化系統(tǒng)整體溫降約30 ℃，整體系統(tǒng)阻力小于3 000 Pa。整體溫降較低有利于發(fā)電鍋爐對煙氣余熱的利用率，整體系統(tǒng)阻力較小，降低運行費用。

4 運行數(shù)據(jù)

該壓延光伏玻璃煙氣治理項目采用陶瓷濾管多污染物一體化脫除系統(tǒng)對玻璃窯出口煙氣進行脫硫脫硝除塵處理后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，效率高，運行費用低，達到平板玻璃行業(yè)“超低排放”限值要求。窯爐出口煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 窯爐出口煙氣參數(shù)

工程投運后，通過對現(xiàn)場環(huán)保系統(tǒng)進出口在線監(jiān)測，測試結(jié)果如表2所示。

表2 主要污染物進出口濃度及氨水、熟石灰耗量

表2中出口NOx濃度低于100 mg/Nm3，脫硝效率可達98%，且氨逃逸低于8 mg/Nm3。此系統(tǒng)能達到如此高的脫硝效率且氨逃逸也可以低于8 mg/Nm3，主要是由于催化劑均勻的負(fù)載于整個陶瓷濾管內(nèi)，催化劑的活性比表面積較大，且煙氣在陶瓷濾管內(nèi)的停留時間也較長，顯著提高了脫硝效率。從表2可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷濾管多污染物一體化脫除技術(shù)對顆粒物的去除具有顯著效果，出口顆粒物濃度能夠穩(wěn)定控制在5 mg/m3以下。從表2還可以發(fā)現(xiàn)，該一體化脫除技術(shù)對SO2的去除效率在95%左右，出口SO2排放濃度穩(wěn)定控制在50 mg/m3以內(nèi)，Ca/S比基本為3。常規(guī)干法脫硫工藝Ca/S比2.5時，脫硫效率最高能達到50%～60%[7]。此處能達到95%脫硫效率的主要原因：1)更高的Ca/S;2)循環(huán)灰的利用;3)濾管濾餅層上石灰的進一步脫硫作用。

5 結(jié) 論

觸媒陶瓷濾管多污染物一體化脫除技術(shù)在光伏玻璃行業(yè)中，可以實現(xiàn)出口污染物排放濃度NOx<200 mg/Nm3,SO2<50 mg/Nm3,顆粒物<10 mg/Nm3,氨逃逸<8 mg/Nm3的“超低排放”標(biāo)準(zhǔn)。

隨著平板玻璃行業(yè)煙氣“超低排放”政策的日益臨近以及投資運營成本壓力增大，觸媒陶瓷濾管多污染物一體化脫除技術(shù)具有高效率、運行穩(wěn)定、操作簡單、可在線檢修、無煙排放、運行費用低等優(yōu)勢，在壓延光伏玻璃行業(yè)是一個主流發(fā)展趨勢。