SCR脫硝系統(tǒng)在玻璃窯爐系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

夏輝

摘 要：介紹山東省煙臺市某玻璃制品廠為滿足煙氣脫硝環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)，在其2#生產(chǎn)線原始NOx濃度2 500 mg/Nm3、鍋爐正常負(fù)荷范圍內(nèi)的情況下，改進(jìn)選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝系統(tǒng)及配套裝置，實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝效率均不低于96%，煙氣脫硝后NOx出口濃度不超過100 mg/Nm3，氨逃逸不超過8 mg/Nm3的脫硝效果，成功實(shí)現(xiàn)了脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：玻璃窯爐;SCR脫硝系統(tǒng);節(jié)能減排

中圖分類號：X781.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0111-03

Abstract： In order to meet the new environmental protection standard of flue gas denitration， an improved SCR denitration system and its supporting devices are introduced in this paper. The original NOx concentration of the 2#production line is 2 500 mg/Nm3， the flue gas denitration efficiency is not less than 96% within the normal load range of the boiler， the NOx outlet concentration is not more than 100 mg/Nm3 after flue gas denitration， and the ammonia escape is not more than 8 mg/Nm3， The requirements of denitration system are successfully realized， which can be used as reference for similar projects.

Keywords： glass furnace;SCR denitration system;energy saving and emission reduction

近年來，我國對大氣污染的防治日益重視。為完善國家大氣污染物排放制度，改善環(huán)境空氣質(zhì)量，近日生態(tài)環(huán)境部組織起草了國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》要求，所有相關(guān)企業(yè)自2022年7月1日起，玻璃制品熔窯煙氣中的氮氧化物濃度限值調(diào)整為500 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)調(diào)整為400 mg/m3。這意味著大多數(shù)玻璃制品生產(chǎn)企業(yè)的煙氣脫硝工藝都需要進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 項(xiàng)目背景

煙臺市某玻璃制品廠2#玻璃窯爐生產(chǎn)線現(xiàn)配有煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)、靜電除塵系統(tǒng)、選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝系統(tǒng)、臥式余熱鍋爐、石灰石-石膏法濕法脫硫系統(tǒng)以及濕電除塵系統(tǒng)等環(huán)保設(shè)施。某玻璃制品廠計劃將現(xiàn)有臥式余熱鍋爐更換為立式余熱鍋爐，并且現(xiàn)有脫硝裝置無法滿足國家和當(dāng)?shù)卣欧艠?biāo)準(zhǔn)要求，需要對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行改造。為滿足最新的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場空間狹小、質(zhì)量載荷大、工作溫度高、反應(yīng)器不易與機(jī)組主體自然適配等諸多限制因素下，深入分析該廠現(xiàn)有脫硝工藝實(shí)際使用過程中遇到的問題，根據(jù)類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，制定了具有針對性的改造方案。

2 玻璃窯爐煙氣特點(diǎn)

玻璃窯爐中的氮氧化物主要是熱致NOx，即空氣中的N2和O2在高溫條件下反應(yīng)產(chǎn)生NOx。此外，原料中的硝酸鹽高溫分解、燃料中的氮與O2高溫反應(yīng)，也是NOx的產(chǎn)生渠道[1]。在玻璃熔窯排放的氮氧化物中，NO占比為90%以上，NO2占比約為5%[2]。

玻璃制造過程中排放的煙氣污染物存在諸多特點(diǎn)。①成分復(fù)雜。玻璃生產(chǎn)過程中使用的燃料種類多樣，包括重油、天然氣、煤制氣以及石油焦粉等。不同的原料燃燒時會排放具有不同顆粒物特征的煙氣，因此NOx的濃度也會有所不同。②堿金屬和堿土金屬含量高。由于制造原料中含有較多鈉、鉀、鈣和鎂等堿金屬和堿土金屬，因此熔窯煙氣中堿金屬和堿土金屬的含量也會偏高，易與催化劑發(fā)生反應(yīng)，降低催化劑的活性[3]。③NOx含量高。玻璃熔制過程需要高溫，N2和O2在高達(dá)1 500 ℃以上的環(huán)境中會發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱致NOx[4]。④煙氣波動大。各生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)中，排放的煙氣溫度及組分易受燃料種類、反應(yīng)物配比以及換火等燃燒制作工藝影響，且隨著時間的變化存在較大的波動，不易于進(jìn)行脫硝處理[5]。

3 脫硝工藝系統(tǒng)原理

3.1 SCR法脫硝基本原理

SCR即選擇性催化還原技術(shù)。氨（NH3）在催化劑表面與氮氧化物（NOx）反應(yīng)，將其還原為N2。多余的NH3則被O2氧化，轉(zhuǎn)化為N2和H2O。主要反應(yīng)方程式如下[6-7]：

3.2 影響SCR法脫硝性能的因素

本項(xiàng)目采用蜂窩式催化劑結(jié)構(gòu)。在實(shí)際脫硝過程中，較低的煙氣溫度會導(dǎo)致催化劑活性降低，而高溫?zé)煔鈩t會導(dǎo)致催化劑出現(xiàn)燒結(jié)，且此時NH3會與O2反應(yīng)生成NOx降低脫硝效果。催化劑活性與煙氣溫度的關(guān)系如圖1所示。飛灰撞擊會導(dǎo)致催化劑堵塞、侵蝕和磨損，煙氣中的堿金屬、堿土金屬與催化劑反應(yīng)會導(dǎo)致催化劑中毒，SO2轉(zhuǎn)化成的SO3與NH3反應(yīng)、NH3發(fā)生泄露等也是造成催化劑活性喪失的原因。SO2/SO3轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖2所示。

為了提高脫硝效率，減少氨逃逸量，需要對反應(yīng)器入口處的煙氣速度分布和煙氣中NH3/NOx摩爾比的分布情況進(jìn)行精確的控制和調(diào)節(jié)。與SCR反應(yīng)器相連接的煙道錯綜復(fù)雜，通常選擇采取在煙道轉(zhuǎn)向處加裝導(dǎo)流板和擾流柱的方式，以保證催化劑入口截面處氣體速度分布的均勻性，同時采用網(wǎng)格型多組噴嘴設(shè)計（如氨噴射格柵）控制煙氣各成分的摩爾比分布。

4 具體改造施工方案

為滿足國家及地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求，針對原脫硝處理過程中存在的問題，主要從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化改造。

4.1 優(yōu)化SCR脫硝系統(tǒng)，提高脫硝效率

為改進(jìn)原有SCR脫硝系統(tǒng)，降低排放煙氣中的NOx濃度至規(guī)定限值以下，項(xiàng)目中脫硝系統(tǒng)采用的還原反應(yīng)劑為20%的氨水。SCR脫硝反應(yīng)器系統(tǒng)主要包括煙氣系統(tǒng)、反應(yīng)器、催化劑、吹灰系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等。

煙氣系統(tǒng)中所有煙道均按照最差運(yùn)行條件進(jìn)行重新設(shè)計，最小壁厚取4 mm。重新布置的煙道可承受煙道自量、風(fēng)荷載、地震荷載、灰塵積累、內(nèi)襯及外保溫材料質(zhì)量等。為便于對煙道進(jìn)行檢查、維修以及清理煙道內(nèi)積灰等操作，在適當(dāng)處設(shè)置尺寸合適、數(shù)量充足的人孔門和清灰孔。根據(jù)對煙道內(nèi)煙氣流動情況的分析，煙道內(nèi)煙氣最大流速設(shè)計為15 m/s，催化劑區(qū)域內(nèi)最大流速設(shè)計為6 m/s，并建立煙氣流動模型。為減少煙氣流動中受阻力影響造成的損失，根據(jù)分析結(jié)果，在外削角急轉(zhuǎn)彎頭和變截面收縮急轉(zhuǎn)彎頭處設(shè)置導(dǎo)流板。所有煙道上均安裝有煙氣取樣管，所設(shè)置的用于調(diào)試、安裝、檢修所需的門孔（如測試孔、測量孔、必須的人孔等）測點(diǎn)數(shù)量與位置均能夠滿足現(xiàn)場性能測試要求[8]。

每臺窯爐設(shè)置一臺SCR反應(yīng)器，布置在靜電除塵器與引風(fēng)機(jī)之間的中溫低塵段。在原有反應(yīng)器內(nèi)易于磨損的部位重新加裝防磨設(shè)施，將反應(yīng)器主體設(shè)計為天方地圓形，以減少積灰。此外，將外部輕微破損的反應(yīng)器機(jī)殼重新進(jìn)行絕緣處理。本項(xiàng)目采用中溫22孔蜂窩式催化劑，在催化劑表層與上層催化劑支撐鋼梁之間留有足夠的維修空間。反應(yīng)器的整體設(shè)計可保證煙氣均勻流動，煙氣流速的偏差約為15%。在進(jìn)入第一層催化劑前，窯爐內(nèi)的溫度分布、速度分布均較為均勻，溫度最大偏差值不超過10 ℃。在煙氣流出最后一層催化劑后，NH3/NOx摩爾濃度分布也呈現(xiàn)出穩(wěn)定均勻的狀態(tài)[9]。SCR脫硝系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

4.2 增設(shè)氨水蒸發(fā)系統(tǒng)，減少催化劑活性喪失

為降低氨逃逸量，避免催化劑活性的降低，在原有系統(tǒng)上增設(shè)一套氨水蒸發(fā)系統(tǒng)，主要包括稀釋風(fēng)機(jī)（作為氨水蒸發(fā)的熱源載體，采用高壓離心風(fēng)機(jī)，每爐設(shè)置兩臺，一運(yùn)一備）、電加熱器（為氨水蒸發(fā)提供溫度條件）、氨水蒸發(fā)器（作為氨水蒸發(fā)的發(fā)生器，霧化后的氨水與熱空氣在此發(fā)生劇烈的吸熱放熱反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氨水的汽化，每爐設(shè)置一套）、噴槍、噴氨格柵（稀釋后的氨氣通過噴氨格柵均勻進(jìn)入煙氣內(nèi)）、混合器（確保氨氣與煙氣的充分接觸）、管道閥門以及儀器儀表等公用設(shè)施。

靜電除塵器出口的高溫?zé)煔饨?jīng)稀釋風(fēng)機(jī)升壓輸送至電加熱器進(jìn)行加熱，達(dá)到設(shè)計溫度（320 ℃）后的熱煙氣進(jìn)入氨水蒸發(fā)器。同時，氨水輸送泵輸送來的氨水在壓縮空氣的助推下，經(jīng)噴槍霧化噴入氨水蒸汽器內(nèi)與熱煙氣混合，霧化后的細(xì)微氨水液滴從熱煙氣中迅速吸熱升溫，汽化為氨氣和水蒸氣，與熱煙氣混合在一起進(jìn)入噴氨格柵系統(tǒng)。

4.3 改進(jìn)清灰系統(tǒng)

脫硝反應(yīng)器布置于靜電除塵器之后。但是，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況來看，催化劑表面仍然存在非常嚴(yán)重的積灰問題，需要定期停機(jī)進(jìn)行人工清灰，極大地影響了脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本次改造在每層催化劑上方設(shè)置一套玻璃窯爐脫硝專用的空氣耙式吹灰器，定時自動地利用高壓空氣對催化劑表面的積灰進(jìn)行吹掃，防止積灰對脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。

4.4 改進(jìn)安全防護(hù)措施

在改造過程中，原系統(tǒng)存在部分安全隱患。為了保障工作人員的人身安全，需對其進(jìn)行改進(jìn)。首先，在氨水罐處增設(shè)6 m高的帶護(hù)籠直爬梯，同時頂部增設(shè)直徑3.0 m、高1.2 m的護(hù)欄。其次，堿液罐處增設(shè)4.5 m高的帶護(hù)籠直爬梯，同時頂部增設(shè)直徑3.0 m、高1.2 m的護(hù)欄。再次，在堿液泵房處連接現(xiàn)有的蒸汽管道處新增一組暖氣片，以防止冬季氣溫過低時堿泵和水管發(fā)生冰凍而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。最后，B3和B5脫硝熱風(fēng)爐二次風(fēng)機(jī)進(jìn)行皮帶防護(hù)網(wǎng)的改造，增加1個葉輪檢修口和1個電機(jī)防雨罩。

5 結(jié)語

按照上述改造方案，2020年9月開始對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行改造。數(shù)據(jù)測量顯示，改造后氨耗量為135 kg/h，氨逃逸量小于8 mg/Nm3，脫硝裝置處理煙氣量可達(dá)30 000 Nm3/h，處理后煙氣中NOx濃度不超過100 mg/Nm3，脫硝效率可達(dá)96%以上。預(yù)計設(shè)備年運(yùn)行時間可達(dá)8 000 h，裝置服務(wù)壽命在30年左右?；仡櫞舜胃脑祉?xiàng)目，該玻璃制品廠2#生產(chǎn)線使用優(yōu)化后的SCR脫硝工藝系統(tǒng)，極大地降低了排放煙氣中的NOx濃度，滿足了國家關(guān)于玻璃工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，改善了周邊環(huán)境。

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