中低溫SCR 脫硝技術(shù)在焦?fàn)t煙道氣NOx脫除中的應(yīng)用

史軍偉，高 斌，馬靜文，楊亮亮

（1.陜西龍門煤化工有限責(zé)任公司，陜西 韓城 715400；2.內(nèi)蒙古黑貓煤化工有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

焦?fàn)t煙道氣是焦化企業(yè)最主要的廢氣污染源，其NOx排放質(zhì)量濃度為1000 mg/m3～1500 mg/m3，焦化企業(yè)90%的NOx來源于此，因此脫除焦?fàn)t煙道氣中的NOx對降低焦化企業(yè)廢氣污染具有重要意義。目前，國內(nèi)脫硝技術(shù)主要包括低氮燃燒技術(shù)、焦?fàn)t爐內(nèi)脫硝技術(shù)、選擇性催化還原（SCR）技術(shù)和氧化脫硝技術(shù)等[1]，其中針對焦?fàn)t煙道氣的中低溫SCR 脫硝技術(shù)因其工藝成熟可靠、脫硝效率較高、易于控制而被廣泛應(yīng)用[2]。

某公司地處陜西省關(guān)中地區(qū)，于2011年建成投運(yùn)8 座65 孔5.5 m 搗固焦?fàn)t，焦?fàn)t煙道氣中NOx排放質(zhì)量濃度約800 mg/m3。該公司從2020年1月1日起執(zhí)行DB 61/941—2018《關(guān)中地區(qū)重點(diǎn)行業(yè)大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中焦?fàn)t煙道氣中NOx排放質(zhì)量濃度限值為150 mg/m3。為此，該公司投資約4800 萬建設(shè)了4 套中低溫SCR 脫硝裝置，2 座焦?fàn)t共用1 套脫硝裝置（煙道氣設(shè)計處理量為26 萬m3/h），采用的工藝路線為“中低溫SCR 脫硝+ 余熱回收+ 引風(fēng)機(jī)+ 氨法脫硫”，裝置于2019年6月通過驗收并投運(yùn)，至今運(yùn)行穩(wěn)定。現(xiàn)以其中1 套SCR 脫硝裝置的運(yùn)行情況為例進(jìn)行總結(jié)，供同行業(yè)借鑒參考。

1 煙道氣組成及中低溫SCR 脫硝工藝流程

該公司中低溫SCR 脫硝裝置進(jìn)、出口NOx質(zhì)量濃度分別為1200 mg/m3、90 mg/m3，焦?fàn)t煙道氣的組成見表1。

表1 焦?fàn)t煙道氣的組成%

中低溫SCR 脫硝工藝流程示意圖見圖1。來自焦?fàn)t的煙道氣（220 ℃～300 ℃）與來自靜態(tài)混合器的氣體（含氣氨）在進(jìn)口總管道混合后，從SCR 脫硝反應(yīng)器頂部進(jìn)入，在催化劑床層流動的過程中，氣氨與煙道氣中的NOx發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，將NOx還原為N2，從而達(dá)到脫除煙道氣中NOx的目的。脫除NOx的煙道氣從SCR 脫硝反應(yīng)器底部出來后進(jìn)入后工序。同時利用稀釋風(fēng)機(jī)在SCR 脫硝反應(yīng)器出口總管抽出一股煙道氣，與氣氨在靜態(tài)混合器中進(jìn)行混合，然后噴入SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口總管。

圖1 中低溫SCR 脫硝工藝流程示意圖

2 SCR 脫硝塔實(shí)際運(yùn)行情況

2.1 SCR脫硝塔阻力上升的原因分析及解決措施

該公司中低溫SCR 脫硝工藝采用以MoO3-TiO2為載體、V2O5為活性組分的蜂窩式催化劑。2018年10月，SCR 脫硝塔建成初期試運(yùn)行時的阻力為800 Pa～900 Pa，2019年4月，脫硝塔阻力上升至1900 Pa 左右。為查明原因，將脫硝系統(tǒng)停車后取出催化劑，發(fā)現(xiàn)催化劑孔被黑色粉末及白色固體狀物質(zhì)堵塞。經(jīng)過化驗，可知白色固體狀物質(zhì)主要是硫酸鹽和硫酸銨鹽，黑色粉末主要是煤氣燃燒后夾帶的游離碳、飛灰等雜質(zhì)。經(jīng)過分析，硫酸鹽和硫酸銨鹽生成的原因是煙道氣中的SO2在催化劑活性組分V2O5的作用下，被選擇性地轉(zhuǎn)化為SO3，SO3與氣氨進(jìn)一步反應(yīng)生成硫酸鹽和硫酸銨鹽[3]。生成的硫酸鹽和硫酸銨鹽黏附在催化劑表面并吸附粉塵，進(jìn)而堵塞孔道，使系統(tǒng)阻力上升。

為了解決SCR 脫硝塔阻力上升的問題，采取了以下措施：（1）將SCR 脫硝塔設(shè)計成4 個并聯(lián)的艙室，每個艙室能夠獨(dú)立運(yùn)行，并為每個艙室配備超聲波動力除灰裝置，4 個艙室由自動控制系統(tǒng)控制，定時輪流除灰；（2） 在SCR 脫硝塔進(jìn)口管道配備煙道氣加熱裝置，當(dāng)進(jìn)口煙道氣溫度低于270 ℃時，加熱裝置通過燃燒焦?fàn)t煤氣對進(jìn)口煙道氣進(jìn)行加熱，盡量減少由于煙道氣溫度降低造成的硫酸鹽和硫酸銨鹽析出并附著在催化劑表面。

2.2 SCR 脫硝塔進(jìn)口煙道氣溫度對脫硝塔出口NOx含量的影響

SCR 脫硝塔進(jìn)口煙道氣中NOx平均質(zhì)量濃度為1200 mg/m3，由于焦?fàn)t生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)整，進(jìn)入脫硝裝置焦?fàn)t煙道氣的溫度在200 ℃～300 ℃波動。焦?fàn)t生產(chǎn)負(fù)荷相同時，對不同SCR 脫硝塔進(jìn)口煙道氣溫度時脫硝塔出口NOx的含量進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果見圖2。

圖2 SCR 脫硝塔進(jìn)口煙道氣溫度對脫硝塔出口NOx 含量的影響

由圖2 可以看出，隨著焦?fàn)t煙道氣溫度的升高，脫硝塔出口煙道氣中的NOx含量逐漸降低。這是因為煙道氣溫度決定了脫硝裝置催化劑床層的反應(yīng)溫度，當(dāng)反應(yīng)溫度在140 ℃～250 ℃時，催化劑脫硝效率隨著反應(yīng)溫度的升高而迅速增加；繼續(xù)升高溫度，催化劑脫硝效率緩慢增加，而后趨于穩(wěn)定。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，為了能夠滿足DB 61/941—2018 焦?fàn)t煙道氣中NOx排放限值要求，該公司將SCR 脫硝塔進(jìn)口煙道氣溫度嚴(yán)格控制在不低于270 ℃。

2.3 噴氨量對SCR 脫硝塔出口NOx含量的影響

SCR 脫硝工藝的原理是通過氨與NOx反應(yīng)，將NOx還原為N2，從而達(dá)到脫除NOx的目的。因此，噴氨量對SCR 脫硝塔出口煙道氣中NOx的含量有重要影響。當(dāng)噴氨量不足時，煙道氣中的NOx不能完全反應(yīng)，會導(dǎo)致SCR 脫硝塔出口煙道氣中NOx的含量升高，甚至超標(biāo)。當(dāng)噴氨量過高時，一方面會導(dǎo)致脫硝成本增加，同時過量的氨會與煙道氣中的SO2、O2反應(yīng)生成硫酸鹽和硫酸銨鹽，在溫度較低時變成固體黏附在催化劑床層，影響催化劑脫硝效率并增加床層阻力；另一方面，過量未反應(yīng)的氨進(jìn)入尾氣會造成氨逃逸。因此，要根據(jù)進(jìn)口煙道氣流量及煙道氣中NOx的含量及時調(diào)整噴氨量。

在SCR 脫硝塔實(shí)際運(yùn)行中，該公司通過監(jiān)測SCR脫硝塔進(jìn)口煙道氣流量及煙道氣中NOx的含量，采用自動回路控制系統(tǒng)控制氣氨流量，取得了很好的效果。其中，氣氨消耗量采用式（1）進(jìn)行計算[4]：

式中，W 為氣氨消耗量，kg/h；Vq為SCR 脫硝塔進(jìn)口煙道氣流量，m3/h；CNO、CNO2為SCR 脫硝塔進(jìn)口煙道氣中NO、NO2的質(zhì)量濃度，mg/m3；m 為考慮脫硝效率和氨逃逸后的實(shí)際氨消耗量與100%脫硝效率理論氨消耗量的比值（該公司m 經(jīng)驗值采用0.85）。以該公司實(shí)際情況為例，處理煙道氣流量為20 萬m3/h，進(jìn)口煙道氣中NOx質(zhì)量濃度為1200 mg/m3（其中NO 質(zhì)量濃度為1100 mg/m3，NO2質(zhì)量濃度為100 mg/m3），m 取經(jīng)驗值0.85，經(jīng)計算得到氣氨消耗量為118.5 kg/h。

3 SCR 脫硝工藝運(yùn)行成本

為考察SCR 脫硝工藝的實(shí)際運(yùn)行成本，在煙道氣處理量為20 萬m3/h 時，統(tǒng)計各種物料的消耗，結(jié)果見表2。

表2 物料消耗匯總

由表2 可以看出，當(dāng)煙道氣處理量為20 萬m3/h時，運(yùn)行成本為585.6 元/h。通過計算可得，SCR 脫硝工藝處理煙道氣的成本為29.28 元/ 萬m3。

4 結(jié)論

4.1 SCR 脫硝塔進(jìn)口煙道氣溫度不僅會影響NOx脫除效果，而且當(dāng)進(jìn)口煙道氣溫度較低時，生成的硫酸鹽和硫酸銨鹽還會析出并附著在催化劑表面，造成脫硝塔阻力升高，因此必須保證進(jìn)口煙道氣溫度不低于270 ℃。

4.2 噴氨量對SCR 脫硝工藝有重要影響，在氣氨消耗量為118.5 kg/h 時，能夠滿足20 萬m3/h 煙道氣的脫硝要求。

4.3 對某公司SCR 脫硝工藝實(shí)際運(yùn)行消耗進(jìn)行了計算，運(yùn)行成本為29.28 元/ 萬m3，為了保證SCR 脫硝塔長周期穩(wěn)定運(yùn)行，建議配套建設(shè)自動吹灰及煙氣加熱裝置。