玻璃行業(yè)脫硝系統(tǒng)中氨逃逸的精準控制

沈 浩,劉大朝,王 騏,劉 飛,劉昊宇,程 林,方 昂

(深圳凱盛科技工程有限公司,深圳 518000)

國家標準中,2010年以后實施的《平板玻璃工業(yè)大氣污染物排放標準》(GB26453-2011、GB29495-2013)到2023年后實施的《玻璃工業(yè)大氣污染物排放標準》(GB26453-2022)中規(guī)定,一般地區(qū)NOx由700 mg/Nm3降低至400 mg/Nm3,SO2由400 mg/Nm3降低至200 mg/Nm3,粉塵由50 mg/Nm3降低至30 mg/Nm3,重點地區(qū)更加嚴格[1,2]。地方標準中,以山東省地方標準為例,2010年以后實施的《建材工業(yè)大氣污染物排放標準》(DB37/2373-2013)到了2018年以后實施的《建材工業(yè)大氣污染物排放標準》(DB37/2373-2018)中規(guī)定,一般控制區(qū)NOx由500 mg/Nm3降低至200 mg/Nm3,SO2由300 mg/Nm3降低至100 mg/Nm3,粉塵由30 mg/Nm3降低至20 mg/Nm3,重點控制區(qū)也更加嚴格[3]。由此看出,無論國家還是地方,對于玻璃行業(yè)大氣污染物的排放要求正在逐步完善,控制更加精確。

玻璃窯爐廢氣除了常見的NOx、SO2、粉塵3種污染物之外,對于氨逃逸的排放也逐漸納入監(jiān)測監(jiān)管范圍內(nèi),排放限值也由最初的10×10-6降低到8 mg/Nm3以下。煙氣治理中去除NOx的原理為脫硝氧化還原反應(yīng),有SCR(選擇性催化還原技術(shù))脫硝和SNCR(選擇性非催化還原法)脫硝2種工藝。玻璃窯爐廢氣治理方案中,SNCR工藝無法滿足行業(yè)排放要求,因此主要采用SCR脫硝工藝技術(shù),其化學(xué)反應(yīng)方程式[4]如下:

主反應(yīng)

(1)

(2)

可以看出,氨的過量使用會發(fā)生副反應(yīng),生成硫酸銨及硫酸氫氨等產(chǎn)物,副產(chǎn)物具有粘性和腐蝕性,會影響后續(xù)設(shè)備的使用壽命,同時多余的氨氣排放到大氣中,會進一步造成污染,因此國家及地方將氨逃逸納入實時監(jiān)測及控制范圍。

在一般的煙氣治理系統(tǒng)運行過程中,NOx與氨的氧化還原反應(yīng),受到反應(yīng)溫度、催化劑用量、氨耗量、氨與煙氣的混合程度及煙氣進入各個反應(yīng)器的均勻程度等諸多因素的影響,往往會出現(xiàn)為了降低脫硝出口NOx濃度而過量噴氨,從而導(dǎo)致氨逃逸過大的情況。

玻璃行業(yè)存在其特殊的窯爐換火需求,一般分為兩個火向,兩火切換一般間隔20 min,燃燒工況會隨著換火而發(fā)生劇烈變化。每向火平穩(wěn)燃燒時的燃燒工況也略有不同,因此在煙氣治理系統(tǒng)中,玻璃窯爐的NOx及氨逃逸相較于其他窯爐更加難以控制,所以就迫切需要專門針對玻璃行業(yè)的特殊性,尋找一個合適的工藝以求達到對噴氨的精準控制,從而實現(xiàn)NOx及氨逃逸的雙向穩(wěn)定達標。

1 國內(nèi)玻璃行業(yè)氨逃逸現(xiàn)狀

玻璃窯爐換火時,NOx、氧含量、煙氣量等工況會發(fā)生劇烈波動,此時想要精準地控制NOx就變得非常困難,由此會導(dǎo)致?lián)Q火期間噴入的氨量過剩或者不足,過剩會導(dǎo)致氨逃逸超高,不足將導(dǎo)致NOx超標。另外,在噴氨壓力等變化時,噴氨流量也會有所波動,加大了NOx及氨逃逸超標的風(fēng)險。

以往在NOx排放標準要求在700 mg/Nm3或者400 mg/Nm3以下時,NOx控制可調(diào)范圍較大,噴氨量無需過度精準,因此氨逃逸能夠滿足8 mg/Nm3以內(nèi)。當前,多數(shù)地區(qū)要求NOx排放標準為200 mg/Nm3以下,還有地區(qū)要求在100 mg/Nm3以下,在此超低排放形式的重壓下,玻璃企業(yè)為避免因NOx超標而造成的環(huán)保處罰會噴入大量的氨,氨逃逸也就超標嚴重。隨著國家及地方對于氨逃逸的管控,過量噴氨將成為過去時。

2 解決方法對比

根據(jù)SCR脫硝反應(yīng)原理以及脫硝系統(tǒng)運行的各個環(huán)節(jié)要求,一般從以下幾點著手解決NOx和氨逃逸的控制問題:

1)在噴氨點后段一定距離的煙管道內(nèi)設(shè)置靜態(tài)混合器:靜態(tài)混合器一般設(shè)置2臺,煙氣經(jīng)過靜態(tài)混合器時,受到靜態(tài)混合器的阻擋,氣流方向發(fā)生改變、攪動,從而使得煙氣中的NOx與噴入的氨能夠更好地混合,提高混合的均勻性。

2)加大脫硝反應(yīng)器的尺寸:脫硝反應(yīng)器加大后,同量的煙氣經(jīng)過脫硝反應(yīng)器時,流速降低,從而增加了煙氣在脫硝反應(yīng)器中的停留時間,延長了NOx與氨的反應(yīng)時間,可提高其反應(yīng)效率。

3)增加脫硝催化劑的使用量:SCR脫硝反應(yīng)是在釩鈦系催化劑的作用下才能夠發(fā)生氧化還原反應(yīng)的,催化劑越多,反應(yīng)越充分。目前國內(nèi)外玻璃行業(yè)所用的大多是蜂窩式催化劑,其表面積受到蜂窩數(shù)量的影響。為提高煙氣與催化劑的接觸面積,可適當增加催化劑的用量,以此提升脫硝效果。

4)針對2個不同的火分別對應(yīng)2個噴氨量:同一座玻璃窯爐,2個不同的火燃燒產(chǎn)生的NOx不同,甚至同一個火不同時間燃燒所產(chǎn)生的NOx也不同,這是因為玻璃窯爐燃燒大多采用空氣助燃,空氣的密度、溫度、氧含量等不同,都會影響到燃燒結(jié)果。因此,針對不同的火,分別對應(yīng)噴氨量,NOx高的火,加大噴氨量,NOx低的火,減少噴氨量。

經(jīng)過多年的實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn),上述方案均無法穩(wěn)定、高效的達到NOx超低排放的同時氨逃逸穩(wěn)定低于8 mg/Nm3的要求。

3 氨逃逸的精準控制方案

為解決前述問題,結(jié)合多個項目、多種工藝的實際運行情況,從多角度出發(fā),總結(jié)出一種能夠精準匹配NOx濃度的波動并可進行實時調(diào)節(jié)噴氨量的方法,實現(xiàn)了在穩(wěn)定控制NOx的同時,又大大降低了氨逃逸的目標。

3.1 氨逃逸控制原理介紹

理論上NOx與氨發(fā)生氧化還原反應(yīng)的氨氮摩爾比為1∶1。當氨氮摩爾比大于1∶1時,會出現(xiàn)氨逃逸;當氨氮摩爾比小于1∶1時,會導(dǎo)致NOx超標。因此在NOx波動時,噴氨量應(yīng)隨之調(diào)整。

玻璃窯爐換火時,燃燒槍熄滅,助燃風(fēng)進行吹掃,氧含量較高,此時煙氣中折算出的NOx濃度會出現(xiàn)波峰值,在波峰時應(yīng)加大噴氨量;同時也因為燃燒槍的熄滅,助燃風(fēng)燃燒不充分,換火過程的后期,窯爐燃燒產(chǎn)生的NOx濃度較低,出現(xiàn)波谷值,此時應(yīng)大量減少噴氨量;當燃燒槍重新點火后,NOx濃度緩慢上升至正常值,此時噴氨量也應(yīng)與之匹配,呈緩慢上升趨勢。同理,后續(xù)穩(wěn)定燃燒時,如NOx發(fā)生輕微波動,噴氨量也應(yīng)隨之調(diào)整,若噴氨量的調(diào)整曲線與NOx的波動曲線能夠吻合時,則可大大減少因某個時間段氨氮摩爾比嚴重高于1∶1而導(dǎo)致的氨逃逸超標。

3.2 噴氨控制邏輯

1)讀取窯爐換火時間,以換火時間節(jié)點為基準,調(diào)節(jié)噴氨量。

2)讀取脫硝入口NOx實時濃度,根據(jù)脫硝入口NOx實時的變化,調(diào)節(jié)噴氨量。

3)將窯爐每個火的20 min拆分為多個時間段,每個時間段對應(yīng)1個噴氨量。

4)根據(jù)脫硝入口NOx實時濃度的變化規(guī)律,再行自動調(diào)節(jié)各個時間段內(nèi)的噴氨量,精準匹配NOx波動曲線,見圖1。

3.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)

該玻璃窯爐煙氣治理系統(tǒng)采用陶瓷濾管一體化脫硫脫硝除塵工藝,系統(tǒng)運行高效穩(wěn)定,運行費用低,窯爐煙氣參數(shù)如表2所示。

表2 窯爐煙氣參數(shù)

噴氨控制系統(tǒng)加以融入完善后,通過現(xiàn)場CEMS監(jiān)測、氨逃逸監(jiān)測以及氨氣物料消耗的分析,氨逃逸指標得到良好控制,物料消耗得到大幅降低,結(jié)果如表3～表5所示。

表3 脫硝進出口NOx濃度對比(噴氨控制程序應(yīng)用前后)

表4 脫硝出口氨逃逸濃度對比(噴氨控制程序應(yīng)用前后)

表5 氨氣用量對比(噴氨控制系統(tǒng)應(yīng)用前后)

由表5可知,噴氨控制程序應(yīng)用后氨氣用量日均值明顯下降。

4 結(jié) 論

a.陶瓷濾管一體化脫硫脫硝除塵系統(tǒng)運行后,出口污染物排放濃度NOx<100 mg/Nm3,SO2<50 mg/Nm3,粉塵<10 mg/Nm3,均達到超低排放標準。

b.噴氨控制系統(tǒng)應(yīng)用后,氨逃逸<4 mg/Nm3,完全滿足了最新的山東省地方標準8 mg/Nm3以下的要求。

c.總排口NOx得到了更加穩(wěn)定的控制,大幅減少了波峰波谷的波動范圍,降低了NOx小時均值超標的風(fēng)險。

d.氨逃逸大幅下降,且控制穩(wěn)定。

e.氨氣消耗量明顯降低。

f.隨著該系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行,為企業(yè)解決了超低排放的穩(wěn)定性問題,減少了物料消耗,降低了運行成本。該氨逃逸精確控制系統(tǒng)在山東省乃至全國首推并給出完美成果,樹立了行業(yè)標桿,取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益,為行業(yè)及環(huán)境的良性發(fā)展助力。