中低温SCR 脱硝技术在焦炉烟道气NOx脱除中的应用

2022-01-26史军伟马静文杨亮亮

煤化工 2021年6期

史军伟，高斌，马静文，杨亮亮

（1.陕西龙门煤化工有限责任公司，陕西韩城 715400；2.内蒙古黑猫煤化工有限公司，内蒙古巴彦淖尔 015000）

焦炉烟道气是焦化企业最主要的废气污染源，其NOx排放质量浓度为1000 mg/m3～1500 mg/m3，焦化企业90%的NOx来源于此，因此脱除焦炉烟道气中的NOx对降低焦化企业废气污染具有重要意义。目前，国内脱硝技术主要包括低氮燃烧技术、焦炉炉内脱硝技术、选择性催化还原（SCR）技术和氧化脱硝技术等[1]，其中针对焦炉烟道气的中低温SCR 脱硝技术因其工艺成熟可靠、脱硝效率较高、易于控制而被广泛应用[2]。

某公司地处陕西省关中地区，于2011年建成投运8 座65 孔5.5 m 捣固焦炉，焦炉烟道气中NOx排放质量浓度约800 mg/m3。该公司从2020年1月1日起执行DB 61/941—2018《关中地区重点行业大气污染排放标准》，其中焦炉烟道气中NOx排放质量浓度限值为150 mg/m3。为此，该公司投资约4800 万建设了4 套中低温SCR 脱硝装置，2 座焦炉共用1 套脱硝装置（烟道气设计处理量为26 万m3/h），采用的工艺路线为“中低温SCR 脱硝+ 余热回收+ 引风机+ 氨法脱硫”，装置于2019年6月通过验收并投运，至今运行稳定。现以其中1 套SCR 脱硝装置的运行情况为例进行总结，供同行业借鉴参考。

1 烟道气组成及中低温SCR 脱硝工艺流程

该公司中低温SCR 脱硝装置进、出口NOx质量浓度分别为1200 mg/m3、90 mg/m3，焦炉烟道气的组成见表1。

表1 焦炉烟道气的组成%

中低温SCR 脱硝工艺流程示意图见图1。来自焦炉的烟道气（220 ℃～300 ℃）与来自静态混合器的气体（含气氨）在进口总管道混合后，从SCR 脱硝反应器顶部进入，在催化剂床层流动的过程中，气氨与烟道气中的NOx发生了氧化还原反应，将NOx还原为N2，从而达到脱除烟道气中NOx的目的。脱除NOx的烟道气从SCR 脱硝反应器底部出来后进入后工序。同时利用稀释风机在SCR 脱硝反应器出口总管抽出一股烟道气，与气氨在静态混合器中进行混合，然后喷入SCR脱硝反应器进口总管。

图1 中低温SCR 脱硝工艺流程示意图

2 SCR 脱硝塔实际运行情况

2.1 SCR脱硝塔阻力上升的原因分析及解决措施

该公司中低温SCR 脱硝工艺采用以MoO3-TiO2为载体、V2O5为活性组分的蜂窝式催化剂。2018年10月，SCR 脱硝塔建成初期试运行时的阻力为800 Pa～900 Pa，2019年4月，脱硝塔阻力上升至1900 Pa 左右。为查明原因，将脱硝系统停车后取出催化剂，发现催化剂孔被黑色粉末及白色固体状物质堵塞。经过化验，可知白色固体状物质主要是硫酸盐和硫酸铵盐，黑色粉末主要是煤气燃烧后夹带的游离碳、飞灰等杂质。经过分析，硫酸盐和硫酸铵盐生成的原因是烟道气中的SO2在催化剂活性组分V2O5的作用下，被选择性地转化为SO3，SO3与气氨进一步反应生成硫酸盐和硫酸铵盐[3]。生成的硫酸盐和硫酸铵盐黏附在催化剂表面并吸附粉尘，进而堵塞孔道，使系统阻力上升。

为了解决SCR 脱硝塔阻力上升的问题，采取了以下措施：（1）将SCR 脱硝塔设计成4 个并联的舱室，每个舱室能够独立运行，并为每个舱室配备超声波动力除灰装置，4 个舱室由自动控制系统控制，定时轮流除灰；（2）在SCR 脱硝塔进口管道配备烟道气加热装置，当进口烟道气温度低于270 ℃时，加热装置通过燃烧焦炉煤气对进口烟道气进行加热，尽量减少由于烟道气温度降低造成的硫酸盐和硫酸铵盐析出并附着在催化剂表面。

2.2 SCR 脱硝塔进口烟道气温度对脱硝塔出口NOx含量的影响

SCR 脱硝塔进口烟道气中NOx平均质量浓度为1200 mg/m3，由于焦炉生产负荷的调整，进入脱硝装置焦炉烟道气的温度在200 ℃～300 ℃波动。焦炉生产负荷相同时，对不同SCR 脱硝塔进口烟道气温度时脱硝塔出口NOx的含量进行了统计，结果见图2。

图2 SCR 脱硝塔进口烟道气温度对脱硝塔出口NOx 含量的影响

由图2 可以看出，随着焦炉烟道气温度的升高，脱硝塔出口烟道气中的NOx含量逐渐降低。这是因为烟道气温度决定了脱硝装置催化剂床层的反应温度，当反应温度在140 ℃～250 ℃时，催化剂脱硝效率随着反应温度的升高而迅速增加；继续升高温度，催化剂脱硝效率缓慢增加，而后趋于稳定。在实际生产运行中，为了能够满足DB 61/941—2018 焦炉烟道气中NOx排放限值要求，该公司将SCR 脱硝塔进口烟道气温度严格控制在不低于270 ℃。

2.3 喷氨量对SCR 脱硝塔出口NOx含量的影响

SCR 脱硝工艺的原理是通过氨与NOx反应，将NOx还原为N2，从而达到脱除NOx的目的。因此，喷氨量对SCR 脱硝塔出口烟道气中NOx的含量有重要影响。当喷氨量不足时，烟道气中的NOx不能完全反应，会导致SCR 脱硝塔出口烟道气中NOx的含量升高，甚至超标。当喷氨量过高时，一方面会导致脱硝成本增加，同时过量的氨会与烟道气中的SO2、O2反应生成硫酸盐和硫酸铵盐，在温度较低时变成固体黏附在催化剂床层，影响催化剂脱硝效率并增加床层阻力；另一方面，过量未反应的氨进入尾气会造成氨逃逸。因此，要根据进口烟道气流量及烟道气中NOx的含量及时调整喷氨量。

在SCR 脱硝塔实际运行中，该公司通过监测SCR脱硝塔进口烟道气流量及烟道气中NOx的含量，采用自动回路控制系统控制气氨流量，取得了很好的效果。其中，气氨消耗量采用式（1）进行计算[4]：

式中，W 为气氨消耗量，kg/h；Vq为SCR 脱硝塔进口烟道气流量，m3/h；CNO、CNO2为SCR 脱硝塔进口烟道气中NO、NO2的质量浓度，mg/m3；m 为考虑脱硝效率和氨逃逸后的实际氨消耗量与100%脱硝效率理论氨消耗量的比值（该公司m 经验值采用0.85）。以该公司实际情况为例，处理烟道气流量为20 万m3/h，进口烟道气中NOx质量浓度为1200 mg/m3（其中NO 质量浓度为1100 mg/m3，NO2质量浓度为100 mg/m3），m 取经验值0.85，经计算得到气氨消耗量为118.5 kg/h。