孫海生，常春梅，何永紅，饒文軍，趙哲龍，郝開開，汪保衛(wèi)，單林杰，張勇

（1. 上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518；2. 浙江特力再生資源有限公司，浙江嘉興 314300； 3. 寧波太極環(huán)保設備有限公司，浙江寧波 315300）

1 背景

煉油工業(yè)廢棄的含重金屬催化劑、冶金廢渣和精細化工廢棄中間體等危險固廢物，不能直接進行土地掩埋，需要進行無害化處理，變廢為寶，現(xiàn)階段主要采用燒結冶煉的方式進行危廢物的資源化再利用。危廢物燒結冶煉過程中產(chǎn)生大量氮氧化物，直接排入大氣將導致嚴重的空氣污染，因此危廢燒結處理裝置現(xiàn)階段亟需增設脫硝凈化裝置。

工業(yè)爐窯相關生產(chǎn)企業(yè)一直采用1997 年實施的GB 9078—1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》[1]，該標準沒有規(guī)定NOx的排放標準。國家生態(tài)環(huán)境部于2019 年7 月1 日下發(fā)關于《工業(yè)窯爐大氣污染物綜合治理方案》的通知。確定了主要目標，到2020 年，完善工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理管理體系，推進工業(yè)爐窯全面達標排放，實現(xiàn)工業(yè)行業(yè)二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物排放進一步下降，推動環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

目前，上海、山東、浙江[2-3]等地區(qū)明確規(guī)定工業(yè)爐窯排煙氣NOx限值小于100 mg/m3，隨著國家環(huán)境保護政策的不斷深入，工業(yè)爐窯煙氣脫硝凈化項目將是繼火力發(fā)電廠脫硝[4]和石油化工催化裂化再生煙氣脫硝[5]的又一具有規(guī)模性的脫硝治理工程。

1.1 選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝

SCR（Selective catalytic reduction）法是在催化劑的作用下，以NH3作為還原劑，有選擇性地與煙氣中的NOx反應并生成無毒、無污染的 N2和 H2O。首先由 Engelhard 公司發(fā)現(xiàn)并于1957 年申請專利，后來日本在該國環(huán)保政策驅(qū)動下，成功研制出了現(xiàn)今被廣泛使用的 V2O5/ TiO2催化劑，并分別于 1977年和 1979 年在燃油和燃煤鍋爐上成功投入商業(yè)運用。其主要反應為：

選擇適當?shù)拇呋瘎┛梢允狗磻?）、（2）在 300 ～ 420 ℃范圍內(nèi)進行，并能有效抑制副反應。

SCR 的脫硝率可達90%以上，是眾多脫硝技術中脫硝效率最高、最為成熟的技術，已成為國內(nèi)外電廠脫硝的主流技術[6]。在日本有93%以上的廢氣脫硝采用SCR，運行裝置300 套，目前我國火電廠96%以上的煙氣脫硝采用SCR 工藝。

工業(yè)爐窯煙氣脫硝凈化工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 工業(yè)爐窯煙氣脫硝凈化工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of industrial furnace flue gas denitration purification process

為保證NOx與NH3在SCR 反應器中充分反應，需要在焚燒爐中將含NOx的原煙氣進行加熱，通常采用天然氣燃燒放熱的方式使原煙氣溫度升至350 ℃左右，煙氣進入SCR 反應器中催化劑有較高的活性，氮氧化物轉(zhuǎn)化率最高。原煙氣經(jīng)過除塵器后溫度一般在120 ℃左右，若直接采用天然氣加熱，對于50 000 m3/h 風量的煙氣，需要消耗巨大的能量，天然氣耗量大，裝置運行成本較高。而若采用經(jīng)SCR反應器后的高溫煙氣先進行預熱原煙氣，使原煙氣由120 ℃升至320 ℃左右，原煙氣在爐膛中再經(jīng)天然氣加熱由320 ℃升至350 ℃，設置煙氣熱交換器后，僅需將原煙氣升高30 ℃溫差，相比于直接升高230 ℃溫差可節(jié)約大量天然氣。

因此，當前選擇節(jié)能高效的煙氣熱交換器，對于企業(yè)降低脫硝凈化裝置能耗，降低成套裝置運行成本具有重要意義。

2 存在的技術難題

由于工業(yè)爐窯處理的危險危廢物來源種類特殊性和燃燒后煙氣成分復雜性，導致目前工業(yè)爐窯煙氣脫硝凈化處理存在以下技術難題。

2.1 無成熟的脫硝凈化工藝

火電廠煤粉燃燒后，煙氣中氮氧化物的濃度一般在450～600 mg/m3左右[7]，而危廢燒結煙氣氮氧化物的濃度一般在2 000 ～ 3 000 mg/m3，在燒結一些特殊危廢物時，煙氣中氮氧化物濃度甚至可以超過3 000 mg/m3，氮氧化物排放濃度是傳統(tǒng)火電廠的4倍以上，因此火電廠成熟的SCR 脫硝工藝不能照搬到危廢燒結煙氣凈化處理裝置中，因此危廢燒結等工業(yè)爐窯煙氣脫硝凈化工藝相比電廠煙氣脫硝工藝難度更大，有其工藝的特殊性，需要不斷優(yōu)化，保證煙氣環(huán)保達標排放。

2.2 低溫酸露點腐蝕

原煙氣經(jīng)過除塵器后溫度一般在120 ℃左右進入煙氣熱交換器，自SCR 出的高溫凈化煙氣經(jīng)與原煙氣熱量交換后，凈化煙氣的排煙溫度在150 ℃左右，危廢燒結煙氣含硫量一般2 000 mg/（m3·h）左右，原煙氣和凈化煙氣在煙氣熱交換器低溫段都存在硫酸露點腐蝕的傾向，傳熱元件選材應保證具有良好的耐硫酸露點腐蝕性能，以保證傳熱元件不會因硫酸露點腐蝕發(fā)生過早失效。

2.3 熱交換器堵塞

危廢燒結煙氣含灰種類及特性與火電廠煙氣灰分存在較大差別，危廢燒結煙氣經(jīng)除塵器過濾后，含灰量一般在20 mg/m3以下。危廢燒結煙氣氮氧化物的濃度一般在2 000 mg/m3左右，為達到一定的脫硝效率，噴氨量增大，氨逃逸率上升，從而生成NH4HSO4沉積物，導致空預器堵灰、局部堵塞現(xiàn)象[8-9]。在150～220 ℃溫度區(qū)間，NH4HSO4是一種高黏性液態(tài)物質(zhì)，易冷凝沉積在空預器換熱元件表面，黏附煙氣中的飛灰顆粒，堵塞換熱元件通道，減小空預器內(nèi)流通截面積，從而導致空預器阻力的增加，換熱元件的效率降低等問題。

因此，應合理選擇熱交換器的結構型式，優(yōu)化設計熱交換器的傳熱元件，減少熱交換器堵塞狀況的發(fā)生。

2.4 熱交換器型式選擇

加熱爐配套空氣預熱器多采用熱管式、管式、翅片管式和板式熱交換器等結構形式，空氣預熱器一側(cè)為煙氣，一側(cè)為潔凈的空氣。然而，危廢燒結煙氣凈化裝置用煙氣熱交換器稍有不同，原煙氣和凈化煙氣均含一定量粉塵（最小可控制在10 mg/m3以下），并且兩側(cè)煙氣經(jīng)熱量交換后低溫側(cè)均存在酸露點腐蝕傾向，目前，熱管式和翅片管式熱交換器均無法解決煙氣側(cè)易積灰堵塞的難題[10]，不適用于危廢燒結煙氣凈化裝置。選擇適宜的熱交換器對裝置是否能長周期高效運行至關重要。

3 高效焊接板式熱交換器

為解決危廢燒結煙氣凈化裝置用煙氣熱交換器易發(fā)生堵塞、酸露點腐蝕等難題，開發(fā)了適用于該領域應用的新型高效焊接板式熱交換器，設備示意圖如圖2 所示。

圖2 危廢燒結煙氣脫硝凈化裝置專用煙氣熱交換器Fig.2 Special flue gas heat exchanger for waste sintering flue gas denitrification purification unit

如上圖，自SCR 反應器出來的350 ℃高溫凈化煙氣水平自左向右進入煙氣熱交換器，換熱后凈化煙氣以160 ℃水平從右側(cè)流出。120 ℃低溫原煙氣自右上側(cè)進入煙氣熱交換器，經(jīng)高溫凈化煙氣加熱后，原煙氣以320 ℃左右預熱后的溫度從左上側(cè)流出。高溫凈化煙氣入口與原煙氣出口溫度熱端端差30 ℃，并且熱交換工況出現(xiàn)嚴重的溫度交叉，設計手冊[11]指出管殼式換熱器不適用于溫度交叉的工況，而全焊接板式熱交換器在溫度交叉工況具有較大優(yōu)勢。

3.1 產(chǎn)品特點

（1）模塊化設計

危廢燒結煙氣脫硝凈化裝置采用的煙氣熱交換器為模塊化設計，圖中L2 所示區(qū)域傳熱元件可采用耐硫酸露點腐蝕強的高等級材質(zhì)，如耐硫酸露點腐蝕的ND 鋼、2205 雙相不銹鋼、254SMO 超級奧氏體不銹鋼及C276 鎳基合金等材料。L1 所示區(qū)域傳熱元件可采用300 系列不銹鋼材質(zhì)。若設備因低溫區(qū)酸露點腐蝕過早失效，可以僅更換L2 區(qū)域傳熱元件模塊，降低設備后續(xù)投入成本。

（2）寬流道設計

為避免原煙氣積灰和凈化煙氣側(cè)氨逃逸生成NH4HSO4沉積物，導致空預器堵灰，傳熱元件為寬流道無觸點設計，板間流速設計值始終保持在較高的范圍內(nèi)，使煙氣流速具備一定的自清洗功能，即使有飛灰附著，寬流道設計可以大大延長設備操作周期，保證整套凈化裝置穩(wěn)定運行。

（3）檢修維護

凈化煙氣側(cè)設置人孔M1，原煙氣側(cè)設置人孔M2，可方便對設備內(nèi)部進行定期維護和清理。

3.2 技術對比

將開發(fā)的危廢燒結煙氣脫硝凈化裝置專用焊接板式煙氣熱交換器與常用的熱管式、翅片管式熱交換器幾種性能指標進行比較，對比結果列于表1。

表1 常用類型煙氣熱交換器幾種性能指標對比Table 1 Comparison of several performance indexes for common typical flue gas heat exchangers

由于管殼式煙氣熱交換器傳熱系數(shù)小，為滿足危廢燒結煙氣熱負荷，設備重量大，占地空間大。另外，管殼式熱交換器換熱管多為無縫管，造價成本高，布管內(nèi)部背風面易積灰不易清理，因此表1 未將管殼式熱交換器列入。

熱管式熱交換器多用在250 ℃以下工況[12]，而危廢燒結煙氣凈化裝置自SCR 反應器來凈化煙氣一般在350 ℃左右，選用熱管式熱交換器需要熱管內(nèi)部工質(zhì)為有機耐高溫工質(zhì)，但有機工質(zhì)揮發(fā)，污染環(huán)境損害人體健康，熱管長期在高溫下工作容易碳化失效，失效形貌如圖3 所示。

為解決熱管耐高溫性能差的問題，即使采用熱管與擾流子組合式空氣預熱器[13]結構型式也無法適用于危廢燒結煙氣凈化裝置，因原煙氣和凈化煙氣均含有一定量的粉塵，管內(nèi)擾流子積灰后無法清理，設備積灰結垢后只能報廢。選擇碳鋼翅片管熱交換器無法滿足350 ℃操作工況，若采用不銹鋼翅片管，設備造價成本較高，另一方面翅片易積灰結垢，翅片管式熱交換器也不適用于危廢燒結煙氣凈化裝置。

圖3 有機工質(zhì)碳化后的情況 [12]Fig.3 Carbonization of organic working medium

表1 對比結果表明，焊接板式熱交換器因采用沖壓成形的波紋板片作為傳熱元件，傳熱元件表面光潔度較高，煙塵不易附著積聚，即使煙塵黏附傳熱元件表面，采用高壓水槍清洗操作也簡便易行。另外，焊接板式熱交換器傳熱元件耐溫性主要取決于選材，304 不銹鋼耐溫可以達到700 ℃，危廢燒結煙氣熱交換器高溫區(qū)采用304 不銹鋼在可靠性與經(jīng)濟性是可行的，不會發(fā)生熱管式熱交換器常出現(xiàn)的爆管問 題。

3.3 工業(yè)應用

某危廢燒結煙氣凈化裝置用煙氣熱交換器工況參數(shù)如表2 所示。原煙氣NOx初始濃度為2 700 mg/ m3，凈化后NOx為100 mg/m3；原煙氣與凈化煙氣SO2初始濃度5 000 mg/m3；原煙氣與凈化煙氣粉塵濃度20～50 mg/m3。

表2 煙氣熱交換器設計工況參數(shù)Table 2 Design parameters of flue gas heat exchanger

圖4 設備應用現(xiàn)場（含外保溫）Fig.4 Equipment field application

目前設備熱交換溫度指標和操作壓降指標均滿足設計值，煙氣脫硝凈化裝置設置煙氣熱交換器后，使原煙氣由120 ℃升至320 ℃以上，RTO 爐僅需將原煙氣升高30 ℃溫差（達到350 ℃）以維持SCR 反應器所需最佳反應溫度。

4 結束語

危廢燒結煙氣凈化裝置自增設高效焊接板式熱交換器以來，相比于未投入煙氣熱交換器，每天可以節(jié)約天然氣4 000 m3，降低脫硝凈化裝置能耗，降低成套裝置運行成本。據(jù)統(tǒng)計，每天節(jié)約天然氣成本1.5萬余元，設備投資回收期僅8 個月，該產(chǎn)品目前已在國內(nèi)危廢燒結煙氣凈化裝置應用數(shù)臺，設備應用效果良好，值得后續(xù)推廣應用。