賈章椿 毛 鵬

(中鋁山東工程技術(shù)有限公司, 山東 淄博 255052)

0 前言

生態(tài)環(huán)保部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)重污染天氣應(yīng)對夯實應(yīng)急減排措施的指導(dǎo)意見》要求氧化鋁行業(yè)環(huán)保A級企業(yè)NOx的排放指標(biāo)不高于50 mg/Nm3，《區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(山東省)》(DB 37/2376—2019)(以下簡稱《規(guī)范》)要求重點控制區(qū)NOx排放指標(biāo)不高于100 mg/Nm3。相較之下，環(huán)保A級企業(yè)的指標(biāo)要求更為嚴(yán)格。

氧化鋁工業(yè)窯爐形式多樣，生產(chǎn)工況復(fù)雜多變，煙氣成分差別大。比如，耐材焙燒、硝酸鹽煅燒等所使用的窯爐產(chǎn)生的煙氣中NOx濃度高，超低排放難度相當(dāng)大。

山東某公司現(xiàn)有2臺高溫焙燒窯，均以天然氣為燃料，窯后配有金屬濾袋除塵器和SCR脫硝系統(tǒng)。SCR脫硝系統(tǒng)存在尿素?zé)峤庀到y(tǒng)稀釋風(fēng)余量不足，脫硝催化劑活性較低等問題，無法實現(xiàn)環(huán)保A級企業(yè)NOx超低排放的要求。項目改造前，煙氣量為15 000 Nm3/h，煙氣溫度為200 ℃，煙氣NOx濃度為3 000 mg/Nm3，濃度50%的尿素溶液消耗量為60.5 kg/h，NOx排放濃度低于100 mg/Nm3。本文結(jié)合實際項目分析存在問題，并通過對噴氨格柵、尿素?zé)峤庀到y(tǒng)和吹灰系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化改造，使排放煙氣NOx濃度低于50 mg/Nm3，SCR脫硝效率大于98.15%，實現(xiàn)了超低排放。

1 SCR脫硝系統(tǒng)存在問題

1.1 烘爐工況的煙氣溫度低

烘爐工況煙氣溫度不高，導(dǎo)致脫硝反應(yīng)器入口的煙氣溫度太低，無法滿足脫硝催化劑最低使用溫度(180 ℃)的要求；同時煙氣量波動范圍大，烘爐工況煙氣量甚至小于10 000 Nm3/h，導(dǎo)致噴氨系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度大。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，烘爐工況下煙氣溫度與煙氣NOx濃度的關(guān)系圖1所示。由圖1所知，當(dāng)NOx濃度達(dá)到50 mg/Nm3時，脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙氣溫度為90 ℃，不滿足催化劑的最低使用溫度。

1.2 催化劑活性較低

該項目試車之初，脫硝催化劑已投運，至今已過去2年時間，催化劑活性較低，而且由于該項目催化劑吹灰系統(tǒng)設(shè)計不合理，催化劑積灰嚴(yán)重影響活性；同時SCR脫硝反應(yīng)器未設(shè)人孔門或觀察孔，停爐時，檢修人員無法進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)部檢查催化劑，無法如實掌握催化劑的積灰情況。

圖1 烘爐工況下煙氣溫度與NOx濃度關(guān)系

1.3 噴氨格柵設(shè)置不合理

SCR脫硝反應(yīng)器入口的噴氨位置距離第一層催化劑只有2 m，距離太短；噴氨格柵開孔直徑為Φ6 mm，開孔太小容易堵塞；氨氣在煙道內(nèi)順著氣流噴霧，混合不均勻，影響脫硝效率。原設(shè)計50%濃度的尿素溶液消耗量為60.5 kg/h，稀釋風(fēng)機(jī)風(fēng)量選型余量不足，電加熱器功率選型太小，尿素?zé)峤鉁囟仍?50 ℃左右。尿素?zé)峤庀到y(tǒng)操作稍有不當(dāng)，尿素溶液就會分解不完全，造成煙氣顆粒物排放超標(biāo)，同時尿素殘余顆粒物會堵塞噴氨格柵開孔，影響脫硝系統(tǒng)正常運行。

圖2 噴氨格柵開孔示意圖

為了證實尿素分解后的殘余顆粒物會造成煙氣顆粒物濃度超標(biāo)，根據(jù)10 000 Nm3/h煙氣量計算得出的尿素分解率與尿素殘余顆粒物濃度關(guān)系如圖3所示。

圖3 尿素分解率與尿素殘余顆粒物濃度關(guān)系圖

根據(jù)圖3可知，尿素分解率為99.6%時，殘余顆粒物濃度為4.8 mg/Nm3，加上煙氣除塵后原有粉塵濃度6 mg/Nm3，已不能滿足《規(guī)范》中顆粒物濃度≤10 mg/Nm3的排放要求。工業(yè)窯爐煙氣量小，煙氣NOx濃度高，尿素?zé)峤庀到y(tǒng)調(diào)節(jié)難度非常大。

1.4 催化劑吹灰系統(tǒng)設(shè)置不合理

SCR脫硝反應(yīng)器設(shè)置在金屬濾袋除塵器之后，煙氣顆粒物濃度≤6 mg/Nm3，脫硝煙氣中的氧化鋁粉塵粒徑很小，容易堵塞脫硝催化劑表面[1]。SCR脫硝反應(yīng)器的煙氣自下而上流動，催化劑的煙氣流進(jìn)側(cè)積灰較多，但原設(shè)計催化劑吹灰器設(shè)在催化劑煙氣流出側(cè)，導(dǎo)致催化劑的吹灰效果不理想，長時間運行后積灰嚴(yán)重，催化劑活性降低，系統(tǒng)阻力增大，影響脫硝系統(tǒng)正常運行。

2 主要改造內(nèi)容

2.1 增設(shè)煙氣提溫設(shè)施

針對烘爐工況煙氣溫度不高的情況，在SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙道直接設(shè)置特種均化低氮管道燃燒器。此燃燒器的核心部件為英國進(jìn)口，加裝后，煙道阻力增加了150～300 Pa。烘爐過程中，特種均化低氮管道燃燒器瞬時將煙氣溫度自90 ℃加熱至200 ℃，滿足催化劑脫硝最低使用溫度180 ℃的要求。燃燒器安裝過程中，需要停爐拆除SCR脫硝反應(yīng)器原來Φ800 mm的進(jìn)口煙道，將其改造為Φ1 500 mm的均化燃燒室。燃燒器運行過程中，煙道負(fù)壓不能低于2 kPa。燃燒器進(jìn)口煙道和SCR脫硝反應(yīng)器的出口煙道均設(shè)置煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)進(jìn)行氧氣量檢測；燃燒器自帶火檢，控制系統(tǒng)通過煙氣溫度聯(lián)鎖開停，燃燒閥組周邊設(shè)置可燃?xì)怏w檢測報警系統(tǒng)。

改造后，煙道燃燒器在煙道內(nèi)部直接燃燒，煙氣提溫速度快，而且燃燒器安裝靈活，操作簡單，不需要補(bǔ)熱時可抽出煙道。煙道燃燒器原理如圖4所示。

圖4 煙道燃燒器原理示意圖

2.2 更換催化劑

在SCR技術(shù)中，催化劑是核心部分。催化劑一般由基材、載體和活性成分三部分組成[2]。基材是催化劑形狀的骨架，主要由鋼或陶瓷構(gòu)成；載體用于承載活性金屬，現(xiàn)在很多蜂窩狀催化劑則把載體材料本身作為基材制成蜂窩狀；活性成分一般有V2O5、WO3、MoO3等。目前，工業(yè)催化劑主要是以TiO2為載體的V2O5基催化劑，通常包括V2O5/TiO2、V2O5/TiO2- SiO2、V2O5- WO3/TiO2及V2O5- MoO3/TiO2等類型。催化劑按溫度窗口不同分為低溫型(140～280 ℃)、中溫型(350～420 ℃)和高溫型(450～650 ℃)。

脫硝催化劑選擇要考慮的主要因素有：溫度窗口、比表面積、空速和使用壽命等。該項目脫硝系統(tǒng)煙氣溫度在180～240 ℃，因此應(yīng)選擇低溫型催化劑。

原脫硝系統(tǒng)采用25孔蜂窩催化劑，因催化劑積灰和低溫運行導(dǎo)致活性較低，不能滿足該項目的改造要求，所以更換原有的4層催化劑，啟用備用層催化劑，增加催化劑體積，以解決NOx濃度高的問題。在催化劑底部支撐梁增加角鋼，并在鋼梁表面鋪設(shè)陶瓷纖維紙，催化劑模塊安裝以后，對內(nèi)部進(jìn)行嚴(yán)密性檢查。改造后，系統(tǒng)阻力增加450 Pa(包括煙道燃燒器阻力300 Pa)。經(jīng)過核算，現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)全壓富裕800 Pa，滿足改造要求。

2.3 優(yōu)化噴氨格柵和噴氨系統(tǒng)

因為改造項目現(xiàn)場空間有限，原噴氨格柵位置最多可向下移2 m。因此，重新制作噴氨格柵，將噴氨格柵開孔直徑優(yōu)化為Φ12 mm[3]，并在SCR反應(yīng)器進(jìn)口處增設(shè)煙氣混合器。改造后，煙氣混合距離增加了，能夠保證氨氣與煙氣混合均勻，提高脫硝效率。

采用SCR脫硝工藝后，煙氣中的NH3、SO3及所生成的NH4HSO4濃度決定了脫硝系統(tǒng)的最低連續(xù)噴氨溫度[4]。該項目采用低溫型催化劑，煙氣中SO2濃度≤30 mg/Nm3，要求最低噴氨溫度≥180 ℃。高溫焙燒原料含有少量H2S氣體，焙燒時釋放SO2氣體。經(jīng)過長時間的運行檢測，煙氣中SO2濃度低于25 mg/Nm3。為了保證脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定運行，最低連續(xù)噴氨溫度控制在180 ℃，正常工況下的煙氣溫度完全能夠滿足，烘爐工況的噴氨溫度可由新增煙道燃燒器保證，但噴氨系統(tǒng)仍存在稀釋風(fēng)量不足和熱解溫度低等問題亟待解決。

為此，更換稀釋風(fēng)機(jī)，將其風(fēng)量由693 m3/h加大至1 200 m3/h；更換煙氣電加熱器，將其功率由75 kW增加到125 kW，在滿足最大稀釋風(fēng)量條件下將稀釋風(fēng)溫度升高至600 ℃以上。尿素?zé)峤鉁囟瓤刂圃?50～600 ℃，尿素分解率基本達(dá)到最高值。在此溫度范圍內(nèi)，尿素濃度越低，分解率越高[5]。運行過程中，尿素流量調(diào)節(jié)范圍較小時，可適當(dāng)降低尿素溶液濃度，增加尿素流量，以達(dá)到精確控制的目標(biāo)。

改造后，稀釋風(fēng)量充足，熱解溫度達(dá)標(biāo)，噴氨系統(tǒng)正常調(diào)節(jié)不會造成顆粒物超標(biāo)和噴氨格柵堵塞。

2.4 重新布置催化劑吹灰系統(tǒng)

將催化劑吹灰系統(tǒng)順應(yīng)SCR脫硝反應(yīng)器煙氣流向布置在積灰較多的催化劑煙氣流進(jìn)側(cè)，以提高吹灰效果，降少系統(tǒng)運行阻力，保證催化劑活性。

2.5 脫硝反應(yīng)器本體增設(shè)檢修人孔門和檢測孔

在SCR脫硝反應(yīng)器增設(shè)人孔門，在末層催化劑頂部反應(yīng)器箱體四面增設(shè)手動檢測孔。增設(shè)人孔門的目的是方便檢修人員進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi)部檢查催化劑積灰情況；增設(shè)手動檢測孔的目的是方便手動檢測SCR脫硝反應(yīng)后煙氣的NOx濃度、溫度和流量等參數(shù)，為判斷脫硝反應(yīng)器內(nèi)部氣流狀況提供依據(jù)。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

該項目實施后，2臺高溫焙燒窯年減少排污費0.54萬元，烘爐燃燒器年增加燃料費9.5萬元，設(shè)備折舊費年增加12.4萬元，維修費年增加3.7萬元。但環(huán)保設(shè)施穩(wěn)定運行，產(chǎn)能提高，年利潤增加150萬元。綜上分析，該項目實施后，年節(jié)約成本124.98萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯，為企業(yè)降本增效奠定基礎(chǔ)。

3.2 社會效益分析

該項目實施后，煙囪在線檢測顯示NOx最高排放濃度低于35 mg/Nm3，達(dá)到環(huán)保A級企業(yè)NOx低于50 mg/Nm3的排放指標(biāo)，年減少NOx排放量為10 920 kg，既響應(yīng)了國家和當(dāng)?shù)卣疁p少大氣污染物排放的政策，也改善了企業(yè)及周邊區(qū)域的空氣質(zhì)量。

4 結(jié)束語

某公司高溫焙燒窯SCR脫硝系統(tǒng)存在烘爐工況下煙氣溫度低、催化劑活性較低、噴氨格柵設(shè)置和催化劑吹灰系統(tǒng)設(shè)置不合理等問題，通過增設(shè)煙氣提溫設(shè)施、采用低溫催化劑、優(yōu)化噴氨格柵、重新布置催化劑吹灰系統(tǒng)、增設(shè)人孔門和檢測孔等措施進(jìn)行改造。項目改造后，煙氣NOx排放濃度由100 mg/Nm3降低至35 mg/Nm3以下，噴氨系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)改造目標(biāo)。