SCR脫硝工藝的研究

王曉東

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

引 言

山東濰焦集團脫硫脫硝項目二期工程脫硝裝置采用中低溫選擇性催化還原法(SCR)，催化劑采用中低溫催化劑，該催化劑為焦爐煙氣特供催化劑，適用于焦爐煙氣工況條件。采用DCS集中控制系統(tǒng)，煙氣進、出口安裝實時監(jiān)測裝置，具有就地和遠方監(jiān)測顯示功能，監(jiān)測的項目包括：煙氣量、NOx、SO2、O2、NH3、粉塵、壓差等(其中，NH3僅出口安裝)，根據(jù)系統(tǒng)出口NOx濃度，綜合氨逃逸量調(diào)整噴氨系統(tǒng)的噴氨量。

1 濰焦項目脫硝工藝

本方案煙氣脫硝技術(shù)采用選擇性催化還原法(SCR法)，脫硝還原劑選用20%濃氨水。系統(tǒng)主要由SCR反應器、氨水控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)等組成。催化劑使用自主研發(fā)生產(chǎn)的低溫脫硝催化劑。脫硝流程如圖1所示。

圖1 脫硝流程

煙氣通過管道輸送至脫硝SCR反應器中。反應器由上而下布置兩層低溫脫硝催化劑。由氨水站來的20%濃氨水經(jīng)過噴霧分布器霧化后輸送至SCR反應器。煙氣中的NOx在脫硝催化劑的作用下，與氨發(fā)生反應生成N2和H2O。凈化后的煙氣送往廠區(qū)原有余熱利用單元。

為使氨水與煙氣在SCR 反應器前有較長的混合區(qū)段以保證充分混合，應盡可能使氨水在遠離SCR反應器入口處噴入。

在脫硫脫硝裝置進口及出口各設置一套CEMS系統(tǒng)，在氨分解單元后設置一套氨分析系統(tǒng)。在每層催化劑上方，設置可遠傳的煙氣溫度和壓力監(jiān)測裝置。

設計時，在正常負荷范圍內(nèi)，煙氣脫硝裝置的脫硝效率不低于95%(進口NOx質(zhì)量濃度不大于1 500 mg/Nm3，煙氣入口溫度220 ℃～340 ℃、兩層低溫脫硝催化劑)，出口NOx質(zhì)量濃度不大于100 mg/Nm3；系統(tǒng)阻力≤1 200 Pa。

2 催化劑對于噴氨濃度的要求

2.1 氨水質(zhì)量分數(shù)

SCR技術(shù)的主要化學反應為式(1)、式(2)。

(1)

(2)

在現(xiàn)場脫硝系統(tǒng)使用時，由于濃氨水質(zhì)量分數(shù)不足20%，僅為8%，在入口NOx濃度不變的情況下，濃氨水質(zhì)量分數(shù)不足的直接后果就是反應不完全，出口NOx濃度增大。更換質(zhì)量分數(shù)為20%的濃氨水后，出口NOx質(zhì)量濃度恢復到100 mg/Nm3以下。

2.2 噴氨量

在實際噴氨量大于設計值時，會在催化劑表面形成大量的NH4HSO4，長時間運行后會對催化劑造成不可逆的毒害。應在實際運行時避免出現(xiàn)過量噴氨的情況。

實際運行時，務必注意以下兩點：

1) 觀察理論氨逃逸量數(shù)據(jù)，要考慮到在線儀表的波動及理論計算的偏差，進行噴氨調(diào)整。

2) 根據(jù)機組負荷不超過300 000 Nm3/h時，NOx質(zhì)量濃度不超過1 500 mg/Nm3，以低溫催化劑后NOx出口質(zhì)量濃度為100 mg/Nm3計算，原則上，噴氨量理論計算值不可超過133 kg/h。

2.3 具體的噴氨操作

1) 噴氨量開始為5 kg/h，噴氨后觀察一段時間，根據(jù)DCS現(xiàn)實值計算噴氨量和氨逃逸。如果計算結(jié)果符合實際值，則證明噴氨量正常。

2) 煙道氣量增加后，逐步提高噴氨量，每次提高幅度為5 kg/h，繼續(xù)觀察并按照步驟1)進行計算。

3) 原則上不提高到當前工況條件下的最大理論噴氨量。

3 催化劑的保養(yǎng)維護

在實際使用的過程中，脫硝催化劑發(fā)生了嚴重堵塞，致使系統(tǒng)無法正常運行。

堵塞物的主要成分是液態(tài)的硫酸銨結(jié)晶和灰塵。現(xiàn)場的煙氣入口溫度在260 ℃左右，來自煙氣中的H2O、SO2/SO3和NH3在該溫度條件下反應生成液態(tài)的硫酸銨，液態(tài)硫酸銨容易附著在催化劑的表面，堵塞催化劑。堵塞后的催化劑最上層又附著了煙道氣中的灰塵，最終導致催化劑發(fā)生堵塞。

硫酸銨在煙道氣溫度高于280 ℃時，會分解為氨氣、氮氣、二氧化硫和水；當煙道氣溫度低于180 ℃時會凝結(jié)為結(jié)晶體。所以，良好的工藝環(huán)境應為煙道氣溫度高于280 ℃時，使用高溫催化劑，煙道氣溫度低于180 ℃時，使用低溫催化劑。

3.1 鹽的形成

鹽的形成主要是指催化劑表面被銨鹽覆蓋，來自煙氣中H2O、SO2/SO3和NH3在一定煙氣濃度和溫度情況下是同時出現(xiàn)的，它們將降低催化劑的活性。

這些化學鈍化是可以通過加熱受影響的催化劑，使其溫度超過350 ℃，從而恢復其活性(逆轉(zhuǎn))。

鹽的形成過程為：

3.2 催化劑鈍化

各種影響催化劑中毒的氣體或液體將會使催化劑活性降低，催化劑中毒的程度由很多因素決定，如，催化劑中毒的濃度、暴露時間、溫度等。

催化劑可以通過直接吸收煙氣中氣相物質(zhì)發(fā)生中毒，典型的有磷、砷、硒等的化合物質(zhì)，也有四氟化硅，這些中毒可以通過添加石灰的方法加以補救。

其他催化劑中毒，是通過液相形式擴散進入催化劑的活性中心，通常是通過與水和酸的露點發(fā)生反應。煙囪內(nèi)的灰塵黏附在催化劑的表面使催化劑中毒，典型的例子是通過堿金屬和堿土金屬化合物，如，鈉、鉀、鎂和鈣鹽。

這些可通過避免露點進行補救或?qū)⑼ㄟ^露點的時間縮減到極小，短暫停頓期間可設反應器旁路使煙氣從旁路通過，這是最有效的措施。

3.3 灰塵沉積

催化劑單元已盡可能地設計為最佳防止灰塵沉淀。適當?shù)拇胧?如，密封板、煙道反應器導向板)將確保最佳的煙氣流通過催化劑。在設計時必須防止死區(qū)以及渦流的形成，盡可能地限制灰塵沉淀在催化劑上。

灰塵沉淀在催化劑上會導致壓力降增加。壓力降在反應器入口和出口處測量，因此需記錄顯示催化劑阻塞的程度。如果在反應器停運期間，反應器和催化劑必須檢查和手動徹底清洗(空氣吹掃或吸塵)，以清除催化劑表面的飛灰。灰塵必須被徹底的清洗，因為灰塵內(nèi)的成分會造成化學反應，導致催化劑失活。

4 結(jié)論

1) 脫硝反應的最佳煙道氣反應溫度應高于280 ℃使用高溫催化劑，或者煙道氣溫度低于180 ℃使用低溫催化劑。

2) 噴氨量原則上不提高到當前工況條件下的最大理論噴氨量。