氧化鋁高溫焙燒窯煙氣SCR脫硝系統優化改造

賈章椿 毛 鵬

(中鋁山東工程技術有限公司, 山東 淄博 255052)

0 前言

生態環保部發布的《關于加強重污染天氣應對夯實應急減排措施的指導意見》要求氧化鋁行業環保A級企業NOx的排放指標不高于50 mg/Nm3，《區域性大氣污染物綜合排放標準(山東省)》(DB 37/2376—2019)(以下簡稱《規范》)要求重點控制區NOx排放指標不高于100 mg/Nm3。相較之下，環保A級企業的指標要求更為嚴格。

氧化鋁工業窯爐形式多樣，生產工況復雜多變，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生的煙氣中NOx濃度高，超低排放難度相當大。

山東某公司現有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。SCR脫硝系統存在尿素熱解系統稀釋風余量不足，脫硝催化劑活性較低等問題，無法實現環保A級企業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。本文結合實際項目分析存在問題，并通過對噴氨格柵、尿素熱解系統和吹灰系統等進行優化改造，使排放煙氣NOx濃度低于50 mg/Nm3，SCR脫硝效率大于98.15%，實現了超低排放。

1 SCR脫硝系統存在問題

1.1 烘爐工況的煙氣溫度低

烘爐工況煙氣溫度不高，導致脫硝反應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，導致噴氨系統調節難度大。

根據實測數據，烘爐工況下煙氣溫度與煙氣NOx濃度的關系圖1所示。由圖1所知，當NOx濃度達到50 mg/Nm3時，脫硝反應器進口煙氣溫度為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設計不合理，催化劑積灰嚴重影響活性；同時SCR脫硝反應器未設人孔門或觀察孔，停爐時，檢修人員無法進入SCR脫硝反應器內部檢查催化劑，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濃度關系

1.3 噴氨格柵設置不合理

SCR脫硝反應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；氨氣在煙道內順著氣流噴霧，混合不均勻，影響脫硝效率。原設計50%濃度的尿素溶液消耗量為60.5 kg/h，稀釋風機風量選型余量不足，電加熱器功率選型太小，尿素熱解溫度在550 ℃左右。尿素熱解系統操作稍有不當，尿素溶液就會分解不完全，造成煙氣顆粒物排放超標，同時尿素殘余顆粒物會堵塞噴氨格柵開孔，影響脫硝系統正常運行。

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，根據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系如圖3所示。

圖3 尿素分解率與尿素殘余顆粒物濃度關系圖

根據圖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《規范》中顆粒物濃度≤10 mg/Nm3的排放要求。工業窯爐煙氣量小，煙氣NOx濃度高，尿素熱解系統調節難度非常大。

1.4 催化劑吹灰系統設置不合理

SCR脫硝反應器設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脫硝反應器的煙氣自下而上流動，催化劑的煙氣流進側積灰較多，但原設計催化劑吹灰器設在催化劑煙氣流出側，導致催化劑的吹灰效果不理想，長時間運行后積灰嚴重，催化劑活性降低，系統阻力增大，影響脫硝系統正常運行。

2 主要改造內容

2.1 增設煙氣提溫設施

針對烘爐工況煙氣溫度不高的情況，在SCR脫硝反應器進口煙道直接設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脫硝反應器原來Φ800 mm的進口煙道，將其改造為Φ1 500 mm的均化燃燒室。燃燒器運行過程中，煙道負壓不能低于2 kPa。燃燒器進口煙道和SCR脫硝反應器的出口煙道均設置煙氣自動監控系統(CEMS)進行氧氣量檢測；燃燒器自帶火檢，控制系統通過煙氣溫度聯鎖開停，燃燒閥組周邊設置可燃氣體檢測報警系統。

改造后，煙道燃燒器在煙道內部直接燃燒，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，主要由鋼或陶瓷構成；載體用于承載活性金屬，現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。該項目脫硝系統煙氣溫度在180～240 ℃，因此應選擇低溫型催化劑。

原脫硝系統采用25孔蜂窩催化劑，因催化劑積灰和低溫運行導致活性較低，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，并在鋼梁表面鋪設陶瓷纖維紙，催化劑模塊安裝以后，對內部進行嚴密性檢查。改造后，系統阻力增加450 Pa(包括煙道燃燒器阻力300 Pa)。經過核算，現有引風機全壓富裕800 Pa，滿足改造要求。

2.3 優化噴氨格柵和噴氨系統

因為改造項目現場空間有限，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化為Φ12 mm[3]，并在SCR反應器進口處增設煙氣混合器。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的最低連續噴氨溫度[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。為了保證脫硝系統穩定運行，最低連續噴氨溫度控制在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，但噴氨系統仍存在稀釋風量不足和熱解溫度低等問題亟待解決。

為此，更換稀釋風機，將其風量由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，在滿足最大稀釋風量條件下將稀釋風溫度升高至600 ℃以上。尿素熱解溫度控制在550～600 ℃，尿素分解率基本達到最高值。在此溫度范圍內，尿素濃度越低，分解率越高[5]。運行過程中，尿素流量調節范圍較小時，可適當降低尿素溶液濃度，增加尿素流量，以達到精確控制的目標。

改造后，稀釋風量充足，熱解溫度達標，噴氨系統正常調節不會造成顆粒物超標和噴氨格柵堵塞。

2.4 重新布置催化劑吹灰系統

將催化劑吹灰系統順應SCR脫硝反應器煙氣流向布置在積灰較多的催化劑煙氣流進側，以提高吹灰效果，降少系統運行阻力，保證催化劑活性。

2.5 脫硝反應器本體增設檢修人孔門和檢測孔

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

3 效益分析

3.1 經濟效益分析

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，設備折舊費年增加12.4萬元，維修費年增加3.7萬元。但環保設施穩定運行，產能提高，年利潤增加150萬元。綜上分析，該項目實施后，年節約成本124.98萬元，經濟效益明顯，為企業降本增效奠定基礎。

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，達到環保A級企業NOx低于50 mg/Nm3的排放指標，年減少NOx排放量為10 920 kg，既響應了國家和當地政府減少大氣污染物排放的政策，也改善了企業及周邊區域的空氣質量。

4 結束語

某公司高溫焙燒窯SCR脫硝系統存在烘爐工況下煙氣溫度低、催化劑活性較低、噴氨格柵設置和催化劑吹灰系統設置不合理等問題，通過增設煙氣提溫設施、采用低溫催化劑、優化噴氨格柵、重新布置催化劑吹灰系統、增設人孔門和檢測孔等措施進行改造。項目改造后，煙氣NOx排放濃度由100 mg/Nm3降低至35 mg/Nm3以下，噴氨系統運行穩定，實現改造目標。