SCR脫硝系統在玻璃窯爐系統改造中的應用

夏輝

摘 要：介紹山東省煙臺市某玻璃制品廠為滿足煙氣脫硝環保新標準，在其2#生產線原始NOx濃度2 500 mg/Nm3、鍋爐正常負荷范圍內的情況下，改進選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝系統及配套裝置，實現煙氣脫硝效率均不低于96%，煙氣脫硝后NOx出口濃度不超過100 mg/Nm3，氨逃逸不超過8 mg/Nm3的脫硝效果，成功實現了脫硝系統的優化目標。

關鍵詞：玻璃窯爐;SCR脫硝系統;節能減排

中圖分類號：X781.5文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0111-03

Abstract： In order to meet the new environmental protection standard of flue gas denitration， an improved SCR denitration system and its supporting devices are introduced in this paper. The original NOx concentration of the 2#production line is 2 500 mg/Nm3， the flue gas denitration efficiency is not less than 96% within the normal load range of the boiler， the NOx outlet concentration is not more than 100 mg/Nm3 after flue gas denitration， and the ammonia escape is not more than 8 mg/Nm3， The requirements of denitration system are successfully realized， which can be used as reference for similar projects.

Keywords： glass furnace;SCR denitration system;energy saving and emission reduction

近年來，我國對大氣污染的防治日益重視。為完善國家大氣污染物排放制度，改善環境空氣質量，近日生態環境部組織起草了國家環境保護標準《玻璃工業大氣污染物排放標準（征求意見稿）》（以下簡稱《標準》）。根據《標準》要求，所有相關企業自2022年7月1日起，玻璃制品熔窯煙氣中的氮氧化物濃度限值調整為500 mg/m3，重點地區調整為400 mg/m3。這意味著大多數玻璃制品生產企業的煙氣脫硝工藝都需要進行優化改造。

1 項目背景

煙臺市某玻璃制品廠2#玻璃窯爐生產線現配有煙氣調質系統、靜電除塵系統、選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝系統、臥式余熱鍋爐、石灰石-石膏法濕法脫硫系統以及濕電除塵系統等環保設施。某玻璃制品廠計劃將現有臥式余熱鍋爐更換為立式余熱鍋爐，并且現有脫硝裝置無法滿足國家和當地政府排放標準要求，需要對脫硝系統進行改造。為滿足最新的氮氧化物排放標準，在現場空間狹小、質量載荷大、工作溫度高、反應器不易與機組主體自然適配等諸多限制因素下，深入分析該廠現有脫硝工藝實際使用過程中遇到的問題，根據類似項目經驗，并結合項目實際情況，制定了具有針對性的改造方案。

2 玻璃窯爐煙氣特點

玻璃窯爐中的氮氧化物主要是熱致NOx，即空氣中的N2和O2在高溫條件下反應產生NOx。此外，原料中的硝酸鹽高溫分解、燃料中的氮與O2高溫反應，也是NOx的產生渠道[1]。在玻璃熔窯排放的氮氧化物中，NO占比為90%以上，NO2占比約為5%[2]。

玻璃制造過程中排放的煙氣污染物存在諸多特點。①成分復雜。玻璃生產過程中使用的燃料種類多樣，包括重油、天然氣、煤制氣以及石油焦粉等。不同的原料燃燒時會排放具有不同顆粒物特征的煙氣，因此NOx的濃度也會有所不同。②堿金屬和堿土金屬含量高。由于制造原料中含有較多鈉、鉀、鈣和鎂等堿金屬和堿土金屬，因此熔窯煙氣中堿金屬和堿土金屬的含量也會偏高，易與催化劑發生反應，降低催化劑的活性[3]。③NOx含量高。玻璃熔制過程需要高溫，N2和O2在高達1 500 ℃以上的環境中會發生反應產生大量的熱致NOx[4]。④煙氣波動大。各生產作業環節中，排放的煙氣溫度及組分易受燃料種類、反應物配比以及換火等燃燒制作工藝影響，且隨著時間的變化存在較大的波動，不易于進行脫硝處理[5]。

3 脫硝工藝系統原理

3.1 SCR法脫硝基本原理

SCR即選擇性催化還原技術。氨（NH3）在催化劑表面與氮氧化物（NOx）反應，將其還原為N2。多余的NH3則被O2氧化，轉化為N2和H2O。主要反應方程式如下[6-7]：

3.2 影響SCR法脫硝性能的因素

本項目采用蜂窩式催化劑結構。在實際脫硝過程中，較低的煙氣溫度會導致催化劑活性降低，而高溫煙氣則會導致催化劑出現燒結，且此時NH3會與O2反應生成NOx降低脫硝效果。催化劑活性與煙氣溫度的關系如圖1所示。飛灰撞擊會導致催化劑堵塞、侵蝕和磨損，煙氣中的堿金屬、堿土金屬與催化劑反應會導致催化劑中毒，SO2轉化成的SO3與NH3反應、NH3發生泄露等也是造成催化劑活性喪失的原因。SO2/SO3轉化率與溫度的關系如圖2所示。

為了提高脫硝效率，減少氨逃逸量，需要對反應器入口處的煙氣速度分布和煙氣中NH3/NOx摩爾比的分布情況進行精確的控制和調節。與SCR反應器相連接的煙道錯綜復雜，通常選擇采取在煙道轉向處加裝導流板和擾流柱的方式，以保證催化劑入口截面處氣體速度分布的均勻性，同時采用網格型多組噴嘴設計（如氨噴射格柵）控制煙氣各成分的摩爾比分布。

4 具體改造施工方案

為滿足國家及地區排放標準限值要求，針對原脫硝處理過程中存在的問題，主要從以下幾個方面進行優化改造。

4.1 優化SCR脫硝系統，提高脫硝效率

為改進原有SCR脫硝系統，降低排放煙氣中的NOx濃度至規定限值以下，項目中脫硝系統采用的還原反應劑為20%的氨水。SCR脫硝反應器系統主要包括煙氣系統、反應器、催化劑、吹灰系統及控制系統等。

煙氣系統中所有煙道均按照最差運行條件進行重新設計，最小壁厚取4 mm。重新布置的煙道可承受煙道自量、風荷載、地震荷載、灰塵積累、內襯及外保溫材料質量等。為便于對煙道進行檢查、維修以及清理煙道內積灰等操作，在適當處設置尺寸合適、數量充足的人孔門和清灰孔。根據對煙道內煙氣流動情況的分析，煙道內煙氣最大流速設計為15 m/s，催化劑區域內最大流速設計為6 m/s，并建立煙氣流動模型。為減少煙氣流動中受阻力影響造成的損失，根據分析結果，在外削角急轉彎頭和變截面收縮急轉彎頭處設置導流板。所有煙道上均安裝有煙氣取樣管，所設置的用于調試、安裝、檢修所需的門孔（如測試孔、測量孔、必須的人孔等）測點數量與位置均能夠滿足現場性能測試要求[8]。

每臺窯爐設置一臺SCR反應器，布置在靜電除塵器與引風機之間的中溫低塵段。在原有反應器內易于磨損的部位重新加裝防磨設施，將反應器主體設計為天方地圓形，以減少積灰。此外，將外部輕微破損的反應器機殼重新進行絕緣處理。本項目采用中溫22孔蜂窩式催化劑，在催化劑表層與上層催化劑支撐鋼梁之間留有足夠的維修空間。反應器的整體設計可保證煙氣均勻流動，煙氣流速的偏差約為15%。在進入第一層催化劑前，窯爐內的溫度分布、速度分布均較為均勻，溫度最大偏差值不超過10 ℃。在煙氣流出最后一層催化劑后，NH3/NOx摩爾濃度分布也呈現出穩定均勻的狀態[9]。SCR脫硝系統的工作流程如圖3所示。

4.2 增設氨水蒸發系統，減少催化劑活性喪失

為降低氨逃逸量，避免催化劑活性的降低，在原有系統上增設一套氨水蒸發系統，主要包括稀釋風機（作為氨水蒸發的熱源載體，采用高壓離心風機，每爐設置兩臺，一運一備）、電加熱器（為氨水蒸發提供溫度條件）、氨水蒸發器（作為氨水蒸發的發生器，霧化后的氨水與熱空氣在此發生劇烈的吸熱放熱反應，實現氨水的汽化，每爐設置一套）、噴槍、噴氨格柵（稀釋后的氨氣通過噴氨格柵均勻進入煙氣內）、混合器（確保氨氣與煙氣的充分接觸）、管道閥門以及儀器儀表等公用設施。

靜電除塵器出口的高溫煙氣經稀釋風機升壓輸送至電加熱器進行加熱，達到設計溫度（320 ℃）后的熱煙氣進入氨水蒸發器。同時，氨水輸送泵輸送來的氨水在壓縮空氣的助推下，經噴槍霧化噴入氨水蒸汽器內與熱煙氣混合，霧化后的細微氨水液滴從熱煙氣中迅速吸熱升溫，汽化為氨氣和水蒸氣，與熱煙氣混合在一起進入噴氨格柵系統。

4.3 改進清灰系統

脫硝反應器布置于靜電除塵器之后。但是，根據系統實際運行情況來看，催化劑表面仍然存在非常嚴重的積灰問題，需要定期停機進行人工清灰，極大地影響了脫硝系統的穩定運行。本次改造在每層催化劑上方設置一套玻璃窯爐脫硝專用的空氣耙式吹灰器，定時自動地利用高壓空氣對催化劑表面的積灰進行吹掃，防止積灰對脫硝系統的運行造成影響。

4.4 改進安全防護措施

在改造過程中，原系統存在部分安全隱患。為了保障工作人員的人身安全，需對其進行改進。首先，在氨水罐處增設6 m高的帶護籠直爬梯，同時頂部增設直徑3.0 m、高1.2 m的護欄。其次，堿液罐處增設4.5 m高的帶護籠直爬梯，同時頂部增設直徑3.0 m、高1.2 m的護欄。再次，在堿液泵房處連接現有的蒸汽管道處新增一組暖氣片，以防止冬季氣溫過低時堿泵和水管發生冰凍而影響系統的正常運行。最后，B3和B5脫硝熱風爐二次風機進行皮帶防護網的改造，增加1個葉輪檢修口和1個電機防雨罩。

5 結語

按照上述改造方案，2020年9月開始對脫硝系統進行改造。數據測量顯示，改造后氨耗量為135 kg/h，氨逃逸量小于8 mg/Nm3，脫硝裝置處理煙氣量可達30 000 Nm3/h，處理后煙氣中NOx濃度不超過100 mg/Nm3，脫硝效率可達96%以上。預計設備年運行時間可達8 000 h，裝置服務壽命在30年左右。回顧此次改造項目，該玻璃制品廠2#生產線使用優化后的SCR脫硝工藝系統，極大地降低了排放煙氣中的NOx濃度，滿足了國家關于玻璃工業大氣污染物排放標準的限值要求，改善了周邊環境。

參考文獻：

[1]宋學英，徐倩.玻璃熔窯廢氣處理分析[J].玻璃，2007（5）：60-63.

[2]蘇云，邵萍，眭國榮，等.玻璃熔窯煙氣脫硝技術探討[J].環境工程，2012（4）：76-78.

[3]王樂，劉淑鶴，王寬嶺，等.脫硝催化劑的失活機理及其再生技術[J].化工環保，2020（1）：79-84.

[4]張鑫，李炳煒，徐杰，等.玻璃熔窯煙氣高效選擇性還原脫硝（HSR）技術的應用[J].玻璃與搪瓷，2017（6）：32-37.

[5]謝慧，周躍，張奎，等.玻璃窯爐應用SCR煙氣脫硝技術的中試研究[J].玻璃，2013（3）：35-39.

[6]劉成雄.玻璃熔窯SCR煙氣脫硝技術探究[J].玻璃，2020（5）：8-12.

[7]吳甜.1 025 t/h燃煤鍋爐煙氣脫硝改造工程試驗研究[D].濟南：山東大學，2015：11.

[8]黃隆焜，張啟勤，孫海鋒.SCR法煙氣脫硝技術在潮州電廠2×1 000 MW機組上的應用[J].華北電力技術，2014（2）：24-27.

[9]劉嬌.淺析燃煤電廠超低排放改造策略[J].油氣田環境保護，2019（2）：42-45.