焦爐煙氣SCR脫硝效率影響因素及其注意事項探討

李永鴻

（廣西柳鋼環(huán)保股份有限公司，廣西 柳州 545002）

1 焦爐煙氣SDS脫硫+布袋除塵+低溫SCR脫硝工藝簡介

溫度為180～240 ℃，SO2、NOX及顆粒物含量分別約500 mg/Nm3、1 000 mg/Nm3、30 mg/Nm3的焦爐煙氣在引風機的牽引下，進入SDS鈉基干法脫硫反應管道，在高溫和有氧條件下，噴入的高效脫硫劑（NaHCO3，粒徑小于20 μ m）在煙氣管道中被熱能激活，比表面積迅速增大，更有利于與煙氣中的酸性氣體SO2充分接觸，隨之發(fā)生劇烈的化學反應，迅速生成Na2SO4和CO2物質(zhì)，以達到脫除SO2的目的。脫除SO2后的煙氣進入袋式除塵器，煙氣中含有的粉塵顆粒物如Na2SO4等被捕集下來，凈煙氣中的顆粒物濃度降低至10 mg/Nm3以下。除塵后的煙氣進入SCR脫硝反應器，在催化劑作用下，煙氣中的NOx和噴入的NH3發(fā)生反應生成N2和H2O，以達到脫硝的目的。脫硝后的凈煙氣通過煙氣與除鹽水換熱器，煙氣中的熱量被除鹽水回收，具備一定溫度的除鹽水再次經(jīng)過水-水換熱器，與生活水交換熱量，產(chǎn)出約90 ℃的生活熱水。回收余熱后的凈煙氣（約140 ℃）通過引風機牽引，送至煙囪排放。

2 選擇性SCR工作原理

選擇性催化還原脫硝工藝（Selective Catalyst Reduction，SCR）是一種以還原劑（氨氣）為介質(zhì)，在一定溫度范圍內(nèi)將煙氣中的NOx還原為N2和水，用于減少NOx排放的技術。反應的基本原理如下［1］：

反應方程式（1）是 SCR 脫硝過程中最主要的反應，它揭示了脫除 1 moL的NO需要 1 moL的NH3。但是在實際反應中，為了達到更好的脫硝效率，需要適當噴入過量的NH3補償非均勻混合未經(jīng)反應的氨則被稱為氨逃逸。

NH3和NOx在催化劑上主要反應過程如下：NH3通過氣相擴散到催化劑表面； NH3由外表面向催化劑孔內(nèi)擴散；NH3吸附在活性中心上； NH3與NOx反應生成N2和H2O；反應生成物在催化劑表面脫附； N2和H2O通過微孔擴散到催化劑表面； N2和H2O擴散到氣相主體。

在特定的運行條件下，一些副反應可能會發(fā)生，如下：

反應方程式（4）為氨的氧化反應，一般在低于400 ℃正常運行溫度下可以忽略。當煙氣溫度升高時，NH3的氧化顯著增加，則煙氣中NO濃度增加且參與脫硝反應的NH3減少。

反應方程式（5）為硫的氧化反應，煙氣中的SO3會導致硫酸銨和硫酸氫銨的生成，如反應方程式（6）和反應方程式（7）所示。在一定溫度下，這些化合物會沉積在催化劑和相關設備的表面，降低系統(tǒng)性能。

SCR 脫硝反應能在不同負荷下穩(wěn)定運行并獲得較好的脫硝效果，降低了煙氣中NOx排放濃度且不會產(chǎn)生其他污染物，是一種成熟且可靠的脫硝技術，但需重視副反應對系統(tǒng)運行的影響。

3 影響SCR脫硝效率的關鍵因素與注意事項

3.1 催化劑床層反應溫度

由圖1 可知，NOx需要獲得較高的轉(zhuǎn)化效率，催化劑床層的反應溫度需要在180～320 ℃。然而，聯(lián)合鋼鐵焦化燃料一般為焦爐和高爐的混合煤氣，煙氣溫度較低，一般為180～240 ℃。在寒冷的冬季，煙氣溫度甚至會下降至170 ℃以下；在南方鋼鐵焦化企業(yè)，煙道底部時常積水，液態(tài)水在高溫煙氣作用下會閃蒸，進一步降低了煙氣溫度。

圖1 NOx轉(zhuǎn)化率與溫度的曲線圖

針對煙氣溫度低的措施：①根據(jù)焦爐加熱工藝需要，盡可能多地使用高熱值的焦爐煤氣，提高煙氣溫度。但是，這一舉措有利有弊。焦爐煤氣中含有的硫化氫相對于高爐煤氣高，燃燒后產(chǎn)生的二氧化硫也會相應增加，這給脫硫增加了壓力。因此實際運行過程中，還得結(jié)合實際工況綜合考慮，合理調(diào)配兩種煤氣配比，實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)保效益的雙贏。②煙道積水問題：可以在煙道低洼處增加集水井，安裝一臺抽水泵。根據(jù)集水井下水位高低情況開停泵，及時進行煙道抽水，減少閃蒸效應，避免煙溫降低。③項目建設時，嚴格按照要求做好各煙氣管道的保溫工作，避免在低溫天氣情況下，煙氣熱量損失。④若溫度長期低于180 ℃，則需要考慮開啟熱風爐，將部分凈煙氣加熱以后重新送回SCR反應器入口，與原煙氣相互混合，則可將整體煙氣溫度提高至180 ℃以上。⑤若停機檢修重新開機，應讓煙氣充分預熱催化劑床層，待SCR催化劑出口溫度達到180 ℃以上方可噴氨脫硝。升溫期間應避免高硫低溫煙氣進入SCR脫硝反應器中，同時還應避免水汽進入脫硝反應器內(nèi)。在升溫過程中應快速達到100 ℃以上，待溫度超過100 ℃后逐步降低升溫速率，應小于5 ℃/min。在脫硫系統(tǒng)的二氧化硫濃度降低至50 mg/m3以下時，方可打開噴氨閥門。

關于煙氣溫度方面，我們還需要注意以下事項：①SCR噴氨最低連續(xù)運行溫度通常為170 ℃，活性適用溫度在175～250 ℃，高溫狀態(tài)下有助于提高催化劑活性，低于175 ℃時對催化劑活性有一定影響。②當SCR入口煙氣溫度低于最低設計煙氣溫度170 ℃時，則需要停止氨噴射。否則，會導致氨逃逸增加，還會增加產(chǎn)生硫酸鹽的概率。③在脫硝系統(tǒng)運行中，應注意煙氣溫度過高的問題。當SCR入口煙氣溫度大于420 ℃時，容易引起催化劑燒結(jié)，脫硝性能會降低。

3.2 催化劑孔堵塞情況

常見的SCR催化劑類型有3種：蜂窩式、板式、波紋板式。蜂窩式催化劑具有表面積大、活性高、體積小等突出優(yōu)點，目前占據(jù)了80%的市場份額。為了獲得更大的表面積，催化劑都是疏松多孔的。一旦孔被堵塞，噴入的氨氣無法與催化劑活性成分相接觸，將無法進行脫硝反應。在實際運行過程中，催化劑孔被堵塞的情況時有發(fā)生。

3.2.1 粉塵堵塞

焦爐煙氣的顆粒物濃度雖然較低，但是仍不能滿足國家排放標準要求。為了粉塵達標排放，煙氣排放前必須經(jīng)過除塵裝置，尤其對于采用的鈉基干法脫硫工藝本身特點，也會增加凈煙氣中的顆粒物濃度。諸如布袋破損等情況導致除塵效果下降，大量的粉塵顆粒物便流動到SCR催化劑表面，逐漸堆積，堵塞催化劑表面的小孔。消除粉塵的措施如下：

首先，確保前端除塵器的布袋質(zhì)量良好，避免布袋穿洞破損。除塵布袋應選擇耐酸性氣體、耐堿、耐磨、耐高溫的材質(zhì)，我們可以選用PTFE基材+PTFE覆膜+耐高溫濾料；此外，要控制好除塵布袋的噴吹空氣壓力，避免壓力過大，對布袋過度沖刷，造成布袋表面破損，影響除塵效率。對于7 m長的布袋，噴吹壓縮空氣壓力一般控制在0.25 MPa 左右即可。

其次，在工藝設計上，要考慮脫硫脫硝二者的先后順序。焦爐是由不同形狀的磚砌筑而成的窯爐，焦爐生產(chǎn)管理過程中允許荒煤氣從炭化室竄漏進入燃燒室，不允許著火的焦爐煤氣竄漏進入炭化室，這一特點決定了焦爐的竄漏問題從焦爐生產(chǎn)之日起就存在，焦爐煙氣中就可能存在焦油、碳粉、煤粉、灰塵、各種銨鹽類物質(zhì)等，這些雜質(zhì)對脫硝催化劑的使用壽命、效率是有影響的，也是必須考慮煙氣脫硫脫硝順序選擇的原因之所在。從焦爐煙氣特點、影響因素等多方面綜合分析脫硫脫硝放置的先后順序，先脫硫再脫硝的工藝順序應該是一個較佳選擇［2］。

最后，可以在催化劑倉室設置聲波吹灰器，如膜片式聲波吹灰器。壓縮空氣激發(fā)膜片振動，膜片的振動將高壓氣流調(diào)制成壓力脈沖，該壓力脈沖通過喇叭的諧振，形成聲波從喇叭口輻射出去。從聲波吹灰器發(fā)出的高能聲波能引起粉塵共振而處于游離狀態(tài)，防止灰塵黏合、累積在催化劑、SCR反應器的表面上。這些粉塵顆粒在聲波能量的反復振動作用下，因疲勞疏松脫落，隨煙氣帶走。

3.2.2 焦油堵塞

一方面，焦爐竄漏導致焦爐煙氣中含有焦油。隨著焦爐爐齡的增長，爐墻竄漏不可避免。碳化室內(nèi)產(chǎn)生的焦油會竄入焦爐煙氣當中，焦油同樣是強黏性物質(zhì)，對催化劑是潛在的威脅。另一方面，用于脫硝的氨水中同樣存在焦油。氨水來自焦化化產(chǎn)車間，因氨水中焦油脫除不徹底，送入氨水蒸發(fā)器蒸發(fā)后，焦油與氨水一起受熱蒸發(fā)，油霧隨同氨水氣一同進入SCR反應器，逐漸黏附在催化劑孔上。

消除焦油的措施：在氨水系統(tǒng)中，可以在氨水輸送泵出口增加氨水過濾器，將混在氨水中的油污等雜物提前去除，避免進入蒸發(fā)系統(tǒng)；在工藝設計上，選擇先脫硫再脫硝的工藝，即將干法脫硫+布袋除塵工序設置在脫硝工序之前，煙氣中的焦油在經(jīng)過除塵布袋時，也會被布袋過濾去除。

3.2.3 銨鹽黏附

脫硝催化劑主要為V2O5/TiO2基催化劑，當反應溫度較低時，脫硝過程會發(fā)生SO2的氧化副反應，生成的SO3與氨氣反應，會生成硫酸銨或硫酸氫銨物質(zhì)。硫酸銨為白色固體，硫酸氫銨從 230 ℃開始從氣態(tài)凝結(jié)為液態(tài)，其熔點溫度為 147 ℃，沸點為 350 ℃。該物質(zhì)非常黏稠且難以清除，黏附在催化劑表面，會影響催化劑脫硝效率。焦爐煙氣溫度低，極易生成硫酸氫銨，覆蓋在催化劑表面會導致催化劑出現(xiàn)物理性失活，嚴重影響脫硝催化劑的脫硝效率及設備的正常運行。因此，當脫硫效率不佳，即進SCR反應器SO2≥50 mg/Nm3，并且持續(xù)5 min以上，就應該立即停止噴氨脫硝，待脫硫效果恢復正常后再進行噴氨脫硝操作。

針對銨鹽積聚的措施：采用高溫加熱分解的方式恢復催化劑活性。脫硝系統(tǒng)停止噴氨，開啟熱風爐將煙氣加熱至300～350 ℃，送回SCR反應器入口煙道，恒溫維持48 h，在高溫作用下，催化劑表面黏結(jié)的硫酸銨、硫酸氫銨逐漸開始分解，生成的NH3和SO2隨煙氣流出系統(tǒng)。催化劑多久進行一次熱解析再生，研究人員可以根據(jù)不同脫硫脫硝項目的負荷運行情況決定，一般每6個月需要對催化劑進行一次熱解析操作。

3.3 煙氣流場及與氨氣的混合程度

典型的煙氣脫硝裝置如圖2所示，煙氣經(jīng)入口處進入煙道，在一次導流板的作用下，氣流進行均勻分布，氨氣從噴氨柵格處噴入，與煙氣混合后經(jīng)過一級混流器、二級混流器，進行充分混合后再流經(jīng)二次導流板，最后經(jīng)整流格柵均布分布氣體后流入SCR催化劑表面。在實際運用中，噴氨格柵入口的氨氣管道設置了多組噴氨支管，便于調(diào)節(jié)不同流場區(qū)域的噴氨量。因此，優(yōu)化的導流板結(jié)構不僅消除了煙氣傾斜的流動慣性，還進一步促進了噴氨區(qū)域與催化劑上層煙氣的均勻分布及煙氣與NH3的均勻性混合，更有利于脫硝反應效率［3］。

圖2 煙氣脫硝裝置示意圖［3］

因焦化企業(yè)自產(chǎn)的氨水中存在少量焦油，蒸發(fā)后的氨氣中不可避免帶有少量油霧。經(jīng)稀釋風機送來的凈煙氣中也夾雜著少量粉塵，氨水氣與稀釋煙氣在氨煙混合器內(nèi)混合后，油氣遇到粉塵會進一步凝結(jié)成顆粒，再一起隨著氣流入噴氨支管，顆粒物會在噴氨支管中沉降，隨著時間的推移，有可能將噴氨支管堵塞。因此，噴氨支管也應考慮設置吹堵用的氣源，定期打開壓縮空氣對噴氨支管進行吹掃，避免管道堵塞。

3.4 氨氣的噴射流量

噴入的氨氣流量以煙氣流量負荷、入口NOx濃度及要求的NOx去除率為依據(jù)。通常情況下，我們通過氨氮摩爾比調(diào)控脫硝反應效率。SCR系統(tǒng)摩爾比是指參與脫硝反應的氨氮配比，即NH3/NOx，是SCR脫硝系統(tǒng)的一個重要技術指標。焦爐煙氣中的NOx一般由體積濃度約95%的NO和5%的NO2組成，根據(jù)脫硝反應方程式，1 moL的NH3與1 moLNOx進行反應，在實際操作過程中，NH3與NOx的摩爾比一般控制在1.05∶1。

一定濃度的NOx工況下，并不是加入的氨氣越多越好。過量未參與脫硝反應而流入大氣的氨氣，我們稱之為氨逃逸，也視為大氣污染物之一。當氨逃逸濃度超過設定值，而SCR出口NOx濃度沒有達到設定要求時，不要繼續(xù)增大氨氣的注入量，而應先減少氨氣注入量，把氨逃逸濃度降低至允許的范圍后，再查找氨逃逸高的原因，待氨逃逸率高的問題解決后，才能繼續(xù)增大氨氣注入量，保持SCR出口NOx在期望的范圍內(nèi)。

3.5 噴氨格柵噴氨平衡優(yōu)化

SCR脫硝反應器設計時一般為多通道反應器，目的在于方便檢修，在催化劑達到預期壽命時，不需要停機便可以逐個更換反應倉室的催化劑，達到在線更換催化劑的目的，避免停機檢修影響大氣污染物減排指標。因此，當出現(xiàn)整體的脫硝效率較低，而局部通道的氨逃逸濃度過高時，則應考慮對噴氨格柵的手動流量控制閥門進行調(diào)節(jié)，進一步合理分配進入各通道反應器的氨氣流量，使得NOx排放指標和氨逃逸指標符合要求。

3.6 催化劑系統(tǒng)的停機維護

首先應在煙氣和反應器溫度冷卻到規(guī)定的系統(tǒng)最低連續(xù)運行溫度之前關閉噴氨裝置。在冷卻過程中，應該選用SCR入口端的溫度測量點作為參考依據(jù)，確保催化劑床層溫度高于最低連續(xù)運行溫度，通常需要1～1.5 h將催化劑溫度逐步從175～250 ℃降至常溫；然后用新鮮空氣取代煙氣通入反應器中，逐漸冷卻催化劑床層。如果通煙氣冷卻催化劑床層，會導致水汽在催化劑表面凝結(jié)，尤其是對于含有SOx或者HCl的煙氣，其露點較高，容易產(chǎn)生凝結(jié)的液體，對催化劑活性造成影響。此外，停機時間較長，則需要對催化劑表面進行清理，可以使用真空吸塵器清除催化劑表面和內(nèi)部雜質(zhì)（如粉塵、鐵銹、鐵屑等），吸塵過程中要注意保持吸氣噴嘴與催化劑表面6～13 mm的距離，這樣可以避免損壞催化劑表面。對于不能用真空吸塵器清理干凈的某些催化劑堵塞物，也可聯(lián)合使用壓縮空氣和真空吸塵器，加壓空氣從催化劑下部向上部吹，氣流向上經(jīng)過催化劑縫隙，將粉塵帶出，最后被吸入真空吸塵器中。加壓吹掃期間，還應避免壓縮空氣壓力或速度過高對催化劑造成損壞。

4 結(jié)語

本文從催化劑床層反應溫度、催化劑孔堵塞情況（焦油、粉塵、銨鹽）、煙氣流場及與氨氣的混合程度、氨氮比等，分別探討了其對脫硝效率的影響及可采取的預防措施，具有實踐意義。除此之外，其脫硝效率還受到煙氣在反應器內(nèi)的空間速度、催化劑特性等影響。為了得到更好的脫硝效率，應綜合考慮各個方面的因素，選取達到最佳脫硝效率的反應參數(shù)，更有效地控制氮氧化物的排放，從而保護環(huán)境，促進經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。