VCM工藝尾氣脫硝系統(tǒng)的實(shí)用技術(shù)探討

王春祥，路麒麟

（滄州聚隆化工有限公司，河北 滄州 061008）

1 VCM生產(chǎn)工藝尾氣處理裝置加裝脫硝系統(tǒng)的依據(jù)

根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》對(duì)節(jié)能減排目標(biāo)做出的部署，到2025年，全國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗對(duì)比五年前要下降13.5%，能源消費(fèi)總量得到合理控制，化學(xué)需氧量、氨氮、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物排放總量要分別下降8%、8%、10%以上、10%以上。

滄州聚隆化工有限公司坐落于京津冀環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的化工園區(qū)內(nèi)，是以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)，以PVC樹脂為主營(yíng)產(chǎn)品的大型國(guó)企，背靠鹽場(chǎng)、臨近港口，地理優(yōu)勢(shì)明顯，為響應(yīng)國(guó)家日益升級(jí)的環(huán)保要求，公司對(duì)40萬t/a乙烯法VCM生產(chǎn)過程中的尾氣處理裝置加裝脫硝系統(tǒng)，既減少氮氧化合物的排放，實(shí)現(xiàn)對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)、對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)、對(duì)人民負(fù)責(zé)，也是企業(yè)生產(chǎn)工藝不斷升級(jí)進(jìn)步的必然。

2 VCM生產(chǎn)過程中氮氧化物的來源

2.1 VCM生產(chǎn)裝置工藝及產(chǎn)物的簡(jiǎn)述

目前運(yùn)行的40萬t/a VCM裝置，采用乙烯法生產(chǎn)EDC（1，2-二氯乙烷），通過裂解爐在高溫中壓環(huán)境下生產(chǎn)VCM。其中，為了平衡中間產(chǎn)物氯化氫，以及充分利用氯堿裝置生產(chǎn)的氯氣，乙烯法生產(chǎn)EDC分別采用了直接氯化反應(yīng)和氧氯化反應(yīng)兩種工藝。

（1）直接氯化反應(yīng)法：采用純乙烯和氧氯化反應(yīng)尾氣中的乙烯共同和氯氣反應(yīng)生成二氯乙烷，采用氯化鐵作催化劑。

（2）氧氯化反應(yīng)法：是以氯化銅為催化劑作用下的乙烯、HCl和氧氣的氣相反應(yīng)。

（3）EDC裂解反應(yīng)是EDC在高溫下發(fā)生裂解生成VCM和HCl，這是吸熱反應(yīng)。

2.2 含有氮?dú)獾呐欧艢鈦碓醇皵?shù)據(jù)

（1）直接氯化排放氣的樣品數(shù)據(jù)（見表1）

表1 直接氯化排放氣的樣品數(shù)據(jù)

（2）氧氯化凈化氣的樣品數(shù)據(jù)（見表2）

表2 氧氯化凈化氣的樣品數(shù)據(jù)

（3）其他來源

輕組分塔、重組分塔、干燥塔、儲(chǔ)罐、VCM精餾塔等裝置在開、停車過程中，需要氮?dú)庵脫Q，除去原有氣體或者降低含氧量，過量氮?dú)怆S系統(tǒng)氣體進(jìn)入尾氣處理（焚燒）系統(tǒng)。

N2在焚燒爐內(nèi)與O2發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成NOx。特制定一套關(guān)于“尾氣脫硝”的技術(shù)改造方案，以有效降低NOx的產(chǎn)生量。

3 項(xiàng)目技術(shù)方案

技術(shù)改造升級(jí)項(xiàng)目決定采用在已有尾氣焚燒處理裝置基礎(chǔ)上，加裝廢氣焚燒單元煙氣凈化系統(tǒng)，采用焚燒后脫硝工藝的技術(shù)方案。以氨水為還原劑的選擇性催化還原法脫硝工藝（SCR）+活性炭吸附凈化的設(shè)備啟動(dòng)、停止、運(yùn)行控制、設(shè)備停用等操作。

3.1 煙氣脫硝流程

在焚燒爐內(nèi)，工藝尾氣、天然氣與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，熱量由汽包帶走用以補(bǔ)充廠用低壓蒸汽，二氧化碳、一氧化碳和氮氧化物經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入排氣煙囪，煙囪頂部加裝脫硝引氣管道，通向活性炭吸附系統(tǒng)進(jìn)行干燥，然后進(jìn)入SCR催化還原裝置，該裝置頂部裝有氨水噴灑系統(tǒng)，氨水罐在氨水泵的作用下不斷地鼓入SCR催化還原裝置頂部噴槍。在催化劑的作用下，氮氧化物與氨水反應(yīng)還原為無害的氮?dú)夂退Ｗ詈螅Ｓ辔矚獗还娘L(fēng)機(jī)吹入大氣，凝水引流至凝水罐。

3.2 系統(tǒng)基本構(gòu)成

脫硝系統(tǒng)主要有5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括活性炭吸附系統(tǒng)、氨水存儲(chǔ)、輸送系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、SCR系統(tǒng)。

4 氨水罐部分

該工程采用氨水濃度為20%，外購(gòu)氨水由罐車運(yùn)載，通過卸載輸送到存儲(chǔ)罐內(nèi)。儲(chǔ)罐安裝遠(yuǎn)傳液位計(jì)，并設(shè)有呼吸閥。防泄堤內(nèi)設(shè)有氨氣探測(cè)器，發(fā)生儲(chǔ)罐泄漏且空氣中的氨濃度超標(biāo)時(shí)會(huì)觸發(fā)警報(bào)。

（1）氨水設(shè)備參數(shù)（見表3）。

表3 氨水設(shè)備參數(shù)

（2）流量控制方式。采用變頻計(jì)量泵靈活控制噴氨量，當(dāng)焚燒爐出口的NOx濃度變化時(shí)，送入系統(tǒng)的氨水量可隨之變化。

（3）噴射量控制方式。氨水溶液從氨水罐輸出后，在噴槍中與壓縮空氣混合，通過監(jiān)測(cè)煙囪NOx來調(diào)節(jié)氨水噴射量以滿足不同負(fù)荷的要求。

（4）氣源。噴射所需的霧化介質(zhì)采用壓縮空氣，其作用主要是提高還原劑噴射速度、增加噴射動(dòng)量，以加強(qiáng)氨水溶液與煙道中煙氣混合，保證脫硝效果、提高氨水利用率，減少用量，并且減少尾部氨殘余。

（5）噴槍運(yùn)行壓力要求。稀釋混合噴入爐膛前氨水路壓力保證0.3～0.4 MPa，壓縮空氣路壓力保證0.3～0.4 MPa，以保證噴槍霧化效果。

圖1 脫硝系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

5 SCR系統(tǒng)

SCR作為目前最成熟的煙氣脫硝技術(shù)，主要由反應(yīng)器、催化劑、SCR吹灰器、煙氣系統(tǒng)和氨注射系統(tǒng)組成。反應(yīng)器布置在現(xiàn)有噴淋塔尾部煙道。氨水通過氨水輸送泵輸送至噴槍噴入反應(yīng)器裝置中，在催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝反應(yīng)。

主要分為氨法SCR和尿素法SCR，此兩種方法效果相同。SCR反應(yīng)化學(xué)方程式如下。

5.1 SCR技術(shù)特點(diǎn)

（1）脫硝效率可以高達(dá)90%，NOx排放濃度可以控制到100 mg/m3以內(nèi)。

（2）催化劑在與煙氣接觸過程中，受氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)毒害、飛灰堵塞與磨損等因素的影響，其活性逐漸降低，通常三四年增加或更換一層催化劑。

5.2 反應(yīng)器

脫硝裝置設(shè)置兩層催化劑，催化劑層高1.1 m。催化劑壓降設(shè)計(jì)值為350 Pa，當(dāng)壓降超過450 Pa時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出差壓高位報(bào)警信號(hào)。

5.3 SCR吹灰器

吹灰器用于清除催化劑表面的積灰，一般選用聲波吹灰器，采用壓力為0.3～0.5 MPa的壓縮空氣。安裝時(shí)，每層催化劑上方布置1臺(tái)聲波吹灰器，SCR裝置吹灰器的壓縮空氣從氣源接口處由一根管道引出，接入壓縮空氣罐后，由壓縮空氣罐提供的空氣管道再由支管分別接入該機(jī)組SCR反應(yīng)器中各聲波吹灰器，由吹灰器本體尾部上的壓縮空氣進(jìn)口閥吹入SCR反應(yīng)器。

5.4 催化劑

催化劑是整個(gè)SCR系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，選用的催化劑以TiO2為載體。采用蜂窩式催化劑，安裝在SCR反應(yīng)器內(nèi)。為了充分發(fā)揮每層催化劑的殘余活性，最大限度利用現(xiàn)有催化劑，采用“2+1”模式布置催化劑，初裝2層，預(yù)留1層，以便將來采用清洗或再生技術(shù)，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。VCM生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾氣含水和HCl，為了保證催化劑的使用壽命和良好的反應(yīng)活性，在固廢焚燒爐點(diǎn)爐后需烘爐5天以上，待尾氣工況穩(wěn)定后，再投廢料焚燒；停爐前，需先停投廢料，再停投燃料。

5.5 煙氣系統(tǒng)

煙氣系統(tǒng)包括煙道、活性炭吸附系統(tǒng)、煙氣測(cè)量?jī)x表、加熱機(jī)、引風(fēng)機(jī)。煙氣測(cè)量?jī)x表包括熱電阻、差壓變送器、煙氣分析儀等。

（1）煙道

煙氣從現(xiàn)有噴淋塔頂部引出后先通過活性炭吸附箱→加熱機(jī)→煙道靜態(tài)混合器→SCR反應(yīng)器→引風(fēng)機(jī)→煙囪，噴淋塔頂部引出至加熱機(jī)入口段煙道為FRP材質(zhì)煙道，加熱機(jī)至煙囪都為鋼煙道。

（2）活性炭吸附箱

活性炭吸附箱采用蜂窩式活性炭，箱體采用PP材質(zhì)，出入口設(shè)置壓差計(jì)，用于監(jiān)測(cè)并防止由于活性炭堵塞引起的煙道堵塞，當(dāng)壓差大于1 700 Pa時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，人工現(xiàn)場(chǎng)檢查活性炭堵塞情況。活性炭箱入口設(shè)置熱電阻溫度計(jì)，活性炭箱入口溫度高于60℃時(shí)高溫報(bào)警。

（3）加熱機(jī)

加熱機(jī)布置于SCR反應(yīng)器入口垂直煙道上，根據(jù)加熱機(jī)出口、SCR入口煙氣溫度反饋，調(diào)節(jié)加熱機(jī)的天然氣管路調(diào)節(jié)閥開度，以達(dá)到加熱機(jī)出口煙氣溫度調(diào)節(jié)的效果（本項(xiàng)目設(shè)置為230℃）。加熱機(jī)設(shè)置了天然氣泄漏報(bào)警裝置，報(bào)警值為低報(bào)25%LEL，高報(bào)50%LEL，檢測(cè)到天然氣泄漏，系統(tǒng)自動(dòng)

報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)檢查天然氣管道及加熱機(jī)工作情況。（4）SCR反應(yīng)器

SCR反應(yīng)器入口煙道上安裝有1個(gè)熱電阻，用于測(cè)量催化劑上游的煙氣溫度，以防止催化劑超出正常溫度范圍運(yùn)行，導(dǎo)致催化劑低溫時(shí)堵塞或高溫下?lián)p壞。當(dāng)入口煙道上的熱電阻測(cè)得的溫度高于250℃或低于190℃時(shí)，停運(yùn)氨水輸送泵，并且自動(dòng)報(bào)警。

SCR反應(yīng)器出、入口煙道上安裝有差壓變送器，用于監(jiān)測(cè)催化劑層的壓差，以防止由于積灰而引起的煙道堵塞影響到催化劑的脫硝效率。當(dāng)脫硝出入口的壓差大于450 Pa時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，人工現(xiàn)場(chǎng)檢查壓縮空氣系統(tǒng)以及聲波吹灰器的工作情況。

（5）引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

本工程配置2臺(tái)引風(fēng)機(jī)，1用1備，風(fēng)機(jī)參數(shù)Q=12 650 m3/h；ΔP=3 000 Pa，風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)。

5.6 主要設(shè)備規(guī)格（見表4）

表4 主要設(shè)備規(guī)格

5.7 系統(tǒng)參數(shù)及報(bào)警（見表5）

表5 系統(tǒng)參數(shù)及報(bào)警

5.8 其他功能

（1）系統(tǒng)工藝流程圖畫面

實(shí)時(shí)顯示所有檢測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）故障提示

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出故障畫面，以便中控人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，聯(lián)系外操人員及維護(hù)部門排除故障，保障系統(tǒng)運(yùn)行順利。

（3）運(yùn)行數(shù)據(jù)瀏覽

可以對(duì)系統(tǒng)所有運(yùn)行的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽查看，通過設(shè)置可以查看一小時(shí)內(nèi)、一天內(nèi)、一個(gè)星期內(nèi)、一個(gè)月內(nèi)、一年內(nèi)或固定時(shí)間段的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)記錄。統(tǒng)計(jì)日、月、季和年的總排放量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)與化工園區(qū)環(huán)保部門的通訊接口，可查詢、打印5年的小時(shí)平均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄間隔5 s。

數(shù)據(jù)記錄的要求：DCS系統(tǒng)應(yīng)記錄脫硝裝置運(yùn)行控制的所有參數(shù)的歷史曲線，其中包括焚燒爐廢液廢氣焚燒總流量、出口NOx濃度、氨水噴入量、脫硝設(shè)施運(yùn)行時(shí)間（以氨水流量計(jì)計(jì)）等，并同屏顯示4條相關(guān)的脫硝控制參數(shù)曲線：

a.SCR入口煙氣溫度1條、煙囪出口氮氧化物值的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值、氧量、氨水流量；

b.焚燒爐廢液廢氣焚燒總流量、煙氣量、氨水壓力、聲波吹灰器壓縮空氣壓力；并可顯示選取的任何幾條的曲線；

c.可以給出小時(shí)、日、月平均報(bào)表，有效數(shù)據(jù)可以保存一年以上。

（4）故障瀏覽

可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所發(fā)生的故障進(jìn)行瀏覽，通過設(shè)置，可以瀏覽查看所需時(shí)間段內(nèi)的故障信息。

（5）工程日?qǐng)?bào)表

將系統(tǒng)的壓力、溫度及設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)，定時(shí)記錄并以報(bào)表形式存儲(chǔ)下來，同時(shí)根據(jù)需要將所需數(shù)據(jù)通過打印機(jī)以報(bào)表的格式打印出來。

6 結(jié)語

公司40萬t/a VCM項(xiàng)目的尾氣焚燒處理裝置在技術(shù)改造加裝脫硝系統(tǒng)后，經(jīng)過設(shè)備調(diào)試以及試運(yùn)行調(diào)試，期間經(jīng)歷3個(gè)月的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，焚燒后的尾氣排放檢測(cè)得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表6。

表6 焚燒處理后尾氣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由表6數(shù)據(jù)可以看出，在尾氣處理裝置及脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定使用的情況下，VCM生產(chǎn)過程中用于置換系統(tǒng)或者抑制系統(tǒng)氧含量的N2進(jìn)入焚燒爐生成的NOx得到了有效控制，排放指標(biāo)完全符合環(huán)保要求，本技術(shù)方案是成熟可靠的脫硝技術(shù)手段。