李寶榮，寧永淼，向三明，許 柱

（中船重工海博威（江蘇）科技發(fā)展有限公司，江蘇 揚州 225101）

催化氧化法處理含氨工業(yè)廢氣的應用探索

李寶榮，寧永淼，向三明，許 柱

（中船重工海博威（江蘇）科技發(fā)展有限公司，江蘇 揚州 225101）

采用催化氧化工藝處理某化工廠的含氨工業(yè)廢氣，設計了一體式催化氧化脫氨設備，在物料與熱量衡算的基礎(chǔ)上，進行了脫氨性能測試和能耗分析。結(jié)果表明：工業(yè)化應用的一體式催化氧化設備在處理中濃度含氨廢氣時，可通過完善的可編程邏輯控制器（PLC）自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、高效的換熱器以及智能化的前端補新風和阻火預處理裝置，解決安全和能耗問題；該一體化設備具有很高的脫氨效率和經(jīng)濟性，處理后的廢氣滿足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》和GB 14554—1993《惡臭污染物排放標準》中的相關(guān)規(guī)定，應用前景較好。

含氨廢氣；催化氧化；工藝設計；高效節(jié)能

氨被廣泛應用于化工、輕工、化肥、制藥、合成纖維等合成氨生產(chǎn)領(lǐng)域，多用于制造氨水、氮肥、復合肥、硝酸、銨鹽、純堿等，含氮無機鹽及有機中間體、磺胺類藥物、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等均直接以氨為原料生產(chǎn)。但氨是有強烈刺激氣味的無色氣體，可灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官黏膜，吸入過多可引起肺腫脹甚至死亡。

合成氨生產(chǎn)的馳放氣及生產(chǎn)設備的跑冒滴漏是含氨工業(yè)廢氣的主要來源，其直接排放不僅造成合成氨產(chǎn)品的損失，而且污染環(huán)境，威脅人體健康［1］。GB 14554—1993《惡臭污染物排放標準》［2］中規(guī)定了氨的最高允許排放濃度（0.2 mg/m3）等限值。隨著我國農(nóng)業(yè)和化學工業(yè)對合成氨產(chǎn)品需求的增加，以及國家對大氣環(huán)境保護的重視，高效治理含氨工業(yè)廢氣變得越發(fā)重要。

吸收法是目前國內(nèi)處理含氨工業(yè)廢氣的主要方法。吸收法主要是利用氨的堿性和極易溶于水的特性，利用酸性物質(zhì)或水吸收工業(yè)廢氣中的氨，從而生成低附加值的氮肥或經(jīng)精餾冷凝等工序生成液氨。由于回收的吸收溶劑具有揮發(fā)性大、腐蝕性強、利用率低和產(chǎn)生二次污染等缺點，故急需在吸收劑的選擇和工藝優(yōu)化方面有所突破［3-4］。生物降解法［5］和氨催化分解技術(shù)均因?qū)嶋H工況所限，未能推廣應用。催化氧化法是在催化劑的作用下，將氨氣氧化分解為氮氣和水，完全消除了氨的危害，也不產(chǎn)生二次污染，是一種理想的、具有潛力的治理技術(shù)［6］。

現(xiàn)存催化氧化技術(shù)僅能處理較低濃度的含氨廢氣，在工業(yè)應用中有一定局限性。本工作針對某化工廠的含氨工業(yè)廢氣，在現(xiàn)有催化氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設計，利用智能化補風裝置和高效換熱裝置，在高效處理中濃度含氨廢氣的同時節(jié)能降耗。

1 工藝原理及流程

氨氣與氧氣在高溫下主要發(fā)生3個反應（見式（1）～（3））。催化氧化技術(shù)處理含氨廢氣的原理是：利用金屬氧化物催化劑可以選擇性催化式（3）反應的進行，同時抑制式（1）和式（2）反應的進行，從而使氨氧化成無污染的氮氣和水。

采用催化氧化法處理含氨工業(yè)廢氣的具體工藝流程是：廢氣經(jīng)過預處理設備有效去除灰塵等微細顆粒物，作為冷流進入換熱器被凈化的高溫尾氣預熱，使其升至一定溫度；預熱后的廢氣經(jīng)過加熱器升溫至催化劑正常工作溫度范圍，使含氨工業(yè)廢氣通過催化床，在一定溫度范圍及停留時間條件下，氨氣被選擇性催化氧化為氮氣和水；該高溫凈化尾氣作為熱流再進入換熱器預熱入口廢氣。

為了方便設備運輸安裝，且縮小占地面積，工藝中采用了結(jié)構(gòu)緊湊的一體式催化氧化脫氨設備。它具有完善的基于可編程邏輯控制器（PLC）的自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，可實時監(jiān)測工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)。通過溫度儀表檢測催化床溫度，以此來調(diào)節(jié)加熱器功率和前端補風閥，使溫度控制在催化劑正常工作的溫度范圍，以保證其使用壽命；前端安裝有阻火器和過濾器，作為預處理設備，具有安全保護功能的同時可有效去除顆粒物；換熱器具有較高換熱效率，充分利用催化床出口的高溫凈化氣體，起到系統(tǒng)節(jié)能的作用。

采用催化氧化法處理中濃度的含氨廢氣，可以充分利用氨在氧化過程中的放熱，減少系統(tǒng)能耗，利于市場應用推廣。

2 工程案例

某化工廠的含氨廢氣：常溫常壓，風量850 m3/h，主要污染物為氨氣（含量約0.9%（φ，下同）），含少量顆粒物（質(zhì)量濃度不超過100 mg/ m3），不含硫、磷、鹵化物、重金屬等易導致催化劑中毒的物質(zhì)。

2.1 工藝設計

根據(jù)廢氣工況進行工藝設計。氨氣在空氣中的爆炸極限為15%～28%，根據(jù)HJ/T 389—2007《環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求 工業(yè)有機廢氣催化凈化裝置》［7］的要求，進入催化反應器的氣體中氨氣含量必須低于3.75%，該工況下氨氣濃度遠低于此限值。

該工藝所用催化劑為顆粒狀催化劑，設計空速為10 000 h-1，工作溫度范圍390～460 ℃，催化劑耐溫上限為500 ℃，為了控制催化反應器中催化劑的溫度，保證系統(tǒng)安全性，需要補充新鮮空氣。

為了滿足設計要求，考慮前端設備漏風和補風，并在廢氣原參數(shù)的基礎(chǔ)上增加設計余量，最終設計輸入的廢氣量為950 m3/h，氨氣含量為1.0%。

2.2 工藝流程

廢氣（950 m3/h，25 ℃，1標準大氣壓，氨氣含量1.0%，顆粒物質(zhì)量濃度不超過100 mg/m3）與新鮮空氣（補風）混合后，先經(jīng)預處理器中的過濾裝置，將廢氣中顆粒物質(zhì)量濃度降至不超過20 mg/ m3；再由風機送入換熱器，該混合氣與催化反應后的高溫氣體進行換熱，達到一定溫度后進入加熱器；加熱器將氣體加熱至催化劑的工作溫度（390℃）后進入催化反應器；在催化反應器中，氨氣在催化劑、O2和適宜溫度下轉(zhuǎn)換為氮氣和水，同時放出能量加熱催化劑；反應后的高溫尾氣進入換熱器預熱廢氣后排放。工藝流程圖見圖1。S1～S5分別為各物流線的標號。

整個流程的熱量在啟動時由加熱器提供，此時加熱器的功率較大，待廢氣在催化反應器中反應放熱，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，加熱器功率可恢復至較小的工作功率。對于氨氣在催化反應器中反應放熱導致的溫升，若超出了催化劑的工作溫度范圍，可以通過補充新鮮空氣降低氨氣含量，從而保證溫度和安全。設備正常運行情況下，由于換熱器節(jié)能及催化反應器升溫作用，加熱器工作功率較低，理想情況下加熱器可停止工作，系統(tǒng)即可自運行，極大減少了運行能耗。

圖1 工藝流程圖

2.3 物料與熱量衡算

參照文獻［8］，利用Aspen軟件，對上述工業(yè)脫氨工藝流程進行物料與熱量衡算。由圖1可知，入口物流共有兩股：含氨廢氣與新鮮空氣。由于廢氣設計輸入條件的氨氣含量（1.0%）在正常工作條件下可使催化反應器的出口溫度超出上限（460℃），故需持續(xù)補風，補風量為418 m3/h。物料衡算結(jié)果見表1。

表1 物料衡算結(jié)果

表1顯示了不同物質(zhì)在各物流線中的質(zhì)量流率和總質(zhì)量流率。由表1可見，該工藝流程符合質(zhì)量守恒和物料守恒。

該工藝流程中，物料的動能、勢能或?qū)ν饨缢髦?，對于總能量變化的影響甚小，可以忽略。因此，可將能量守恒定律簡化為熱量衡算。進行熱量衡算，可以確定為達到一定的物理或化學變化須向設備傳入或從設備傳出的熱量；根據(jù)熱量衡算結(jié)果可確定加熱劑或冷卻劑的用量以及設備的換熱面積，或可建立起進入和離開設備的物料的熱狀態(tài)（包括溫度、壓力、組成和相態(tài)）之間的關(guān)系。熱量衡算往往需要與物料衡算聯(lián)立求解。經(jīng)計算，為了使該工藝流程按照預定的效果運行，換熱器的輸入功率要達到138.6 kW，加熱器在工作狀態(tài)下的功率為28.8 kW，啟動過程中加熱器的空載功率為43.0 kW。以上參數(shù)可作為各分機設備設計選型的依據(jù)。

2.4 脫氨性能測試

依據(jù)上述條件設計生產(chǎn)出的一體式催化氧化設備，在安裝調(diào)試完成后，為保證設備現(xiàn)場運行的穩(wěn)定性，在模擬實際工況（模擬廢氣由氨氣（氣源為氨氣鋼瓶）通入水中后揮發(fā)產(chǎn)生）的試驗中進行了脫氨性能測試，對其催化氧化脫氨性能進行了多次檢測。其中，氨氣含量采用Porta Sens Ⅱ型氣體檢測儀（美國ATI公司）進行檢測，溫度采用XSSBWRN-430型溫度變送器（天津迅爾儀表科技有限公司）結(jié)合PLC自動控制進行實時測量和顯示，具體測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 催化氧化脫氨性能測試結(jié)果

鑒于模擬廢氣中的氨氣含量很難及時精準控制，故表1中的入口氨氣含量并未精確控制在1.0%，但從檢測數(shù)據(jù)可以看出，在催化劑的正常工作溫度范圍（390～460 ℃）內(nèi)，該一體式催化氧化設備在處理1.0%及以上含量的氨氣時，出口氨氣含量均在檢測限以下。在檢測過程中，同時測定了出口氮氧化物的含量，并未檢測出NO2；NO含量控制在0.005%以內(nèi)，并隨催化床入口溫度的升高NO含量呈上升趨勢。測試結(jié)果完全滿足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》［9］和GB 14554—1993《惡臭污染物排放標準》中的相關(guān)規(guī)定。為了檢測一體式催化氧化設備的長期穩(wěn)定工作能力，每隔半個月進行一次上述性能測試試驗，根據(jù)設備正常工作1個月的3次測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)設備性能并未出現(xiàn)明顯下降，但該結(jié)果還有待于進一步的長期檢驗。

2.5 能耗分析

依據(jù)工藝設計和物料衡算進行了一體式催化氧化設備中換熱器的設計［10］，并在模擬實際工況的試驗中進行了換熱器的性能測試，通過測量換熱器冷流進出口溫度和熱流的進出口溫度可求得換熱器的換熱效率，具體測試數(shù)據(jù)見表3。由表3可見，一體式催化氧化設備中換熱器的換熱效率很理想。在正常工作情況下，換熱器可節(jié)能約81.3 kW的熱量。另外，系統(tǒng)中的電加熱器在換熱器正常工作的情況下，工作功率可降至27.7 kW，約是啟動功率的三分之二。綜上所述，高效換熱器的加入使一體式催化氧化設備降低了能耗，正常工作時每小時節(jié)約電費約50元。

表3 換熱器性能測試結(jié)果

3 結(jié)語

a）催化氧化法處理含氨工業(yè)廢氣與吸收法、生物降解法等傳統(tǒng)方法相比，具有消除徹底、不產(chǎn)生二次污染，且能耗較低的優(yōu)勢，是一種值得推廣的工業(yè)含氨廢氣治理工藝。

b）工業(yè)化應用的一體式催化氧化設備在處理中濃度含氨廢氣時，可通過完善的PLC自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、高效的換熱器以及智能化的前端補新風和阻火預處理裝置，解決安全和能耗問題。該一體化設備具有很高的脫氨效率和經(jīng)濟性，處理后的廢氣滿足GB 16297—1996和GB 14554—1993中的相關(guān)規(guī)定，應用前景較好。

［1］ 李梁萌. 含氨廢氣處理技術(shù)探討［J］. 中氮肥，2015（3）：14 - 16.

［2］ 國家環(huán)境保護局科技標準司. GB 14554—1993 惡臭污染物排放標準［S］. 北京：中國環(huán)境科學出版社，1994.

［3］ 劉清華，彭志群，劉發(fā)安. 小議含氨廢氣的吸收及其工藝比較［J］. 化學工程與裝備，2011（7）：204 -206.

［4］ 王剛. 煉油惡臭污染治理技術(shù)在中國石化天津分公司的應用實例［J］. 化工環(huán)保，2014，34（3）：235 -239.

［5］ 梁永坤，全燮，陳景文，等. 生物過濾法處理含氨廢氣研究［J］. 環(huán)境科學學報，2000，20（5）：518 - 522.

［6］ 梁春霞. 銅基催化劑選擇催化氧化氨性能研究［D］.大連：大連理工大學，2011.

［7］ 國家環(huán)境保護總局科技標準司. HJ/T 389—2007 環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求 工業(yè)有機廢氣催化凈化裝置［S］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.

［8］ 陳聲宗. 化工設計［M］. 3版. 北京：化學工業(yè)出版社，2012：63 - 81.

［9］ 國家環(huán)境保護局科技標準司. GB 16297—1996 大氣污染物綜合排放標準［S］. 北京：中國環(huán)境科學出版社，1997.

［10］ 中國石化集團上海工程有限公司. 化工工藝設計手冊［M］. 4版. 北京：化學工業(yè)出版社，2009：611 -619.

（編輯 魏京華）

Application of catalytic oxidation process in treatment of ammonia-containing industrial waste gas

Li Baorong，Ning Yongmiao，Xiang Sanming，Xu Zhu

（CSIC Haibowei Technology Development Co. Ltd.，Yangzhou Jiangsu 225101，China）

The catalytic oxidation process was employed to treat the ammonia-contained industrial waste gas from a chemical plant. The integrated catalytic oxidation equipment for ammonia removal was designed and the performance test and energy consumption analysis of the equipment were carried out on the basis of material and heat calculations. The test results show that：When the integrated catalytic oxidation equipment is used in treatment of industrial waste gas with middle concentration of ammonia，the problems of security and energy consumption are solved by perfect units of automatic control system with programmable logic controller （PLC），high-effi ciency heat exchanger and intelligent inlet device for air supplement，pretreatment and fi re resistance；The integrated equipment has high ammonia removal efficiency and economical efficiency，and the treated gas meets the national standards of GB 16297-1996 and GB 14554-1993，indicating good industrial application prospects of the equipment.

ammonia-containing waste gas；catalytic oxidation；process design；effi cient energy saving

X511

A

1006-1878（2016）04-0449-05

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.04.018

2016 - 01 - 14；

2016 - 04 - 12。

李寶榮（1989—），女，山東省臨沂市人，碩士，助理工程師，電話 18252725081，電郵 libaorong@haibowei.com.cn。