王盤成，李 雷

（上海藍科石化環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，上海 200000）

硝酸鹽類催化劑（如丙烯腈催化劑）焙燒過程中產(chǎn)生的煙氣，NOX及粉塵含量很高，需進行脫硝及除塵處理方可排放。早期多采用液相吸收法處理[1-2]，吸收效率低，處理效果不理想。目前應用較多的脫硝技術(shù)有SNCR、SCR，除塵技術(shù)有電除塵、機械除塵、濕法除塵、布袋除塵除塵等，以上脫硝與除塵技術(shù)分別為獨立裝置，管理較復雜且脫除效率較低。本文介紹一種高效脫硝除塵一體化技術(shù)（SCR-FI），該技術(shù)由上海藍科石化環(huán)?？萍脊煞莨狙邪l(fā)，采用納米級SCR催化劑負載在微米級過濾材料上，比表面積比傳統(tǒng)SCR 催化劑高2 個數(shù)量級，脫硝效率高，經(jīng)小試實驗，脫硝效率在350℃時高達95%以上，除塵效率99%。

以某廠丙烯腈催化劑焙燒煙氣為例，放大至工業(yè)裝置，設計煙氣量及NOX濃度比小試實驗高出很多；其次，催化劑焙燒爐煙氣負荷波動大，導致低負荷時還原劑需求量極低，給還原劑工藝的設計及設備選型帶來困難。

1 SCR-FI 技術(shù)原理及工藝流程

1.1 技術(shù)原理

SCR-FI 技術(shù)脫硝反應機理與傳統(tǒng)SCR 法基本相同，催化劑主要成分為TiO2、V2O5、WO3，還原劑為NH3，在催化劑的作用下，溫度280～420℃，進行脫硝還原反應[3]。

不同之處在于催化劑的型式，傳統(tǒng)SCR 催化劑主要有蜂窩式、板式和波紋式，煙氣直接通過催化劑表面，如圖1 所示，壓降小，但催化劑受粉塵污染；SCR-FI 技術(shù)脫硝催化劑是將催化劑以納米級均勻燒結(jié)在微米級陶瓷纖維濾芯上，質(zhì)量分數(shù)約20%～30%[4]，比表面積比傳統(tǒng)SCR 催化劑高2 個數(shù)量級，如圖2 所示。粉塵被阻擋在外表面，催化劑不受粉塵污染，脫硝效率高，催化劑活性穩(wěn)定持久，但壓降高。當濾餅達到一定厚度，啟動在線反吹進行再生，不影響正常運行。

圖1 傳統(tǒng)SCR 脫硝原理示意圖

圖2 SCR-FI 元件脫硝除塵原理示意圖

1.2 工藝流程

應用于催化劑焙燒煙氣的工業(yè)放大裝置工藝流程見圖3。焙燒煙氣經(jīng)煙氣風機輸送至預熱器，再與尿素熱解氣混合，設置混合段以保證混合均勻，經(jīng)加熱器加熱至約350℃，進入兩級串聯(lián)的SCR-FI 反應器，達標的凈化煙氣送入稀釋風預熱器以回收余熱；稀釋風經(jīng)預熱后送入稀釋風加熱器加熱至650℃，再進入熱解器將尿素熱解產(chǎn)生含氨氣的熱解氣。

圖3 SCR-FI 工業(yè)裝置流程示意圖

2 SCR-FI 工業(yè)放大設計要點

2.1 SCR-FI 反應器的放大設計要點

2.1.1 反應器數(shù)量

小試實驗入口濃度低，單臺反應器，脫硝除塵效率均超過90%，放大后工業(yè)裝置NOX設計濃度高，要求達標排放指標也很高，詳見表1。

從表1 看出，工業(yè)放大后，設計工況NOX濃度遠高于小試實驗，要求的脫硝效率98%以上，按照小試的實驗結(jié)果，可以使用2 臺串聯(lián)反應器達到要求的排放指標。不過，由于SCR-FI 反應器壓降較大，約1～4kPa，串聯(lián)后壓降更大，要求煙氣風機的壓頭更高。本裝置最大煙氣量2300m3/h，動力消耗尚不明顯，若應用于更大規(guī)模的煙氣場合，動力消耗急劇增加，則必須綜合考慮。單級脫硝效率95%已能滿足大部分場合，某些特殊場合若不適合串聯(lián)，則可以從降低煙氣NOX濃度等方面解決。

表1 小試實驗及工業(yè)裝置焙燒煙氣進出口濃度表

2.1.2 反應器進氣設計

普通SCR 反應器煙氣多為上進下出，在反應器入口設置導流板、整流格柵以均布流場，脫硝除塵一體化元件結(jié)構(gòu)不同于普通SCR，故反應器及進氣方式也不同。脫硝除塵一體化元件豎直布置，煙氣從反應器下部進，上部出，底部排灰。一體化元件在反應器內(nèi)規(guī)整排布，若煙氣在反應器內(nèi)分布不均，每根過濾元件上的壓差不一致，將導致通過過濾元件的煙氣不均勻，煙氣量多或濃度高的過濾元件積塵快、容易穿濾、脫硝效果較差；煙氣量少或濃度低的過濾元件積塵較慢、脫硝效果較好，如此將影響反應器處理效果。

小試實驗SCR-FI 反應器直徑DN300，煙氣分布均勻。工業(yè)放大后，反應器為矩形，尺寸3500mm×1500mm，需采取措施使煙氣盡量均勻。如圖4 所示，進氣口從反應器長邊對稱進氣，且每一個長邊均設置多個進氣口，進氣管道亦需保證對稱布置。

圖4 SCR-FI 反應器進氣口布置示意圖

反應器設置2 臺串聯(lián)，采用長邊對稱多管口進氣方式，結(jié)合實際工業(yè)運行結(jié)果（表3），說明以上設置是有效的。

2.2 尿素熱解放大設計要點

2.2.1 氨氣濃度

工業(yè)放大必須考慮氨氣濃度對主體裝置的影響。催化劑焙燒裝置為非防爆區(qū)，根據(jù)GB50058《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》，氨氣很難點燃，若處于室外環(huán)境，可忽略其爆炸性氣體環(huán)境，另該規(guī)范3.3.2 條表明若可燃性氣體濃度低于其爆炸下限10%，可劃分為非防爆區(qū)，由于尿素熱解裝置布置在非防爆的密閉廠房內(nèi)，氨氣爆炸下限為15%，故建議控制尿素熱解氣中氨氣濃度不超過1.5%。

2.2.2 尿素溶液濃度

尿素熱解是常見的氨源獲得方式，以熱空氣作為熱源，文獻[5-8]表明尿素熱解效率隨熱解溫度升高而增大，在460～650℃左右達到100%，尿素濃度對熱解效率影響不大，最佳50% (質(zhì)量分數(shù))，節(jié)約運行成本又不致管道結(jié)晶。

根據(jù)文獻[9]，按熱解溫度650℃計算的不同濃度下所需稀釋風及電加熱功率，并按所需稀釋風量計算出熱解氣氨氣濃度。如表2 所示，10%濃度時，最大負荷稀釋風量623Nm3/h，氨氣濃度0.7%，遠低于1.5%，電加熱功率116kW，不經(jīng)濟。氨氣濃度隨尿素濃度降低而降低，20%尿素濃度時氨氣濃度低于1.5%。通過以上分析可知，針對小流量催化劑焙燒煙氣，適宜的尿素濃度可降至為20%，為保證氨氣濃度低于1.5%，30%～50%的尿素溶液可以通過增加實際稀釋風量來滿足要求；若應用于大流量煙氣場合，20%的尿素濃度不具經(jīng)濟性，應考慮將尿素熱解系統(tǒng)移至室外，選擇更高的尿素濃度。

表2 不同濃度尿素溶液參數(shù)表

2.2.3 尿素輸送系統(tǒng)

尿素溶液輸送系統(tǒng)大多由離心泵，大流量循環(huán)系統(tǒng)（HFD），計量分配系統(tǒng)（MDM）組成[10]，以保證噴槍入口壓力穩(wěn)定。

SCR-FI 工業(yè)裝置所處理焙燒煙氣最大為2300m3/h，最小負荷煙氣量為300 m3/h，煙氣量波動非常大，導致尿素溶液流量波動大，最小負荷尿素溶液需求量極低。如表2 所示，按20%～50%尿素濃度，最小負荷時，尿素溶液需求量為1.3～3.2kg/h。流量太低，離心泵不合適。經(jīng)調(diào)研分析，采用計量泵作為輸送泵，但必須嚴格控制計量泵的脈沖，脈沖消除率要求90%以上，以保證尿素溶液的脈沖不影響熱解氣中氨氣的連續(xù)性。另外尿素溶液噴槍需選擇低流量噴槍，在最小負荷工況下，通過設置補充稀釋水（見圖1）來滿足噴槍的最低流量要求。

3 工業(yè)裝置運行結(jié)果

如表3 所示，SCR-FI 工業(yè)裝置實際運行后，出口NOX及粉塵均滿足設計要求，運行平穩(wěn)，說明SCR-FI 技術(shù)放大至工業(yè)裝置取得成功，放大設計合理，安全可靠。

表3 SCR-FI 工業(yè)裝置運行結(jié)果

4 結(jié)論

1）催化劑煙氣污染物濃度高，采用2 級串聯(lián)的SCR-FI 反應器可達到脫硝效率要求，但由于其壓降大，在大流量煙氣場合，需綜合考慮。

2）SCR-FI 反應器進氣采用長邊對稱多管口進氣，有一定的流場優(yōu)化作用。

3）密閉非防爆廠房內(nèi)尿素熱解氨氣濃度建議控制1.5%以內(nèi)，尿素溶液適宜濃度20%～50%，在大流量煙氣場合，應將尿素熱解系統(tǒng)置于室外，選擇高濃度的尿素溶液。

4）催化劑煙氣流量波動大，選擇計量泵輸送，需嚴格要求計量泵脈沖消除率在90%以上；低負荷工況時，啟用補充稀釋水系統(tǒng)以滿足噴槍的最低流量要求。

5）工業(yè)裝置運行結(jié)果表明：SCR-FI 技術(shù)放大設計合理，安全可靠。