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        氧化鋁高溫焙燒窯煙氣SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化改造

        2021-11-17 11:10:48賈章椿
        有色冶金節(jié)能 2021年5期
        關(guān)鍵詞:煙道燃燒器反應(yīng)器

        賈章椿 毛 鵬

        (中鋁山東工程技術(shù)有限公司, 山東 淄博 255052)

        0 前言

        生態(tài)環(huán)保部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)重污染天氣應(yīng)對(duì)夯實(shí)應(yīng)急減排措施的指導(dǎo)意見》要求氧化鋁行業(yè)環(huán)保A級(jí)企業(yè)NOx的排放指標(biāo)不高于50 mg/Nm3,《區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(山東省)》(DB 37/2376—2019)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)要求重點(diǎn)控制區(qū)NOx排放指標(biāo)不高于100 mg/Nm3。相較之下,環(huán)保A級(jí)企業(yè)的指標(biāo)要求更為嚴(yán)格。

        氧化鋁工業(yè)窯爐形式多樣,生產(chǎn)工況復(fù)雜多變,煙氣成分差別大。比如,耐材焙燒、硝酸鹽煅燒等所使用的窯爐產(chǎn)生的煙氣中NOx濃度高,超低排放難度相當(dāng)大。

        山東某公司現(xiàn)有2臺(tái)高溫焙燒窯,均以天然氣為燃料,窯后配有金屬濾袋除塵器和SCR脫硝系統(tǒng)。SCR脫硝系統(tǒng)存在尿素?zé)峤庀到y(tǒng)稀釋風(fēng)余量不足,脫硝催化劑活性較低等問題,無(wú)法實(shí)現(xiàn)環(huán)保A級(jí)企業(yè)NOx超低排放的要求。項(xiàng)目改造前,煙氣量為15 000 Nm3/h,煙氣溫度為200 ℃,煙氣NOx濃度為3 000 mg/Nm3,濃度50%的尿素溶液消耗量為60.5 kg/h,NOx排放濃度低于100 mg/Nm3。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目分析存在問題,并通過對(duì)噴氨格柵、尿素?zé)峤庀到y(tǒng)和吹灰系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化改造,使排放煙氣NOx濃度低于50 mg/Nm3,SCR脫硝效率大于98.15%,實(shí)現(xiàn)了超低排放。

        1 SCR脫硝系統(tǒng)存在問題

        1.1 烘爐工況的煙氣溫度低

        烘爐工況煙氣溫度不高,導(dǎo)致脫硝反應(yīng)器入口的煙氣溫度太低,無(wú)法滿足脫硝催化劑最低使用溫度(180 ℃)的要求;同時(shí)煙氣量波動(dòng)范圍大,烘爐工況煙氣量甚至小于10 000 Nm3/h,導(dǎo)致噴氨系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度大。

        根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),烘爐工況下煙氣溫度與煙氣NOx濃度的關(guān)系圖1所示。由圖1所知,當(dāng)NOx濃度達(dá)到50 mg/Nm3時(shí),脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙氣溫度為90 ℃,不滿足催化劑的最低使用溫度。

        1.2 催化劑活性較低

        該項(xiàng)目試車之初,脫硝催化劑已投運(yùn),至今已過去2年時(shí)間,催化劑活性較低,而且由于該項(xiàng)目催化劑吹灰系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,催化劑積灰嚴(yán)重影響活性;同時(shí)SCR脫硝反應(yīng)器未設(shè)人孔門或觀察孔,停爐時(shí),檢修人員無(wú)法進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)部檢查催化劑,無(wú)法如實(shí)掌握催化劑的積灰情況。

        圖1 烘爐工況下煙氣溫度與NOx濃度關(guān)系

        1.3 噴氨格柵設(shè)置不合理

        SCR脫硝反應(yīng)器入口的噴氨位置距離第一層催化劑只有2 m,距離太短;噴氨格柵開孔直徑為Φ6 mm,開孔太小容易堵塞;氨氣在煙道內(nèi)順著氣流噴霧,混合不均勻,影響脫硝效率。原設(shè)計(jì)50%濃度的尿素溶液消耗量為60.5 kg/h,稀釋風(fēng)機(jī)風(fēng)量選型余量不足,電加熱器功率選型太小,尿素?zé)峤鉁囟仍?50 ℃左右。尿素?zé)峤庀到y(tǒng)操作稍有不當(dāng),尿素溶液就會(huì)分解不完全,造成煙氣顆粒物排放超標(biāo),同時(shí)尿素殘余顆粒物會(huì)堵塞噴氨格柵開孔,影響脫硝系統(tǒng)正常運(yùn)行。

        圖2 噴氨格柵開孔示意圖

        為了證實(shí)尿素分解后的殘余顆粒物會(huì)造成煙氣顆粒物濃度超標(biāo),根據(jù)10 000 Nm3/h煙氣量計(jì)算得出的尿素分解率與尿素殘余顆粒物濃度關(guān)系如圖3所示。

        圖3 尿素分解率與尿素殘余顆粒物濃度關(guān)系圖

        根據(jù)圖3可知,尿素分解率為99.6%時(shí),殘余顆粒物濃度為4.8 mg/Nm3,加上煙氣除塵后原有粉塵濃度6 mg/Nm3,已不能滿足《規(guī)范》中顆粒物濃度≤10 mg/Nm3的排放要求。工業(yè)窯爐煙氣量小,煙氣NOx濃度高,尿素?zé)峤庀到y(tǒng)調(diào)節(jié)難度非常大。

        1.4 催化劑吹灰系統(tǒng)設(shè)置不合理

        SCR脫硝反應(yīng)器設(shè)置在金屬濾袋除塵器之后,煙氣顆粒物濃度≤6 mg/Nm3,脫硝煙氣中的氧化鋁粉塵粒徑很小,容易堵塞脫硝催化劑表面[1]。SCR脫硝反應(yīng)器的煙氣自下而上流動(dòng),催化劑的煙氣流進(jìn)側(cè)積灰較多,但原設(shè)計(jì)催化劑吹灰器設(shè)在催化劑煙氣流出側(cè),導(dǎo)致催化劑的吹灰效果不理想,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后積灰嚴(yán)重,催化劑活性降低,系統(tǒng)阻力增大,影響脫硝系統(tǒng)正常運(yùn)行。

        2 主要改造內(nèi)容

        2.1 增設(shè)煙氣提溫設(shè)施

        針對(duì)烘爐工況煙氣溫度不高的情況,在SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙道直接設(shè)置特種均化低氮管道燃燒器。此燃燒器的核心部件為英國(guó)進(jìn)口,加裝后,煙道阻力增加了150~300 Pa。烘爐過程中,特種均化低氮管道燃燒器瞬時(shí)將煙氣溫度自90 ℃加熱至200 ℃,滿足催化劑脫硝最低使用溫度180 ℃的要求。燃燒器安裝過程中,需要停爐拆除SCR脫硝反應(yīng)器原來Φ800 mm的進(jìn)口煙道,將其改造為Φ1 500 mm的均化燃燒室。燃燒器運(yùn)行過程中,煙道負(fù)壓不能低于2 kPa。燃燒器進(jìn)口煙道和SCR脫硝反應(yīng)器的出口煙道均設(shè)置煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)進(jìn)行氧氣量檢測(cè);燃燒器自帶火檢,控制系統(tǒng)通過煙氣溫度聯(lián)鎖開停,燃燒閥組周邊設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

        改造后,煙道燃燒器在煙道內(nèi)部直接燃燒,煙氣提溫速度快,而且燃燒器安裝靈活,操作簡(jiǎn)單,不需要補(bǔ)熱時(shí)可抽出煙道。煙道燃燒器原理如圖4所示。

        圖4 煙道燃燒器原理示意圖

        2.2 更換催化劑

        在SCR技術(shù)中,催化劑是核心部分。催化劑一般由基材、載體和活性成分三部分組成[2]?;氖谴呋瘎┬螤畹墓羌?,主要由鋼或陶瓷構(gòu)成;載體用于承載活性金屬,現(xiàn)在很多蜂窩狀催化劑則把載體材料本身作為基材制成蜂窩狀;活性成分一般有V2O5、WO3、MoO3等。目前,工業(yè)催化劑主要是以TiO2為載體的V2O5基催化劑,通常包括V2O5/TiO2、V2O5/TiO2- SiO2、V2O5- WO3/TiO2及V2O5- MoO3/TiO2等類型。催化劑按溫度窗口不同分為低溫型(140~280 ℃)、中溫型(350~420 ℃)和高溫型(450~650 ℃)。

        脫硝催化劑選擇要考慮的主要因素有:溫度窗口、比表面積、空速和使用壽命等。該項(xiàng)目脫硝系統(tǒng)煙氣溫度在180~240 ℃,因此應(yīng)選擇低溫型催化劑。

        原脫硝系統(tǒng)采用25孔蜂窩催化劑,因催化劑積灰和低溫運(yùn)行導(dǎo)致活性較低,不能滿足該項(xiàng)目的改造要求,所以更換原有的4層催化劑,啟用備用層催化劑,增加催化劑體積,以解決NOx濃度高的問題。在催化劑底部支撐梁增加角鋼,并在鋼梁表面鋪設(shè)陶瓷纖維紙,催化劑模塊安裝以后,對(duì)內(nèi)部進(jìn)行嚴(yán)密性檢查。改造后,系統(tǒng)阻力增加450 Pa(包括煙道燃燒器阻力300 Pa)。經(jīng)過核算,現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)全壓富裕800 Pa,滿足改造要求。

        2.3 優(yōu)化噴氨格柵和噴氨系統(tǒng)

        因?yàn)楦脑祉?xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)空間有限,原噴氨格柵位置最多可向下移2 m。因此,重新制作噴氨格柵,將噴氨格柵開孔直徑優(yōu)化為Φ12 mm[3],并在SCR反應(yīng)器進(jìn)口處增設(shè)煙氣混合器。改造后,煙氣混合距離增加了,能夠保證氨氣與煙氣混合均勻,提高脫硝效率。

        采用SCR脫硝工藝后,煙氣中的NH3、SO3及所生成的NH4HSO4濃度決定了脫硝系統(tǒng)的最低連續(xù)噴氨溫度[4]。該項(xiàng)目采用低溫型催化劑,煙氣中SO2濃度≤30 mg/Nm3,要求最低噴氨溫度≥180 ℃。高溫焙燒原料含有少量H2S氣體,焙燒時(shí)釋放SO2氣體。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行檢測(cè),煙氣中SO2濃度低于25 mg/Nm3。為了保證脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,最低連續(xù)噴氨溫度控制在180 ℃,正常工況下的煙氣溫度完全能夠滿足,烘爐工況的噴氨溫度可由新增煙道燃燒器保證,但噴氨系統(tǒng)仍存在稀釋風(fēng)量不足和熱解溫度低等問題亟待解決。

        為此,更換稀釋風(fēng)機(jī),將其風(fēng)量由693 m3/h加大至1 200 m3/h;更換煙氣電加熱器,將其功率由75 kW增加到125 kW,在滿足最大稀釋風(fēng)量條件下將稀釋風(fēng)溫度升高至600 ℃以上。尿素?zé)峤鉁囟瓤刂圃?50~600 ℃,尿素分解率基本達(dá)到最高值。在此溫度范圍內(nèi),尿素濃度越低,分解率越高[5]。運(yùn)行過程中,尿素流量調(diào)節(jié)范圍較小時(shí),可適當(dāng)降低尿素溶液濃度,增加尿素流量,以達(dá)到精確控制的目標(biāo)。

        改造后,稀釋風(fēng)量充足,熱解溫度達(dá)標(biāo),噴氨系統(tǒng)正常調(diào)節(jié)不會(huì)造成顆粒物超標(biāo)和噴氨格柵堵塞。

        2.4 重新布置催化劑吹灰系統(tǒng)

        將催化劑吹灰系統(tǒng)順應(yīng)SCR脫硝反應(yīng)器煙氣流向布置在積灰較多的催化劑煙氣流進(jìn)側(cè),以提高吹灰效果,降少系統(tǒng)運(yùn)行阻力,保證催化劑活性。

        2.5 脫硝反應(yīng)器本體增設(shè)檢修人孔門和檢測(cè)孔

        在SCR脫硝反應(yīng)器增設(shè)人孔門,在末層催化劑頂部反應(yīng)器箱體四面增設(shè)手動(dòng)檢測(cè)孔。增設(shè)人孔門的目的是方便檢修人員進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi)部檢查催化劑積灰情況;增設(shè)手動(dòng)檢測(cè)孔的目的是方便手動(dòng)檢測(cè)SCR脫硝反應(yīng)后煙氣的NOx濃度、溫度和流量等參數(shù),為判斷脫硝反應(yīng)器內(nèi)部氣流狀況提供依據(jù)。

        3 效益分析

        3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

        該項(xiàng)目實(shí)施后,2臺(tái)高溫焙燒窯年減少排污費(fèi)0.54萬(wàn)元,烘爐燃燒器年增加燃料費(fèi)9.5萬(wàn)元,設(shè)備折舊費(fèi)年增加12.4萬(wàn)元,維修費(fèi)年增加3.7萬(wàn)元。但環(huán)保設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行,產(chǎn)能提高,年利潤(rùn)增加150萬(wàn)元。綜上分析,該項(xiàng)目實(shí)施后,年節(jié)約成本124.98萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)效益明顯,為企業(yè)降本增效奠定基礎(chǔ)。

        3.2 社會(huì)效益分析

        該項(xiàng)目實(shí)施后,煙囪在線檢測(cè)顯示NOx最高排放濃度低于35 mg/Nm3,達(dá)到環(huán)保A級(jí)企業(yè)NOx低于50 mg/Nm3的排放指標(biāo),年減少NOx排放量為10 920 kg,既響應(yīng)了國(guó)家和當(dāng)?shù)卣疁p少大氣污染物排放的政策,也改善了企業(yè)及周邊區(qū)域的空氣質(zhì)量。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        某公司高溫焙燒窯SCR脫硝系統(tǒng)存在烘爐工況下煙氣溫度低、催化劑活性較低、噴氨格柵設(shè)置和催化劑吹灰系統(tǒng)設(shè)置不合理等問題,通過增設(shè)煙氣提溫設(shè)施、采用低溫催化劑、優(yōu)化噴氨格柵、重新布置催化劑吹灰系統(tǒng)、增設(shè)人孔門和檢測(cè)孔等措施進(jìn)行改造。項(xiàng)目改造后,煙氣NOx排放濃度由100 mg/Nm3降低至35 mg/Nm3以下,噴氨系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo)。

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