李永鴻

（廣西柳鋼環(huán)保股份有限公司，廣西 柳州 545002）

1 焦?fàn)t煙氣SDS脫硫+布袋除塵+低溫SCR脫硝工藝簡(jiǎn)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?fàn)t煙氣在引風(fēng)機(jī)的牽引下，進(jìn)入SDS鈉基干法脫硫反應(yīng)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(xué)反應(yīng)，迅速生成Na2SO4和CO2物質(zhì)，以達(dá)到脫除SO2的目的。脫除SO2后的煙氣進(jìn)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(lái)，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(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器，在催化劑作用下，煙氣中的NOx和噴入的NH3發(fā)生反應(yīng)生成N2和H2O，以達(dá)到脫硝的目的。脫硝后的凈煙氣通過(guò)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(guò)水-水換熱器，與生活水交換熱量，產(chǎn)出約90 ℃的生活熱水?；厥沼酂岷蟮膬魺煔猓s140 ℃）通過(guò)引風(fēng)機(jī)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(shù)。反應(yīng)的基本原理如下［1］：

反應(yīng)方程式（1）是 SCR 脫硝過(guò)程中最主要的反應(yīng)，它揭示了脫除 1 moL的NO需要 1 moL的NH3。但是在實(shí)際反應(yīng)中，為了達(dá)到更好的脫硝效率，需要適當(dāng)噴入過(guò)量的NH3補(bǔ)償非均勻混合未經(jīng)反應(yīng)的氨則被稱(chēng)為氨逃逸。

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

在特定的運(yùn)行條件下，一些副反應(yīng)可能會(huì)發(fā)生，如下：

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

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

SCR 脫硝反應(yīng)能在不同負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)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(huì)產(chǎn)生其他污染物，是一種成熟且可靠的脫硝技術(shù)，但需重視副反應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

3 影響SCR脫硝效率的關(guān)鍵因素與注意事項(xiàng)

3.1 催化劑床層反應(yīng)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(yīng)溫度需要在180～320 ℃。然而，聯(lián)合鋼鐵焦化燃料一般為焦?fàn)t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?xí)陆抵?70 ℃以下；在南方鋼鐵焦化企業(yè)，煙道底部時(shí)常積水，液態(tài)水在高溫?zé)煔庾饔孟聲?huì)閃蒸，進(jìn)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(duì)煙氣溫度低的措施：①根據(jù)焦?fàn)t加熱工藝需要，盡可能多地使用高熱值的焦?fàn)t煤氣，提高煙氣溫度。但是，這一舉措有利有弊。焦?fàn)t煤氣中含有的硫化氫相對(duì)于高爐煤氣高，燃燒后產(chǎn)生的二氧化硫也會(huì)相應(yīng)增加，這給脫硫增加了壓力。因此實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，還得結(jié)合實(shí)際工況綜合考慮，合理調(diào)配兩種煤氣配比，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益的雙贏。②煙道積水問(wèn)題：可以在煙道低洼處增加集水井，安裝一臺(tái)抽水泵。根據(jù)集水井下水位高低情況開(kāi)停泵，及時(shí)進(jìn)行煙道抽水，減少閃蒸效應(yīng)，避免煙溫降低。③項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，嚴(yán)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(zhǎng)期低于180 ℃，則需要考慮開(kāi)啟熱風(fēng)爐，將部分凈煙氣加熱以后重新送回SCR反應(yīng)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(jī)檢修重新開(kāi)機(jī)，應(yīng)讓煙氣充分預(yù)熱催化劑床層，待SCR催化劑出口溫度達(dá)到180 ℃以上方可噴氨脫硝。升溫期間應(yīng)避免高硫低溫?zé)煔膺M(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器中，同時(shí)還應(yīng)避免水汽進(jìn)入脫硝反應(yīng)器內(nèi)。在升溫過(guò)程中應(yīng)快速達(dá)到100 ℃以上，待溫度超過(guò)100 ℃后逐步降低升溫速率，應(yīng)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(shí)，方可打開(kāi)噴氨閥門(mén)。

關(guān)于煙氣溫度方面，我們還需要注意以下事項(xiàng)：①SCR噴氨最低連續(xù)運(yùn)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(shí)對(duì)催化劑活性有一定影響。②當(dāng)SCR入口煙氣溫度低于最低設(shè)計(jì)煙氣溫度170 ℃時(shí)，則需要停止氨噴射。否則，會(huì)導(dǎo)致氨逃逸增加，還會(huì)增加產(chǎn)生硫酸鹽的概率。③在脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中，應(yīng)注意煙氣溫度過(guò)高的問(wèn)題。當(dāng)SCR入口煙氣溫度大于420 ℃時(shí)，容易引起催化劑燒結(jié)，脫硝性能會(huì)降低。

3.2 催化劑孔堵塞情況

常見(jiàn)的SCR催化劑類(lèi)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(diǎn)，目前占據(jù)了80%的市場(chǎng)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(wú)法與催化劑活性成分相接觸，將無(wú)法進(jìn)行脫硝反應(yīng)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，催化劑孔被堵塞的情況時(shí)有發(fā)生。

3.2.1 粉塵堵塞

焦?fàn)t煙氣的顆粒物濃度雖然較低，但是仍不能滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)要求。為了粉塵達(dá)標(biāo)排放，煙氣排放前必須經(jīng)過(guò)除塵裝置，尤其對(duì)于采用的鈉基干法脫硫工藝本身特點(diǎn)，也會(huì)增加凈煙氣中的顆粒物濃度。諸如布袋破損等情況導(dǎo)致除塵效果下降，大量的粉塵顆粒物便流動(dòng)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(yīng)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(guò)大，對(duì)布袋過(guò)度沖刷，造成布袋表面破損，影響除塵效率。對(duì)于7 m長(zhǎng)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(shè)計(jì)上，要考慮脫硫脫硝二者的先后順序。焦?fàn)t是由不同形狀的磚砌筑而成的窯爐，焦?fàn)t生產(chǎn)管理過(guò)程中允許荒煤氣從炭化室竄漏進(jìn)入燃燒室，不允許著火的焦?fàn)t煤氣竄漏進(jìn)入炭化室，這一特點(diǎn)決定了焦?fàn)t的竄漏問(wèn)題從焦?fàn)t生產(chǎn)之日起就存在，焦?fàn)t煙氣中就可能存在焦油、碳粉、煤粉、灰塵、各種銨鹽類(lèi)物質(zhì)等，這些雜質(zhì)對(duì)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?fàn)t煙氣特點(diǎn)、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(yīng)該是一個(gè)較佳選擇［2］。

最后，可以在催化劑倉(cāng)室設(shè)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(dòng)，膜片的振動(dòng)將高壓氣流調(diào)制成壓力脈沖，該壓力脈沖通過(guò)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(yīng)器的表面上。這些粉塵顆粒在聲波能量的反復(fù)振動(dòng)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?fàn)t竄漏導(dǎo)致焦?fàn)t煙氣中含有焦油。隨著焦?fàn)t爐齡的增長(zhǎng)，爐墻竄漏不可避免。碳化室內(nèi)產(chǎn)生的焦油會(huì)竄入焦?fàn)t煙氣當(dāng)中，焦油同樣是強(qiáng)黏性物質(zhì)，對(duì)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(lái)自焦化化產(chǎn)車(chē)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(jìn)入SCR反應(yīng)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(guò)濾器，將混在氨水中的油污等雜物提前去除，避免進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)；在工藝設(shè)計(jì)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(shè)置在脫硝工序之前，煙氣中的焦油在經(jīng)過(guò)除塵布袋時(shí)，也會(huì)被布袋過(guò)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(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，脫硝過(guò)程會(huì)發(fā)生SO2的氧化副反應(yīng)，生成的SO3與氨氣反應(yīng)，會(huì)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(kāi)始從氣態(tài)凝結(jié)為液態(tài)，其熔點(diǎn)溫度為 147 ℃，沸點(diǎn)為 350 ℃。該物質(zhì)非常黏稠且難以清除，黏附在催化劑表面，會(huì)影響催化劑脫硝效率。焦?fàn)t煙氣溫度低，極易生成硫酸氫銨，覆蓋在催化劑表面會(huì)導(dǎo)致催化劑出現(xiàn)物理性失活，嚴(yán)重影響脫硝催化劑的脫硝效率及設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，當(dāng)脫硫效率不佳，即進(jìn)SCR反應(yīng)器SO2≥50 mg/Nm3，并且持續(xù)5 min以上，就應(yīng)該立即停止噴氨脫硝，待脫硫效果恢復(fù)正常后再進(jìn)行噴氨脫硝操作。

針對(duì)銨鹽積聚的措施：采用高溫加熱分解的方式恢復(fù)催化劑活性。脫硝系統(tǒng)停止噴氨，開(kāi)啟熱風(fēng)爐將煙氣加熱至300～350 ℃，送回SCR反應(yīng)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(kāi)始分解，生成的NH3和SO2隨煙氣流出系統(tǒng)。催化劑多久進(jìn)行一次熱解析再生，研究人員可以根據(jù)不同脫硫脫硝項(xiàng)目的負(fù)荷運(yùn)行情況決定，一般每6個(gè)月需要對(duì)催化劑進(jìn)行一次熱解析操作。

3.3 煙氣流場(chǎng)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(jìn)入煙道，在一次導(dǎo)流板的作用下，氣流進(jìn)行均勻分布，氨氣從噴氨柵格處噴入，與煙氣混合后經(jīng)過(guò)一級(jí)混流器、二級(jí)混流器，進(jìn)行充分混合后再流經(jīng)二次導(dǎo)流板，最后經(jīng)整流格柵均布分布?xì)怏w后流入SCR催化劑表面。在實(shí)際運(yùn)用中，噴氨格柵入口的氨氣管道設(shè)置了多組噴氨支管，便于調(diào)節(jié)不同流場(chǎng)區(qū)域的噴氨量。因此，優(yōu)化的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)不僅消除了煙氣傾斜的流動(dòng)慣性，還進(jìn)一步促進(jìn)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(yīng)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(fēng)機(jī)送來(lái)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(huì)進(jìn)一步凝結(jié)成顆粒，再一起隨著氣流入噴氨支管，顆粒物會(huì)在噴氨支管中沉降，隨著時(shí)間的推移，有可能將噴氨支管堵塞。因此，噴氨支管也應(yīng)考慮設(shè)置吹堵用的氣源，定期打開(kāi)壓縮空氣對(duì)噴氨支管進(jìn)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(fù)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(guò)氨氮摩爾比調(diào)控脫硝反應(yīng)效率。SCR系統(tǒng)摩爾比是指參與脫硝反應(yīng)的氨氮配比，即NH3/NOx，是SCR脫硝系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。焦?fàn)t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(yīng)方程式，1 moL的NH3與1 moLNOx進(jìn)行反應(yīng)，在實(shí)際操作過(guò)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(guò)量未參與脫硝反應(yīng)而流入大氣的氨氣，我們稱(chēng)之為氨逃逸，也視為大氣污染物之一。當(dāng)氨逃逸濃度超過(guò)設(shè)定值，而SCR出口NOx濃度沒(méi)有達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，不要繼續(xù)增大氨氣的注入量，而應(yīng)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(wèn)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(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)一般為多通道反應(yīng)器，目的在于方便檢修，在催化劑達(dá)到預(yù)期壽命時(shí)，不需要停機(jī)便可以逐個(gè)更換反應(yīng)倉(cāng)室的催化劑，達(dá)到在線更換催化劑的目的，避免停機(jī)檢修影響大氣污染物減排指標(biāo)。因此，當(dāng)出現(xiàn)整體的脫硝效率較低，而局部通道的氨逃逸濃度過(guò)高時(shí)，則應(yīng)考慮對(duì)噴氨格柵的手動(dòng)流量控制閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步合理分配進(jìn)入各通道反應(yīng)器的氨氣流量，使得NOx排放指標(biāo)和氨逃逸指標(biāo)符合要求。

3.6 催化劑系統(tǒng)的停機(jī)維護(hù)

首先應(yīng)在煙氣和反應(yīng)器溫度冷卻到規(guī)定的系統(tǒng)最低連續(xù)運(yùn)行溫度之前關(guān)閉噴氨裝置。在冷卻過(guò)程中，應(yīng)該選用SCR入口端的溫度測(cè)量點(diǎn)作為參考依據(jù)，確保催化劑床層溫度高于最低連續(xù)運(yùn)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(yīng)器中，逐漸冷卻催化劑床層。如果通煙氣冷卻催化劑床層，會(huì)導(dǎo)致水汽在催化劑表面凝結(jié)，尤其是對(duì)于含有SOx或者HCl的煙氣，其露點(diǎn)較高，容易產(chǎn)生凝結(jié)的液體，對(duì)催化劑活性造成影響。此外，停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，則需要對(duì)催化劑表面進(jìn)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(guò)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(duì)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(guò)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(yīng)避免壓縮空氣壓力或速度過(guò)高對(duì)催化劑造成損壞。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從催化劑床層反應(yīng)溫度、催化劑孔堵塞情況（焦油、粉塵、銨鹽）、煙氣流場(chǎng)及與氨氣的混合程度、氨氮比等，分別探討了其對(duì)脫硝效率的影響及可采取的預(yù)防措施，具有實(shí)踐意義。除此之外，其脫硝效率還受到煙氣在反應(yīng)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(yīng)綜合考慮各個(gè)方面的因素，選取達(dá)到最佳脫硝效率的反應(yīng)參數(shù)，更有效地控制氮氧化物的排放，從而保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。