玻璃熔窑SCR烟气脱硝设计的影响因素分析

2013-10-14凌绍华李晓亮

河北环境工程学院学报 2013年6期

关键词：熔窑清灰窑炉

凌绍华，李晓亮

（中国环境管理干部学院环境工程系，河北秦皇岛 066004）

玻璃熔窑SCR烟气脱硝设计的影响因素分析

凌绍华，李晓亮

（中国环境管理干部学院环境工程系，河北秦皇岛 066004）

对影响玻璃熔窑SCR烟气脱硝设计的几个主要因素，如烟气条件（烟气量和NOx初始浓度）、还原剂、催化剂、SCR反应器布置方式及催化剂吹灰方式等进行了分析与讨论，指出在对玻璃熔窑进行SCR烟气脱硝设计时应根据燃料情况、烟气条件、生产工艺、环保法规及污染物减排要求等合理进行选择，以确保玻璃熔窑SCR烟气脱硝系统安全运行及工程投资、运行费用的经济合理性。

玻璃熔窑；SCR；烟气脱硝设计；影响因素

Abstract：Analyzed and discussed the main influence factors for flue gas SCR denitration design in the glass furnace,such as flue condition(flue gas volume and NOxinnitial concentration),reducing agent,catalyst,SCR reactor arrangement and blowing methods of catalyst,and pointed out that during the SCR denitrification design of flue gas for glass furnace,a reasonable choice should be based on the fuel situation,flue gas condition,production technology,environmental regulations and pollutant emission reduction requirements,to ensure that the SCR denitrification system safe operation and project investment and operating costs are of economic rationality.

Key words： glass furnace； SCR； flue gas denitration design； influence factors

根据《平板玻璃工业大气污染物排放标准》（GB 26453-2011）的要求，玻璃生产企业自2014年1月1日起熔窑烟气NOx浓度应小于700 mg/m3[1]。该标准的出台，使平板玻璃工业烟气脱硝工作面临紧迫的形势。

目前，国内有个别玻璃生产企业已开始烟气脱硝的试验及研究，但都处于起步阶段，在设计及运行中存在不少问题。该研究针对玻璃熔窑SCR烟气脱硝在设计时的主要影响因素进行了分析与讨论。

1 玻璃熔窑SCR烟气脱硝技术

选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）烟气脱硝技术及SCR+SNCR联合脱硝技术是已实现工业化应用的烟气脱硝技术，是目前比较成熟的烟气脱硝技术，在电力、热力及水泥等行业已得到大量应用。

SNCR是在没有催化剂的条件下，向850～1 050℃的窑炉区域中喷入还原剂（氨水或尿素），喷入的炉膛区域中会有一定量氧气存在，喷入的还原剂有选择性地与NOx反应，生成N2和H2O[2，3]。在平板玻璃行业，由于在玻璃窑炉中适合SNCR脱硝的温度段处于窑炉蓄热室内，考虑窑炉蓄热室的结构特点及还原剂对窑炉蓄热室运行的影响，SNCR脱硝技术目前还有待于开发。

SCR是在一定温度和有催化剂的条件下，还原剂有选择性地与烟气中的NOx反应生成无毒、无污染的N2和H2O[4，5]。工业应用的还原剂主要是液氨，其次是尿素、氨水。SCR脱硝技术适用范围广，无二次污染，脱硝效率可达到80%以上。目前玻璃熔窑烟气初始氮氧化物浓度在1 500～2 500 mg/m3之间，为使玻璃熔窑氮氧化物的排放浓度达到环保要求（低于700 mg/m3），针对浮法玻璃生产工艺特点，使用SCR脱硝技术较为合理。

SNCR+SCR联合脱硝技术结合了SCR和SNCR系统的优点，最主要的改进就是省去了SCR工艺设置在烟道里复杂的氨喷射格栅系统，并大幅度减少了催化剂的用量，是比较经济、高效的脱硝方式。但由于SNCR技术在玻璃熔窑应用的受限，该联合脱硝技术在玻璃熔窑的应用还存在困难。

2 SCR烟气脱硝设计的影响因素

2.1 SCR反应器的布置位置

SCR装置可以布置在除尘器之前（高尘区SCR），也可布置在除尘器之后（低尘区SCR）或烟气脱硫装置之后（尾部SCR），SCR的三种布置方式见图1。

图1 SCR的三种布置方式

高尘区SCR布置的优点是烟气在进入SCR反应器之前无需再热，缺点是烟气中含有高浓度的粉尘及其他有毒成分，可使催化剂活性降低或催化剂中毒。低尘区SCR的优点是烟气中的粉尘及其他有毒成分经除尘处理后，对催化剂活性的影响较少，缺点是除尘需在高温环境下进行。尾部SCR的优点是可有效避免催化剂活性降低或催化剂中毒，但烟气温度较低，进入SCR反应器之前需进行再加热，运行不经济。

国内电力行业基本上采用高尘区SCR布置。但是在玻璃行业，由于熔制玻璃液所使用的主要原料中有石灰石、纯碱、白云石、芒硝等，熔窑烟气中的烟尘含有较多的Na、Ca和较少的Mg、K，其中碱金属元素（Na、K）能够中和催化剂活性位的酸性并减少活性位的数量，碱土金属元素（Ca）的沉积会造成催化剂孔结构的堵塞，碱金属元素（Na、K）和碱土金属元素（Ca）都能够导致SCR催化剂中毒[6]。因此，在玻璃熔窑SCR烟气脱硝设计时，应采用低尘区SCR布置，烟气经高温除尘去除碱金属及碱土金属等粉尘后进入SCR反应器，以降低粉尘对催化剂活性的影响。

2.2 烟气量及NOx初始浓度

烟气量、NOx初始浓度等烟气条件是影响SCR烟气脱硝设计的最重要的因素，它关系到催化剂的用量，进而影响工程的投资及投运后的运行费用。烟气量、NOx初始浓度等烟气条件随玻璃熔窑的生产负荷、燃料种类、工艺状况的变化而变化。以500 T/D浮法玻璃生产线为例，烟气量约（8.0～10.0）×104m3/h，烟气中NOx初始浓度约1 500～2 500 mg/m3。在对玻璃熔窑进行SCR烟气脱硝设计前，设计单位应根据玻璃熔窑的设计资料及日常实际运行的统计资料，对烟气条件进行确定。

首先是烟气量的确定。通过玻璃熔窑满负荷工况下的实际烟气量与熔窑燃用设计燃料BMCR工况下的计算烟气量进行比较，取最大值为SCR脱硝处理的烟气量。目前国内玻璃行业的燃料主要有重油、煤焦油、天然气、煤气、石油焦、水煤浆等，部分玻璃熔窑已设计成多燃料系统，可根据燃料的价格变动情况随时变换燃料，以降低玻璃生产成本，同一窑炉使用不同的燃料时烟气量变化较大。因此，对此类窑炉设计时还需考虑燃料品种的变化情况。

其次是NOx初始浓度的确定。NOx初始浓度随生产负荷、燃料和燃烧状况的变化而变化。通过对熔窑生产运行期间的统计资料，取实际监测值的最大值为脱硝设计的NOx初始浓度，同时应考虑一定的裕量。另外，部分玻璃熔窑如果考虑产品品种的变化，比如在目前生产白玻的基础上，今后可能计划增加生产颜色玻璃，生产颜色玻璃的火焰热点温度比生产白玻的火焰热点温度高，会导致烟气中的NOx初始浓度增大。因此，对此类窑炉设计时还需考虑产品品种的变化情况。

如果设计时烟气量及NOx初始浓度选择过低，则可能出现实际运行时的空速及NOx初始浓度超过设计值，使脱硝效率无法达到设计指标。如果设计时烟气量及NOx初始浓度选择过高，裕量太大，则会增加催化剂用量和反应器尺寸，造成SCR脱硝系统的工程投资和运行费用增加，降低系统的经济性。

2.3 还原剂的选择

用于SCR烟气脱硝的还原剂有三种:液氨、氨水和尿素。其中应用最广泛的是液氨，其次是尿素。液氨一般采用纯度为99.8%的氨，沸点-77.7℃，熔点-33.5℃，水溶液呈强碱性，通常以加压液化的方式储存，对储存与使用有严格的安全要求；氨水是20%～29%的水溶液，较液氨相对安全，氨水溶液呈弱碱性和强腐蚀性，运输成本较高，且在蒸发过程需消耗较多的能量；尿素在常温常压下呈固态，运输和储存都较容易，无需附设安全措施，但尿素需要使用专用设备热解或水解制备氨气，设备投资高，运行过程中能耗较高。三种SCR还原剂的综合比较见表1。

表1 三种SCR还原剂的比较

玻璃生产企业在制氢车间普遍采用氨分解制氢或者水电解制氢工艺。对于制氢车间已采用氨分解制氢工艺的玻璃熔窑，在制氢站已有液氨储存及氨气制备系统，SCR烟气脱硝设计时应直接利用或改造现有的氨储存及制备系统。对于制氢车间采用水电解制氢工艺的玻璃熔窑，该企业周围环境符合相关安全要求，优先考虑采用液氨作为还原剂，以减少工程投资及运行费用。如果该企业地处市区并且液氨的运输条件及储存使用环境不符合相关安全要求，可考虑采用尿素法，以尿素作为还原剂。

2.4 催化剂的优化

用于SCR工程中的催化剂有贵金属催化剂、金属氧化物催化剂、沸石分子筛催化剂和活性炭催化剂。玻璃熔窑在原料熔化过程中，窑内热点温度高达1 500～1 600℃，产生大量热力型NOx，烟气中NOx浓度可达到1 500～2 500 mg/Nm3，远远高于电厂锅炉及普通工业锅炉烟气中的NOx浓度，因此对催化剂的性能要求较高。另外，玻璃熔窑烟气中含有原料熔化过程中产生的Na、Ca、Mg、K等物质，易造成催化剂中毒，因此对催化剂的防中毒性能要求也较高。而在商业应用中，目前主要是V2O5-WO3（MoO3）/TiO2金属氧化物催化剂，该催化剂脱硝活性高，抗中毒能力强。玻璃熔窑SCR烟气脱硝设计时应选用V2O5-WO3（MoO3）/TiO2金属氧化物催化剂，并根据烟气情况对催化剂中的各种组分进行优化调整，以适应玻璃熔窑烟气特点，保证脱硝效果及催化剂使用寿命。

2.5 玻璃窑炉的燃烧特点

玻璃熔窑与其他工业窑炉相比，存在左右方向定时换火的燃烧特点，一般是每间隔20 min进行左右方向换火。在玻璃熔窑左右方向换火燃烧时，存在瞬间燃烧停止的过程，该过程会导致烟气中的NOx浓度瞬间急剧下降，此时如果SCR反应器中的喷氨量没有及时变化，会造成氨气瞬间过量，导致氨逃逸浓度瞬间超标。因此，玻璃熔窑SCR烟气脱硝设计时应考虑左右方向定时换火的燃烧特点，通过DCS控制系统，将喷氨系统与左右方向换火系统联锁，在左右方向换火时及时调整喷氨量，以避免氨逃逸浓度瞬间超标。

2.6 催化剂的清灰方式

玻璃熔窑烟气中的粉尘含有碱金属、碱土金属，且粉尘大多数属于微细粉尘，易覆盖在催化剂的表面，使催化剂活性降低或发生堵塞，需安装吹灰器对催化剂进行清灰。SCR脱硝催化剂的清灰方式主要有声波清灰、蒸汽清灰和压缩空气清灰三种方式。

声波清灰不会损害催化剂，合理运行可使催化剂积灰量控制在较低水平，但对黏结性积灰和严重堵灰，清灰效果差。

蒸汽清灰依靠机械的蒸汽冲击力来实现清灰，适用于各种积灰的清除，对黏结性积灰和严重堵灰，清灰效果明显。但蒸汽流对催化剂的表面有一定磨损，如果蒸汽过热度太低，由于湿度的影响，长期运行对催化剂的失效影响很大。

压缩空气清灰依靠压缩空气冲击力来实现清灰，清灰效果明显高于声波清灰。但由于压缩空气温度与烟气温度有明显的差异，吹扫时如果压缩空气中的水汽太多，会在催化剂表面及通道上发生瞬间温降凝结，影响催化剂的性能。

对于燃用重油、煤焦油、石油焦、水煤浆、煤气的玻璃熔窑，由于烟气中的粉尘具有一定的黏结性，SCR脱硝设计时清灰方式应优先选用蒸汽清灰或声波+蒸汽联合清灰。如果该玻璃熔窑的余热锅炉生产的蒸汽过热度太低，考虑将清灰方式设计成声波+压缩空气联合清灰方式，但需对进入吹灰器的压缩空气进行预热及去水份处理，以保证清灰效果。

对于燃用天然气的玻璃熔窑，烟气中的黏结性粉尘较少，SCR脱硝设计时清灰方式应根据蒸汽源或压缩空气源的工艺现状选用蒸汽清灰、声波+蒸汽联合清灰或声波+压缩空气联合清灰方式。

3 结论

玻璃熔窑的SCR烟气脱硝设计直接影响SCR脱硝系统的运行效果、工程投资及运行费用，设计单位应结合玻璃熔窑的烟气条件、燃料、生产工艺、环保法规及污染物减排要求，选择合理的烟气量、NOx初始浓度、还原剂、催化剂、SCR反应器布置方式及催化剂吹灰方式，在保证NOx排放浓度及系统脱硝效率达到设计要求的前提下，提高SCR脱硝系统适应玻璃熔窑烟气的能力，延长SCR催化剂的使用寿命，确保玻璃熔窑SCR烟气脱硝系统的安全高效运行及工程投资、运行费用的经济合理性。

[1]中国环境科学研究院.中华人民共和国国家标准GB 26453-2011平板玻璃工业大气污染物排放标准[J].上海建材，2011，164（4）：5-9.

[2]孙克勤，韩祥.燃煤电厂烟气脱硝设备及运行[M].北京：机械工业出版社，2011：21-22.

[3]陈进生.火电厂烟气脱硝技术：选择性催化还原法[M].北京：中国电力出版社，2008：18-19.

[4]杨冬，徐鸿.SCR烟气脱硝技术及其在燃煤电厂的应用[J].电力环境保护，2007，23（1)：49-51.

[5]中国大唐集团科技工程有限公司.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M].北京：中国电力出版社，2009：19-21.

[6]云端，宋蔷，姚强.V2O5-WO3/TiO2SCR催化剂的失活机理及分析[J].煤炭转化，2009，32（1）：91-95.

（编辑：程俊）

Analysis on Influence Factors for Flue Gas SCR Denitration Design in the Glass Furnace

Ling Shaohua,Li Xiaoliang
（Department of Environment Engineering,Environmental Management College of China,Qinhuangdao Hebei 066004,China）

X701

1008-813X（2013）06-0061-04

10.3969 /j.issn.1008-813X.2013.06.018