焦炉烟气脱硝改造方案

2018-07-20王永兴

山东化工 2018年13期

王永兴

(山西国控环球工程有限公司(原山西省化工设计院)，山西太原 030024)

焦炉产生的烟道气中含有二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)，如果直接排放到大气中，SO2和NOx会参与和加剧光化学污染、酸沉降污染，严重影响空气环境质量，从而对人类健康和生态系统等造成重大危害，并成为制约我国经济社会可持续发展的主要因素。山西省太原、阳泉、长治、晋城、临汾、晋中“4+2”城市辖区所有焦化企业，焦炉烟囱排放均按《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB16171-2012)中特别排放限值的规定，按要求设置大气污染物治理设施。烟气净化处理按照《炼焦化学工业污染物排放标准》中的特别限值排放标准(SO2≤30mg/Nm3，NOx≤150 mg/Nm3，颗粒物≤15 mg/Nm3)进行装置设计。

1 焦炉烟气脱硝技术

烟气脱硝技术主要可分为选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、SCR与SNCR相结合法、小型脱硫脱硝一体化设备等。结合焦炉烟气特点及实际情况，本课题主要介绍选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)。

1.1 选择性非催化还原技术(SNCR)

选择性非催化还原技术(SNCR)是用NH3、尿素等作为还原剂喷入反应炉并使其与NOx发生选择性反应(其中尿素成本低，效果好)，这些还原剂应当在炉膛温度约为850～1100℃的区域段喷入(其中还原剂尿素会迅速分解生成NH3)，还原剂与烟气中的NOx发生SNCR反应生成N2，从而将氮氧化物脱除。

选择性非催化还原技术(SNCR)的特点主要包括：(1)系统和设备简单，脱硝装置是不需要拆除或取代现有设备，仅仅需要增设氨或者尿素储存装置和氨或者尿素的喷入口，因此系统结构比较简单，可适用于需要改造的系统中；(2)脱硝系统投资较小：由于系统和设备都很简单，而且整个反应过程不需要借助催化剂，所以初投资和运行的成本都很低，在这方面具有较大的优势；(3)系统的阻力降很小：脱硝系统不需要改造原有的排风装置，因此对于整个系统的正常运行有较小的影响；(4)系统占地少：由于只需要增加氨或者尿素的储存系统和输送的管道，因此需要占用的面积小；(5)可进行系统优化：喷入的氨和尿素的雾化程度可以通过控制系统很好的控制，并且可以通过精确的测量技术测量NOx的剩余量，从而可以很好的控制喷入的氨和尿素的量及其混合的程度，这样脱硝的效率可以得到很好地控制；(6)可兼容性强:脱硝技术可以和目前流行的低氮燃烧技术向融合，可以达到更高的脱硝效率，满足苛刻的环境排放标准的要求；(7)建设周期短；(8)其最大的缺点是脱硝效率较低，如果单独使用脱硝技术，只能达到约30%～50%的脱硝效果，一般很难满足环保标准对于氮氧化物超低排放的要求。

1.2 选择性催化还原技术(SCR)

选择性催化还原技术(SCR)是目前经常使用的一种脱除烟气中NOx的方法，这种方法成熟、脱硝效率高、可选择性较好。这种脱硝技术的关键是脱硝催化剂，不同的应用领域对催化剂性能的要求有所不同。结合项目焦炉烟气的温度特点，现主要介绍中低温的SCR脱硝工艺。

中低温SCR脱硝技术的主要特点：

(1)有与焦炉烟气具有烟气量大、烟气温度低的特点，中低温SCR脱硝工艺技术能够很好的解决我们目前焦炉烟气中NOx对于超低排放要求的限制。其脱硝效率高、工艺可靠成熟；

(2)SCR脱硝催化剂的适用温度范围较广，约为180～300℃，焦炉烟气出口的温度能满足SCR工艺对于温度的要求，不需要增设其它能耗；

(3)焦炉烟气经过SCR反应器后温度降低程度约5～10℃左右，不会对后续的余热回收系统造成影响，并且符合焦炉烟气热能回收的要求；

整套脱硝工艺流程较为简单，设备布置合理，占地面积很小，系统能耗很低，热能回收利用较为充分，系统运行费用低。

表1 脱硝催化剂性能

该技术与其他脱硝技术相比，主要具有以下优势：

(1)这种中低温脱硝催化剂的特点有：适用温度较低，催化剂无毒，其耐硫性强，选择性高，不易造成堵塞等特点。

(2)中低温SCR脱硝系统脱硝效率可以达到90%以上，系统工艺成熟且可靠。

(3)SCR脱硝系统的最佳使用温度大约为230～300℃，满足SCR脱硝要求，不增加额外的能耗；

(4)烟气经过SCR脱硝系统以后，温度降小于5℃；且系统阻力小，能耗低。

2 改造方案简述

本次改造的原脱硝设施采用尿素热解SCR法脱硝工艺。入口NOx浓度400 mg/Nm3(标态，干基，6% O2)，设计脱硝效率75%，反应器出口NOx浓度不高于200 mg/Nm3(标态，干基，6% O2)，SCR反应器采用高灰型工艺布置。

目前监测结果显示：(1)送检催化剂烟气入口处断面无明显受飞灰冲刷痕迹，烟气孔道有少量积灰堵塞现象；(2)催化剂中碱金属含量增加，说明碱金属在催化剂中有沉积，说明催化剂呈轻微中毒趋势；(3)催化剂的脱硝效率略有降低，但仍满足设计值要求，属于催化剂的正常衰减。

脱硝超低排放改造原则及目标值：

(1)在现有烟气脱硝基础上进行脱硝超低排放改造方案论证，选择最适合的脱硝超低排放改造技术方案，改造工程尽可能按现有脱硝系统条件进行布置，力求工艺流程和设施布置基本不变，对各机组设施的变动最少。

(2)脱硝系统运行小时数按5500 h计，脱硝投运率为不低于98%进行设计。

(3)脱硝SCR入口NOx浓度按350 mg/Nm3设计，超低排放改造后排放NOx浓度按50mg/Nm3以下，脱硝效率按85.7%设计。

对于本项目脱硝系统超低排放改造的方案主要有以下两种：

(1)保留原有两层催化剂，增加第三层催化剂。加装1层新催化剂，达到超低排放的要求。但是，反应器以及钢结构需要加高、加固，烟道需要改造，以及重新进行流场模拟，整个脱硝系统压降增大近250Pa。系统改造量以及工期大大增加；

(2)优化更换原两层蜂窝式催化剂，提高催化反应效率。

结合本项目特点原催化剂已投入运行三年，活性衰减，已无法满足长期运行超低排放的性能要求。基于两种方案脱硝效率均能达到85.7%，出口氮氧化物浓度为50 mg/Nm3的要求。在考虑初投资、维护费用、改造周期的长短、改造措施经济、合理、有效以及设备检修维护方便性等各方面因素，采用优化更换原两层蜂窝式催化剂，提高催化反应效率的方案。

3 改造内容

对原有两层蜂窝式催化剂全部进行优化更换，提高脱硝催化反应效率，使出口NOx浓度满足超低排放要求。选用催化剂型式时，需综合考虑煤质因素、负荷变化造成的反应器入口NOx浓度波动；反应器入口气流分布；吹灰器的布置等因素，合理设计催化剂节距和通道型式，设计合理的SCR反应器截面尺寸和催化剂布置方案。需要改造的系统包括：(1)反应器改造；(2)供应系统改造；(3)烟道及反应器系统；(4)氨/空混合及氨喷射系统；(5)吹灰系统；(6)仪表和控制部分；(7)电气部分和土建部分改造。