高效焊接板式热交换器在工业炉窑烟气脱硝净化装置中的应用

孙海生，常春梅，何永红，饶文军，赵哲龙，郝开开，汪保卫，单林杰，张勇

（1. 上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518；2. 浙江特力再生资源有限公司，浙江嘉兴 314300； 3. 宁波太极环保设备有限公司，浙江宁波 315300）

1 背景

炼油工业废弃的含重金属催化剂、冶金废渣和精细化工废弃中间体等危险固废物，不能直接进行土地掩埋，需要进行无害化处理，变废为宝，现阶段主要采用烧结冶炼的方式进行危废物的资源化再利用。危废物烧结冶炼过程中产生大量氮氧化物，直接排入大气将导致严重的空气污染，因此危废烧结处理装置现阶段亟需增设脱硝净化装置。

工业炉窑相关生产企业一直采用1997 年实施的GB 9078—1996《工业炉窑大气污染物排放标准》[1]，该标准没有规定NOx的排放标准。国家生态环境部于2019 年7 月1 日下发关于《工业窑炉大气污染物综合治理方案》的通知。确定了主要目标，到2020 年，完善工业炉窑大气污染综合治理管理体系，推进工业炉窑全面达标排放，实现工业行业二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等污染物排放进一步下降，推动环境空气质量持续改善和产业高质量发展。

目前，上海、山东、浙江[2-3]等地区明确规定工业炉窑排烟气NOx限值小于100 mg/m3，随着国家环境保护政策的不断深入，工业炉窑烟气脱硝净化项目将是继火力发电厂脱硝[4]和石油化工催化裂化再生烟气脱硝[5]的又一具有规模性的脱硝治理工程。

1.1 选择性催化还原（SCR）脱硝工艺

SCR（Selective catalytic reduction）法是在催化剂的作用下，以NH3作为还原剂，有选择性地与烟气中的NOx反应并生成无毒、无污染的 N2和 H2O。首先由 Engelhard 公司发现并于1957 年申请专利，后来日本在该国环保政策驱动下，成功研制出了现今被广泛使用的 V2O5/ TiO2催化剂，并分别于 1977年和 1979 年在燃油和燃煤锅炉上成功投入商业运用。其主要反应为：

选择适当的催化剂可以使反应（1）、（2）在 300 ～ 420 ℃范围内进行，并能有效抑制副反应。

SCR 的脱硝率可达90%以上，是众多脱硝技术中脱硝效率最高、最为成熟的技术，已成为国内外电厂脱硝的主流技术[6]。在日本有93%以上的废气脱硝采用SCR，运行装置300 套，目前我国火电厂96%以上的烟气脱硝采用SCR 工艺。

工业炉窑烟气脱硝净化工艺流程示意图如图1所示。

图1 工业炉窑烟气脱硝净化工艺流程示意图Fig.1 Schematic diagram of industrial furnace flue gas denitration purification process

为保证NOx与NH3在SCR 反应器中充分反应，需要在焚烧炉中将含NOx的原烟气进行加热，通常采用天然气燃烧放热的方式使原烟气温度升至350 ℃左右，烟气进入SCR 反应器中催化剂有较高的活性，氮氧化物转化率最高。原烟气经过除尘器后温度一般在120 ℃左右，若直接采用天然气加热，对于50 000 m3/h 风量的烟气，需要消耗巨大的能量，天然气耗量大，装置运行成本较高。而若采用经SCR反应器后的高温烟气先进行预热原烟气，使原烟气由120 ℃升至320 ℃左右，原烟气在炉膛中再经天然气加热由320 ℃升至350 ℃，设置烟气热交换器后，仅需将原烟气升高30 ℃温差，相比于直接升高230 ℃温差可节约大量天然气。

因此，当前选择节能高效的烟气热交换器，对于企业降低脱硝净化装置能耗，降低成套装置运行成本具有重要意义。

2 存在的技术难题

由于工业炉窑处理的危险危废物来源种类特殊性和燃烧后烟气成分复杂性，导致目前工业炉窑烟气脱硝净化处理存在以下技术难题。

2.1 无成熟的脱硝净化工艺

火电厂煤粉燃烧后，烟气中氮氧化物的浓度一般在450～600 mg/m3左右[7]，而危废烧结烟气氮氧化物的浓度一般在2 000 ～ 3 000 mg/m3，在烧结一些特殊危废物时，烟气中氮氧化物浓度甚至可以超过3 000 mg/m3，氮氧化物排放浓度是传统火电厂的4倍以上，因此火电厂成熟的SCR 脱硝工艺不能照搬到危废烧结烟气净化处理装置中，因此危废烧结等工业炉窑烟气脱硝净化工艺相比电厂烟气脱硝工艺难度更大，有其工艺的特殊性，需要不断优化，保证烟气环保达标排放。

2.2 低温酸露点腐蚀

原烟气经过除尘器后温度一般在120 ℃左右进入烟气热交换器，自SCR 出的高温净化烟气经与原烟气热量交换后，净化烟气的排烟温度在150 ℃左右，危废烧结烟气含硫量一般2 000 mg/（m3·h）左右，原烟气和净化烟气在烟气热交换器低温段都存在硫酸露点腐蚀的倾向，传热元件选材应保证具有良好的耐硫酸露点腐蚀性能，以保证传热元件不会因硫酸露点腐蚀发生过早失效。

2.3 热交换器堵塞

危废烧结烟气含灰种类及特性与火电厂烟气灰分存在较大差别，危废烧结烟气经除尘器过滤后，含灰量一般在20 mg/m3以下。危废烧结烟气氮氧化物的浓度一般在2 000 mg/m3左右，为达到一定的脱硝效率，喷氨量增大，氨逃逸率上升，从而生成NH4HSO4沉积物，导致空预器堵灰、局部堵塞现象[8-9]。在150～220 ℃温度区间，NH4HSO4是一种高黏性液态物质，易冷凝沉积在空预器换热元件表面，黏附烟气中的飞灰颗粒，堵塞换热元件通道，减小空预器内流通截面积，从而导致空预器阻力的增加，换热元件的效率降低等问题。

因此，应合理选择热交换器的结构型式，优化设计热交换器的传热元件，减少热交换器堵塞状况的发生。

2.4 热交换器型式选择

加热炉配套空气预热器多采用热管式、管式、翅片管式和板式热交换器等结构形式，空气预热器一侧为烟气，一侧为洁净的空气。然而，危废烧结烟气净化装置用烟气热交换器稍有不同，原烟气和净化烟气均含一定量粉尘（最小可控制在10 mg/m3以下），并且两侧烟气经热量交换后低温侧均存在酸露点腐蚀倾向，目前，热管式和翅片管式热交换器均无法解决烟气侧易积灰堵塞的难题[10]，不适用于危废烧结烟气净化装置。选择适宜的热交换器对装置是否能长周期高效运行至关重要。

3 高效焊接板式热交换器

为解决危废烧结烟气净化装置用烟气热交换器易发生堵塞、酸露点腐蚀等难题，开发了适用于该领域应用的新型高效焊接板式热交换器，设备示意图如图2 所示。

图2 危废烧结烟气脱硝净化装置专用烟气热交换器Fig.2 Special flue gas heat exchanger for waste sintering flue gas denitrification purification unit

如上图，自SCR 反应器出来的350 ℃高温净化烟气水平自左向右进入烟气热交换器，换热后净化烟气以160 ℃水平从右侧流出。120 ℃低温原烟气自右上侧进入烟气热交换器，经高温净化烟气加热后，原烟气以320 ℃左右预热后的温度从左上侧流出。高温净化烟气入口与原烟气出口温度热端端差30 ℃，并且热交换工况出现严重的温度交叉，设计手册[11]指出管壳式换热器不适用于温度交叉的工况，而全焊接板式热交换器在温度交叉工况具有较大优势。

3.1 产品特点

（1）模块化设计

危废烧结烟气脱硝净化装置采用的烟气热交换器为模块化设计，图中L2 所示区域传热元件可采用耐硫酸露点腐蚀强的高等级材质，如耐硫酸露点腐蚀的ND 钢、2205 双相不锈钢、254SMO 超级奥氏体不锈钢及C276 镍基合金等材料。L1 所示区域传热元件可采用300 系列不锈钢材质。若设备因低温区酸露点腐蚀过早失效，可以仅更换L2 区域传热元件模块，降低设备后续投入成本。

（2）宽流道设计

为避免原烟气积灰和净化烟气侧氨逃逸生成NH4HSO4沉积物，导致空预器堵灰，传热元件为宽流道无触点设计，板间流速设计值始终保持在较高的范围内，使烟气流速具备一定的自清洗功能，即使有飞灰附着，宽流道设计可以大大延长设备操作周期，保证整套净化装置稳定运行。

（3）检修维护

净化烟气侧设置人孔M1，原烟气侧设置人孔M2，可方便对设备内部进行定期维护和清理。

3.2 技术对比

将开发的危废烧结烟气脱硝净化装置专用焊接板式烟气热交换器与常用的热管式、翅片管式热交换器几种性能指标进行比较，对比结果列于表1。

表1 常用类型烟气热交换器几种性能指标对比Table 1 Comparison of several performance indexes for common typical flue gas heat exchangers

由于管壳式烟气热交换器传热系数小，为满足危废烧结烟气热负荷，设备重量大，占地空间大。另外，管壳式热交换器换热管多为无缝管，造价成本高，布管内部背风面易积灰不易清理，因此表1 未将管壳式热交换器列入。

热管式热交换器多用在250 ℃以下工况[12]，而危废烧结烟气净化装置自SCR 反应器来净化烟气一般在350 ℃左右，选用热管式热交换器需要热管内部工质为有机耐高温工质，但有机工质挥发，污染环境损害人体健康，热管长期在高温下工作容易碳化失效，失效形貌如图3 所示。

为解决热管耐高温性能差的问题，即使采用热管与扰流子组合式空气预热器[13]结构型式也无法适用于危废烧结烟气净化装置，因原烟气和净化烟气均含有一定量的粉尘，管内扰流子积灰后无法清理，设备积灰结垢后只能报废。选择碳钢翅片管热交换器无法满足350 ℃操作工况，若采用不锈钢翅片管，设备造价成本较高，另一方面翅片易积灰结垢，翅片管式热交换器也不适用于危废烧结烟气净化装置。

图3 有机工质碳化后的情况 [12]Fig.3 Carbonization of organic working medium

表1 对比结果表明，焊接板式热交换器因采用冲压成形的波纹板片作为传热元件，传热元件表面光洁度较高，烟尘不易附着积聚，即使烟尘黏附传热元件表面，采用高压水枪清洗操作也简便易行。另外，焊接板式热交换器传热元件耐温性主要取决于选材，304 不锈钢耐温可以达到700 ℃，危废烧结烟气热交换器高温区采用304 不锈钢在可靠性与经济性是可行的，不会发生热管式热交换器常出现的爆管问 题。

3.3 工业应用

某危废烧结烟气净化装置用烟气热交换器工况参数如表2 所示。原烟气NOx初始浓度为2 700 mg/ m3，净化后NOx为100 mg/m3；原烟气与净化烟气SO2初始浓度5 000 mg/m3；原烟气与净化烟气粉尘浓度20～50 mg/m3。

表2 烟气热交换器设计工况参数Table 2 Design parameters of flue gas heat exchanger

图4 设备应用现场（含外保温）Fig.4 Equipment field application

目前设备热交换温度指标和操作压降指标均满足设计值，烟气脱硝净化装置设置烟气热交换器后，使原烟气由120 ℃升至320 ℃以上，RTO 炉仅需将原烟气升高30 ℃温差（达到350 ℃）以维持SCR 反应器所需最佳反应温度。

4 结束语

危废烧结烟气净化装置自增设高效焊接板式热交换器以来，相比于未投入烟气热交换器，每天可以节约天然气4 000 m3，降低脱硝净化装置能耗，降低成套装置运行成本。据统计，每天节约天然气成本1.5万余元，设备投资回收期仅8 个月，该产品目前已在国内危废烧结烟气净化装置应用数台，设备应用效果良好，值得后续推广应用。