催化裂化装置SCR 脱硝技术应用问题及处理措施

孙博文，陈银平，张顺平

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750026）

近年来，随着国内经济快速发展，氮氧化物（NOx）污染物的排放量迅速增加，严重污染了生态环境，已成为制约社会经济发展的重要因素之一，采用先进工艺控制NOx污染物排放量已是现代企业转型升级的必经之路[1]。宁夏石化于2017 年检修期间对CO 焚烧炉进行技术改造，将SCR 脱硝反应器安装在CO 焚烧炉蒸发段与省煤段之间，在氨与稀释风混合后注入脱硝反应器反应以达到降低烟气中NOx的目的。在催化还原SCR 法脱硝技术应用过程中，结盐与积灰问题得不到解决，CO 焚烧炉需要一年停炉清灰一次，在第二次停炉清灰结束后，CO 焚烧炉炉膛压力及排烟温度上涨过快，结盐与积灰问题突出，已严重影响了CO 焚烧炉长周期运行，同时增加了装置能耗。通过对脱硝单元具体操作分析，找到引起炉膛压力上涨及排烟温度上涨的具体原因，并提出具体改正措施。

1 SCR 脱硝技术

本装置重油催化裂化烟气脱硝在综合考虑脱硝率、床层高度、事故风险、工程经验、示范作用等因素的基础上，选用“2+1”（使用两层，备用一层）催化剂床层结构[2]，脱硝反应器安装在余热锅炉内侧的布置方式，脱硝烟气经过省煤器进洗涤脱硫装置。

FCC 烟气脱硝由氨气制备和烟气脱硝两个部分构成：

（1）氨气制备部分：由厂区来的液氨首先进入液氨蒸发器，经热媒水换热升温汽化，进入氨气缓冲罐待用，也可直接采用氨气。用压缩空气将氨气缓冲罐出口的氨气稀释至一定浓度，经喷氨格栅喷入烟道，利用混氨格栅实现与烟气的均匀混合。

（2）烟气脱硝部分：脱硝净化烟气中的NOx与NH3在320 ℃～420 ℃以及脱硝催化剂作用下，发生选择性氧化还原反应转化为N2和H2O，净化后的烟气返回省煤器继续回收热量。

基本反应方程式如下[3]：

副反应方程式：

2 选择性催化还原SCR 脱硝技术流程

余热锅炉焚烧烟气自上而下，依次经过高低温过热段、蒸发段，然后进入SCR 脱硝反应器；来自氨区单元氨气缓冲罐的氨气进入氨空气混合器，稀释空气经稀释风加热系统加热后，与氨气在氨空气混合器中充分混合，将氨气充分混合稀释到5 %浓度以下，氨空混合气经过喷氨格栅喷入烟道的烟气中；充分混合后的还原剂氨气和烟气中的NOx在催化剂的作用下发生反应，生成N2和H2O。净化后的烟气在SCR 脱硝反应器下部经过余热锅炉省煤器，最后经烟道进入烟气脱硫单元。催化剂为蜂窝式催化剂，采用上下两层方式布置。为防止积灰，为每层催化剂设置蒸汽吹灰器。设置氮气吹扫系统，在脱硝系统启停时对管道中的氨进行置换，防止事故发生。烟气脱硝设施改造后余热锅炉工艺流程（见图1）。

图1 烟气脱硝设施改造后余热锅炉工艺流程图

3 影响选择性催化还原SCR 技术长周期的主要影响因素

3.1 CO 焚烧炉温度

再生烟气进入CO 焚烧炉，烟气中的CO 在炉膛中燃烧，以此来减少环境污染，同时做到能量回收。因催化装置再生器为两段重叠贫氧再生，主风与生焦量变化会引起烟气中CO 量的变化，CO 焚烧炉温度也会变化。

在炉膛温度变化过程中，注氨调节阀开大，注氨量增加。在脱硝反应器中，稀释氨与NOx的接触反应受反应温度，催化剂活性，接触状况等因素影响，喷入氨量并不能完全反应，在炉膛内形成可溶性盐，并附着在省煤段，使炉膛压力逐渐上升，而CO 焚烧炉温度频繁波动，注氨量突增更会加剧炉膛结盐，使炉膛温度进一步上升。

3.2 停留时间

当温度接近还原反应温度，所需停留时间最少。当停留时间较短时，随着反应气体与催化剂的接触时间不充分，反应不完全，氨的逃逸量增大，同时烟气对催化剂骨架的冲刷也大。但停留时间过长，喷入氨会与氧气发生氧化反应，影响NOx的脱除率。停留时间根据SCR 反应器的布置、脱硝效率、烟气温度、允许氨逃逸量以及粉尘浓度来确定的，一般控制在200 ms，在炉膛压力上涨过程中，烟气与稀释氨停留时间增加，使烟气中NOx脱除率降低，为保证外排烟气中NOx量不超标，注氨量增加，氨量过剩使多余氨形成铵盐结晶，附着在喷氨模块及省煤段，进一步加速炉膛压力上升。

3.3 烟气中粉尘含量

因SCR 脱硝反应器安装采用高粉尘布置[4]，在炉膛之前烟气中粉尘未进行除尘处理，再生烟气一部分通过烟机回收余热做功后进入锅炉，剩余烟气混合细粉进入四旋分离后通过临界喷嘴进入炉膛，四旋细粉沉积至罐底，由人工卸出。

在具体生产过程中，由于刚沉积下来的细粉温度较高，每次卸剂需将细粉收集罐收集到较高料位。在高料位情况下，四旋旋分效果受影响，细粉夹带在烟气中通过临界喷嘴进入炉膛。通过近期再生器加卸催化剂估算进入炉膛细粉最大量。再生器自2019 年12 月27 日卸剂结束后至2020 年1 月8 日再次卸剂近40 t，期间共经历12 天13 个小时。

表1 油浆固含量

表2 油浆密度

在此期间补充新鲜催化剂：

催化剂损耗：

损耗催化剂一部分通过油气进入分馏塔，混合在油浆组分中，剩余催化剂通过再生烟气进入三旋、四旋。经化验分析及近期跟踪数据（见表1、表2）。在此期间外送油浆量为1 890 t，平均固含量为2.03 g/L，平均油浆密度为1 040.05 kg/m3。

油浆中催化剂：

2.03g/L×1 890×103kg/1 040.05 kg/m3=3.69 t

再生烟气中细粉：

经过查四旋压细粉温度趋势，近期未压细粉。细粉收集罐容量有限，在高料位下四旋细粉与烟气通过临界喷嘴一同进入炉膛。

最大进炉膛细粉量：

因细粉吸附力强，会在管壁及模块吸附，降低管束换热效率，导致排烟温度上升。细粉上含有金属（K、Na、Ni、V）会污染催化剂使其中毒[5]。同时细粉进入反应器引起反应器磨损或者堵塞通道，此处烟气温度过高会引起催化剂烧结。细粉较强的吸附力，同时较大量的细粉进入炉膛，击波吹灰并不能完全将附着在管壁上的细粉振下来，因喷氨形成的铵盐粘附在细粉上形成不可逆的结块，造成反应器或者省煤器部分空间堵塞，炉膛压力开始上升。

3.4 开工过程中过量喷氨

在开工过程中，为保证烟气中NOx不超标，会注入较大的氨量，同时，开工过程中炉膛参数波动较大，注氨量长期保持较大量，使喷入氨量严重过剩，过剩氨量在炉膛内反应形成铵盐，黏附在反应器及省煤段，给后期SCR 脱硝操作造成不可逆的影响。

4 脱硝设施运行过程的对策

4.1 控制炉膛温度

炉膛温度的波动受再生烟气中CO 量的影响，而再生烟气中CO 量波动是由催化再生器烧焦控制。在再生器烧焦过程中主风量波动较大，造成了再生烟气中CO 量的不稳定性，同时出现的待生滑阀推动力不足也影响进入再生器的焦量，在主风波动与生焦量变化双重因素影响下，控制再生烟气中CO 量极为困难，需要岗位员工提前预判，及时调节主风量。

4.2 调节阀选型

氨气注入量不易控制，对此在原注氨调节阀旁增加了小流量调节阀，精确控制喷氨量，在达到NOx脱除的前提下，尽量减少氨逃逸。喷氨优化调整试验是在机组常规高负荷下进行的一项试验。通过测试及计算结果对SCR 装置中的喷氨格栅手动喷氨阀门进行调整，试验可以在满足NOx浓度控制要求的前提下，减少还原剂用量，降低氨逃逸率。采用主氨气信号流量代替实际信号来预测NOx的变化，减少控制响应时间。根据氨流量采取变PID 参数调节，前馈部分加入NOx浓度变化的微分作用，及时注入氨量，保证出口NOx无较大波动。

4.3 增加吹灰频次

因CO 焚烧炉燃烧产生的灰烬及烟气中携带的细粉附着在管束及模块上，影响管束换热效率，降低NOx脱除率，破坏喷氨模块催化剂，采用击波吹灰将细粉和灰烬振下来由烟气带出炉膛进入烟脱洗涤塔处理，保证锅炉热效率及NOx脱除率。但细粉吸附性强，同时也是连续性带入，为达到细粉最大程度的清除，需加大吹灰频次，并且观察吹灰效率，针对未动作路及时检修，保证击波吹灰有效高频次进行。

启动蒸汽吹灰，以除去吸附在SCR 反应器中的细粉及灰烬，在蒸汽吹灰时，要保证蒸汽的压力、温度及烟气的温度达到系统要求，杜绝催化剂受潮。在启动蒸汽吹灰器前要保证足够的疏水时间，防止水带入。蒸汽吹灰启动频次由催化剂差压决定，操作人员观察差压变化应及时通知启动蒸汽吹灰，以除去催化剂表面积灰，保证NOx脱除率。

4.4 增加四旋压细粉频次

现在工艺条件下，四旋压细粉需人工从细粉收集罐卸出，大量卸细粉催化剂冷却时间不够，高温催化剂会烫伤人。在准确计算细粉收集罐容量及细粉累计量后，在达到收集罐最大储存量时，及时卸出冷催化剂，尽可能减少或杜绝进入四旋沉积下的细粉随烟气进入炉膛。

5 结语

催化还原SCR 法脱硝技术结盐现象是必然存在的，在氨与NOx反应过程中，受催化剂活性、反应物接触状况、反应温度、其他反应物等因素影响，从而导致注入氨并不能全部参与反应，未参与反应氨会在炉膛内反应形成铵盐，附着在反应器及省煤段，如果NOx量变化引起注氨量波动，更会加剧铵盐形成。而进入的细粉会造成催化剂中毒、堵塞催化剂通道、磨损反应器使NOx脱除率下降，注氨量上升，形成铵盐。在细粉与NOx量波动双重影响下，铵盐大量形成并附着在炉膛内，影响催化还原SCR 法脱硝长周期运行，也增加了装置能耗。