氧化铝高温焙烧窑烟气SCR脱硝系统优化改造

贾章椿 毛 鹏

(中铝山东工程技术有限公司, 山东 淄博 255052)

0 前言

生态环保部发布的《关于加强重污染天气应对夯实应急减排措施的指导意见》要求氧化铝行业环保A级企业NOx的排放指标不高于50 mg/Nm3，《区域性大气污染物综合排放标准(山东省)》(DB 37/2376—2019)(以下简称《规范》)要求重点控制区NOx排放指标不高于100 mg/Nm3。相较之下，环保A级企业的指标要求更为严格。

氧化铝工业窑炉形式多样，生产工况复杂多变，烟气成分差别大。比如，耐材焙烧、硝酸盐煅烧等所使用的窑炉产生的烟气中NOx浓度高，超低排放难度相当大。

山东某公司现有2台高温焙烧窑，均以天然气为燃料，窑后配有金属滤袋除尘器和SCR脱硝系统。SCR脱硝系统存在尿素热解系统稀释风余量不足，脱硝催化剂活性较低等问题，无法实现环保A级企业NOx超低排放的要求。项目改造前，烟气量为15 000 Nm3/h，烟气温度为200 ℃，烟气NOx浓度为3 000 mg/Nm3，浓度50%的尿素溶液消耗量为60.5 kg/h，NOx排放浓度低于100 mg/Nm3。本文结合实际项目分析存在问题，并通过对喷氨格栅、尿素热解系统和吹灰系统等进行优化改造，使排放烟气NOx浓度低于50 mg/Nm3，SCR脱硝效率大于98.15%，实现了超低排放。

1 SCR脱硝系统存在问题

1.1 烘炉工况的烟气温度低

烘炉工况烟气温度不高，导致脱硝反应器入口的烟气温度太低，无法满足脱硝催化剂最低使用温度(180 ℃)的要求；同时烟气量波动范围大，烘炉工况烟气量甚至小于10 000 Nm3/h，导致喷氨系统调节难度大。

根据实测数据，烘炉工况下烟气温度与烟气NOx浓度的关系图1所示。由图1所知，当NOx浓度达到50 mg/Nm3时，脱硝反应器进口烟气温度为90 ℃，不满足催化剂的最低使用温度。

1.2 催化剂活性较低

该项目试车之初，脱硝催化剂已投运，至今已过去2年时间，催化剂活性较低，而且由于该项目催化剂吹灰系统设计不合理，催化剂积灰严重影响活性；同时SCR脱硝反应器未设人孔门或观察孔，停炉时，检修人员无法进入SCR脱硝反应器内部检查催化剂，无法如实掌握催化剂的积灰情况。

图1 烘炉工况下烟气温度与NOx浓度关系

1.3 喷氨格栅设置不合理

SCR脱硝反应器入口的喷氨位置距离第一层催化剂只有2 m，距离太短；喷氨格栅开孔直径为Φ6 mm，开孔太小容易堵塞；氨气在烟道内顺着气流喷雾，混合不均匀，影响脱硝效率。原设计50%浓度的尿素溶液消耗量为60.5 kg/h，稀释风机风量选型余量不足，电加热器功率选型太小，尿素热解温度在550 ℃左右。尿素热解系统操作稍有不当，尿素溶液就会分解不完全，造成烟气颗粒物排放超标，同时尿素残余颗粒物会堵塞喷氨格栅开孔，影响脱硝系统正常运行。

图2 喷氨格栅开孔示意图

为了证实尿素分解后的残余颗粒物会造成烟气颗粒物浓度超标，根据10 000 Nm3/h烟气量计算得出的尿素分解率与尿素残余颗粒物浓度关系如图3所示。

图3 尿素分解率与尿素残余颗粒物浓度关系图

根据图3可知，尿素分解率为99.6%时，残余颗粒物浓度为4.8 mg/Nm3，加上烟气除尘后原有粉尘浓度6 mg/Nm3，已不能满足《规范》中颗粒物浓度≤10 mg/Nm3的排放要求。工业窑炉烟气量小，烟气NOx浓度高，尿素热解系统调节难度非常大。

1.4 催化剂吹灰系统设置不合理

SCR脱硝反应器设置在金属滤袋除尘器之后，烟气颗粒物浓度≤6 mg/Nm3，脱硝烟气中的氧化铝粉尘粒径很小，容易堵塞脱硝催化剂表面[1]。SCR脱硝反应器的烟气自下而上流动，催化剂的烟气流进侧积灰较多，但原设计催化剂吹灰器设在催化剂烟气流出侧，导致催化剂的吹灰效果不理想，长时间运行后积灰严重，催化剂活性降低，系统阻力增大，影响脱硝系统正常运行。

2 主要改造内容

2.1 增设烟气提温设施

针对烘炉工况烟气温度不高的情况，在SCR脱硝反应器进口烟道直接设置特种均化低氮管道燃烧器。此燃烧器的核心部件为英国进口，加装后，烟道阻力增加了150～300 Pa。烘炉过程中，特种均化低氮管道燃烧器瞬时将烟气温度自90 ℃加热至200 ℃，满足催化剂脱硝最低使用温度180 ℃的要求。燃烧器安装过程中，需要停炉拆除SCR脱硝反应器原来Φ800 mm的进口烟道，将其改造为Φ1 500 mm的均化燃烧室。燃烧器运行过程中，烟道负压不能低于2 kPa。燃烧器进口烟道和SCR脱硝反应器的出口烟道均设置烟气自动监控系统(CEMS)进行氧气量检测；燃烧器自带火检，控制系统通过烟气温度联锁开停，燃烧阀组周边设置可燃气体检测报警系统。

改造后，烟道燃烧器在烟道内部直接燃烧，烟气提温速度快，而且燃烧器安装灵活，操作简单，不需要补热时可抽出烟道。烟道燃烧器原理如图4所示。

图4 烟道燃烧器原理示意图

2.2 更换催化剂

在SCR技术中，催化剂是核心部分。催化剂一般由基材、载体和活性成分三部分组成[2]。基材是催化剂形状的骨架，主要由钢或陶瓷构成；载体用于承载活性金属，现在很多蜂窝状催化剂则把载体材料本身作为基材制成蜂窝状；活性成分一般有V2O5、WO3、MoO3等。目前，工业催化剂主要是以TiO2为载体的V2O5基催化剂，通常包括V2O5/TiO2、V2O5/TiO2- SiO2、V2O5- WO3/TiO2及V2O5- MoO3/TiO2等类型。催化剂按温度窗口不同分为低温型(140～280 ℃)、中温型(350～420 ℃)和高温型(450～650 ℃)。

脱硝催化剂选择要考虑的主要因素有：温度窗口、比表面积、空速和使用寿命等。该项目脱硝系统烟气温度在180～240 ℃，因此应选择低温型催化剂。

原脱硝系统采用25孔蜂窝催化剂，因催化剂积灰和低温运行导致活性较低，不能满足该项目的改造要求，所以更换原有的4层催化剂，启用备用层催化剂，增加催化剂体积，以解决NOx浓度高的问题。在催化剂底部支撑梁增加角钢，并在钢梁表面铺设陶瓷纤维纸，催化剂模块安装以后，对内部进行严密性检查。改造后，系统阻力增加450 Pa(包括烟道燃烧器阻力300 Pa)。经过核算，现有引风机全压富裕800 Pa，满足改造要求。

2.3 优化喷氨格栅和喷氨系统

因为改造项目现场空间有限，原喷氨格栅位置最多可向下移2 m。因此，重新制作喷氨格栅，将喷氨格栅开孔直径优化为Φ12 mm[3]，并在SCR反应器进口处增设烟气混合器。改造后，烟气混合距离增加了，能够保证氨气与烟气混合均匀，提高脱硝效率。

采用SCR脱硝工艺后，烟气中的NH3、SO3及所生成的NH4HSO4浓度决定了脱硝系统的最低连续喷氨温度[4]。该项目采用低温型催化剂，烟气中SO2浓度≤30 mg/Nm3，要求最低喷氨温度≥180 ℃。高温焙烧原料含有少量H2S气体，焙烧时释放SO2气体。经过长时间的运行检测，烟气中SO2浓度低于25 mg/Nm3。为了保证脱硝系统稳定运行，最低连续喷氨温度控制在180 ℃，正常工况下的烟气温度完全能够满足，烘炉工况的喷氨温度可由新增烟道燃烧器保证，但喷氨系统仍存在稀释风量不足和热解温度低等问题亟待解决。

为此，更换稀释风机，将其风量由693 m3/h加大至1 200 m3/h；更换烟气电加热器，将其功率由75 kW增加到125 kW，在满足最大稀释风量条件下将稀释风温度升高至600 ℃以上。尿素热解温度控制在550～600 ℃，尿素分解率基本达到最高值。在此温度范围内，尿素浓度越低，分解率越高[5]。运行过程中，尿素流量调节范围较小时，可适当降低尿素溶液浓度，增加尿素流量，以达到精确控制的目标。

改造后，稀释风量充足，热解温度达标，喷氨系统正常调节不会造成颗粒物超标和喷氨格栅堵塞。

2.4 重新布置催化剂吹灰系统

将催化剂吹灰系统顺应SCR脱硝反应器烟气流向布置在积灰较多的催化剂烟气流进侧，以提高吹灰效果，降少系统运行阻力，保证催化剂活性。

2.5 脱硝反应器本体增设检修人孔门和检测孔

在SCR脱硝反应器增设人孔门，在末层催化剂顶部反应器箱体四面增设手动检测孔。增设人孔门的目的是方便检修人员进入SCR反应器内部检查催化剂积灰情况；增设手动检测孔的目的是方便手动检测SCR脱硝反应后烟气的NOx浓度、温度和流量等参数，为判断脱硝反应器内部气流状况提供依据。

3 效益分析

3.1 经济效益分析

该项目实施后，2台高温焙烧窑年减少排污费0.54万元，烘炉燃烧器年增加燃料费9.5万元，设备折旧费年增加12.4万元，维修费年增加3.7万元。但环保设施稳定运行，产能提高，年利润增加150万元。综上分析，该项目实施后，年节约成本124.98万元，经济效益明显，为企业降本增效奠定基础。

3.2 社会效益分析

该项目实施后，烟囱在线检测显示NOx最高排放浓度低于35 mg/Nm3，达到环保A级企业NOx低于50 mg/Nm3的排放指标，年减少NOx排放量为10 920 kg，既响应了国家和当地政府减少大气污染物排放的政策，也改善了企业及周边区域的空气质量。

4 结束语

某公司高温焙烧窑SCR脱硝系统存在烘炉工况下烟气温度低、催化剂活性较低、喷氨格栅设置和催化剂吹灰系统设置不合理等问题，通过增设烟气提温设施、采用低温催化剂、优化喷氨格栅、重新布置催化剂吹灰系统、增设人孔门和检测孔等措施进行改造。项目改造后，烟气NOx排放浓度由100 mg/Nm3降低至35 mg/Nm3以下，喷氨系统运行稳定，实现改造目标。