催化劑焙燒煙氣SCR-FI 技術工業放大設計要點

王盤成，李 雷

（上海藍科石化環保科技股份有限公司，上海 200000）

硝酸鹽類催化劑（如丙烯腈催化劑）焙燒過程中產生的煙氣，NOX及粉塵含量很高，需進行脫硝及除塵處理方可排放。早期多采用液相吸收法處理[1-2]，吸收效率低，處理效果不理想。目前應用較多的脫硝技術有SNCR、SCR，除塵技術有電除塵、機械除塵、濕法除塵、布袋除塵除塵等，以上脫硝與除塵技術分別為獨立裝置，管理較復雜且脫除效率較低。本文介紹一種高效脫硝除塵一體化技術（SCR-FI），該技術由上海藍科石化環保科技股份公司研發，采用納米級SCR催化劑負載在微米級過濾材料上，比表面積比傳統SCR 催化劑高2 個數量級，脫硝效率高，經小試實驗，脫硝效率在350℃時高達95%以上，除塵效率99%。

以某廠丙烯腈催化劑焙燒煙氣為例，放大至工業裝置，設計煙氣量及NOX濃度比小試實驗高出很多；其次，催化劑焙燒爐煙氣負荷波動大，導致低負荷時還原劑需求量極低，給還原劑工藝的設計及設備選型帶來困難。

1 SCR-FI 技術原理及工藝流程

1.1 技術原理

SCR-FI 技術脫硝反應機理與傳統SCR 法基本相同，催化劑主要成分為TiO2、V2O5、WO3，還原劑為NH3，在催化劑的作用下，溫度280～420℃，進行脫硝還原反應[3]。

不同之處在于催化劑的型式，傳統SCR 催化劑主要有蜂窩式、板式和波紋式，煙氣直接通過催化劑表面，如圖1 所示，壓降小，但催化劑受粉塵污染；SCR-FI 技術脫硝催化劑是將催化劑以納米級均勻燒結在微米級陶瓷纖維濾芯上，質量分數約20%～30%[4]，比表面積比傳統SCR 催化劑高2 個數量級，如圖2 所示。粉塵被阻擋在外表面，催化劑不受粉塵污染，脫硝效率高，催化劑活性穩定持久，但壓降高。當濾餅達到一定厚度，啟動在線反吹進行再生，不影響正常運行。

圖1 傳統SCR 脫硝原理示意圖

圖2 SCR-FI 元件脫硝除塵原理示意圖

1.2 工藝流程

應用于催化劑焙燒煙氣的工業放大裝置工藝流程見圖3。焙燒煙氣經煙氣風機輸送至預熱器，再與尿素熱解氣混合，設置混合段以保證混合均勻，經加熱器加熱至約350℃，進入兩級串聯的SCR-FI 反應器，達標的凈化煙氣送入稀釋風預熱器以回收余熱；稀釋風經預熱后送入稀釋風加熱器加熱至650℃，再進入熱解器將尿素熱解產生含氨氣的熱解氣。

圖3 SCR-FI 工業裝置流程示意圖

2 SCR-FI 工業放大設計要點

2.1 SCR-FI 反應器的放大設計要點

2.1.1 反應器數量

小試實驗入口濃度低，單臺反應器，脫硝除塵效率均超過90%，放大后工業裝置NOX設計濃度高，要求達標排放指標也很高，詳見表1。

從表1 看出，工業放大后，設計工況NOX濃度遠高于小試實驗，要求的脫硝效率98%以上，按照小試的實驗結果，可以使用2 臺串聯反應器達到要求的排放指標。不過，由于SCR-FI 反應器壓降較大，約1～4kPa，串聯后壓降更大，要求煙氣風機的壓頭更高。本裝置最大煙氣量2300m3/h，動力消耗尚不明顯，若應用于更大規模的煙氣場合，動力消耗急劇增加，則必須綜合考慮。單級脫硝效率95%已能滿足大部分場合，某些特殊場合若不適合串聯，則可以從降低煙氣NOX濃度等方面解決。

表1 小試實驗及工業裝置焙燒煙氣進出口濃度表

2.1.2 反應器進氣設計

普通SCR 反應器煙氣多為上進下出，在反應器入口設置導流板、整流格柵以均布流場，脫硝除塵一體化元件結構不同于普通SCR，故反應器及進氣方式也不同。脫硝除塵一體化元件豎直布置，煙氣從反應器下部進，上部出，底部排灰。一體化元件在反應器內規整排布，若煙氣在反應器內分布不均，每根過濾元件上的壓差不一致，將導致通過過濾元件的煙氣不均勻，煙氣量多或濃度高的過濾元件積塵快、容易穿濾、脫硝效果較差；煙氣量少或濃度低的過濾元件積塵較慢、脫硝效果較好，如此將影響反應器處理效果。

小試實驗SCR-FI 反應器直徑DN300，煙氣分布均勻。工業放大后，反應器為矩形，尺寸3500mm×1500mm，需采取措施使煙氣盡量均勻。如圖4 所示，進氣口從反應器長邊對稱進氣，且每一個長邊均設置多個進氣口，進氣管道亦需保證對稱布置。

圖4 SCR-FI 反應器進氣口布置示意圖

反應器設置2 臺串聯，采用長邊對稱多管口進氣方式，結合實際工業運行結果（表3），說明以上設置是有效的。

2.2 尿素熱解放大設計要點

2.2.1 氨氣濃度

工業放大必須考慮氨氣濃度對主體裝置的影響。催化劑焙燒裝置為非防爆區，根據GB50058《爆炸危險環境電力裝置設計規范》，氨氣很難點燃，若處于室外環境，可忽略其爆炸性氣體環境，另該規范3.3.2 條表明若可燃性氣體濃度低于其爆炸下限10%，可劃分為非防爆區，由于尿素熱解裝置布置在非防爆的密閉廠房內，氨氣爆炸下限為15%，故建議控制尿素熱解氣中氨氣濃度不超過1.5%。

2.2.2 尿素溶液濃度

尿素熱解是常見的氨源獲得方式，以熱空氣作為熱源，文獻[5-8]表明尿素熱解效率隨熱解溫度升高而增大，在460～650℃左右達到100%，尿素濃度對熱解效率影響不大，最佳50% (質量分數)，節約運行成本又不致管道結晶。

根據文獻[9]，按熱解溫度650℃計算的不同濃度下所需稀釋風及電加熱功率，并按所需稀釋風量計算出熱解氣氨氣濃度。如表2 所示，10%濃度時，最大負荷稀釋風量623Nm3/h，氨氣濃度0.7%，遠低于1.5%，電加熱功率116kW，不經濟。氨氣濃度隨尿素濃度降低而降低，20%尿素濃度時氨氣濃度低于1.5%。通過以上分析可知，針對小流量催化劑焙燒煙氣，適宜的尿素濃度可降至為20%，為保證氨氣濃度低于1.5%，30%～50%的尿素溶液可以通過增加實際稀釋風量來滿足要求；若應用于大流量煙氣場合，20%的尿素濃度不具經濟性，應考慮將尿素熱解系統移至室外，選擇更高的尿素濃度。

表2 不同濃度尿素溶液參數表

2.2.3 尿素輸送系統

尿素溶液輸送系統大多由離心泵，大流量循環系統（HFD），計量分配系統（MDM）組成[10]，以保證噴槍入口壓力穩定。

SCR-FI 工業裝置所處理焙燒煙氣最大為2300m3/h，最小負荷煙氣量為300 m3/h，煙氣量波動非常大，導致尿素溶液流量波動大，最小負荷尿素溶液需求量極低。如表2 所示，按20%～50%尿素濃度，最小負荷時，尿素溶液需求量為1.3～3.2kg/h。流量太低，離心泵不合適。經調研分析，采用計量泵作為輸送泵，但必須嚴格控制計量泵的脈沖，脈沖消除率要求90%以上，以保證尿素溶液的脈沖不影響熱解氣中氨氣的連續性。另外尿素溶液噴槍需選擇低流量噴槍，在最小負荷工況下，通過設置補充稀釋水（見圖1）來滿足噴槍的最低流量要求。

3 工業裝置運行結果

如表3 所示，SCR-FI 工業裝置實際運行后，出口NOX及粉塵均滿足設計要求，運行平穩，說明SCR-FI 技術放大至工業裝置取得成功，放大設計合理，安全可靠。

表3 SCR-FI 工業裝置運行結果

4 結論

1）催化劑煙氣污染物濃度高，采用2 級串聯的SCR-FI 反應器可達到脫硝效率要求，但由于其壓降大，在大流量煙氣場合，需綜合考慮。

2）SCR-FI 反應器進氣采用長邊對稱多管口進氣，有一定的流場優化作用。

3）密閉非防爆廠房內尿素熱解氨氣濃度建議控制1.5%以內，尿素溶液適宜濃度20%～50%，在大流量煙氣場合，應將尿素熱解系統置于室外，選擇高濃度的尿素溶液。

4）催化劑煙氣流量波動大，選擇計量泵輸送，需嚴格要求計量泵脈沖消除率在90%以上；低負荷工況時，啟用補充稀釋水系統以滿足噴槍的最低流量要求。

5）工業裝置運行結果表明：SCR-FI 技術放大設計合理，安全可靠。