WSA制酸氨單元脫除NOX技術

呂明，周慶鑫，王曉楠，張大奎，張欣

（鞍鋼化學科技有限公司，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼化學科技有限公司回收作業區采用丹麥托普索公司開發的WSA制酸工藝，處理從焦爐煤氣中脫除的HS、HCN等酸性氣體，設計處理煤氣量為 10 萬 m／h。經過真空碳酸鉀法脫硫處理，煤氣中的HS質量濃度可達200 mg／m以下，脫除的HS酸性氣體進入WSA制酸系統，生產質量分數為98%的濃硫酸，作為生產硫酸銨的原料。進入WSA制酸系統的酸性氣體中含有大量NO，如果不進行有效脫除，制酸廢氣直接排入大氣時會形成濃烈的黃煙，對環境造成嚴重污染，并且NO會在 VK 催化劑作用下生成濃 HNO，HNO具有強化學腐蝕性，混合在濃硫酸中影響濃硫酸質量，加劇腐蝕設備。通常企業采用氨單元SCR裝置對NO進行脫除，但在實際運行過程中，反應溫度、氨氣流量、氨氣質量、反應比等指標參數的控制均對NO脫除效果有很大影響。本文對WSA制酸氨單元脫除NO的合理工藝控制條件進行了研究。

1 WSA制酸氨單元脫除NOX工藝簡介

1.1 工藝流程

經脫硫工序處理后的酸性氣體 （主要成分為HS、HCN）由真空泵引入到焚燒爐內進行充分燃燒。在焚燒爐主燒嘴處，酸性氣體與煤氣、鼓風機送來的空氣充分混合后，在1 000～1 050℃的溫度下進行焚燒，產生含有SO、NO和HO的高溫過程氣,經廢熱鍋爐回收熱量后，溫度降至400～430℃，再與氨氣、空氣在混合器中混合后送入SCR反應器進行NO脫除處理。WSA制酸氨單元工藝流程圖見圖1。

圖1 WSA制酸氨單元工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram for Ammonia Unit for WSA Acid Making

1.2 工藝原理

在SCR反應器中，適量氨氣和空氣的混合氣體在VK催化劑和一定溫度作用下，與NO進行催化氧化反應，反應分解生成N和水，達到消除煙囪黃煙，制酸廢氣達標排放的效果。綜合反應方程式如下：

其中主要反應為:

2 工藝控制條件

2.1 反應溫度

在SCR反應器中，VK催化劑反應起活溫度為340℃，連續工作溫度為380～450℃，失活溫度為650℃。當溫度低于340℃時，酸性氣體中的SO和氨氣反應會生成ABS（硫酸銨鹽），覆蓋在催化劑表面，嚴重時造成催化劑失效。考慮到溫度太高會造成能源浪費，因此在生產過程中控制反應溫度在380～420℃的合理范圍，以保證催化氧化反應的連續、穩定進行。

2.2 氨氣流量

WSA制酸氨單元脫除NO工藝采用蒸氨塔氨氣作為反應源，蒸氨塔氨氣有兩個用途，一是進入制酸氨單元用于脫除NO，二是進入飽和器噴淋作為生產硫酸銨的原料。在氨單元中，氨氣流量不足，則不能完全分解酸性氣體中的NO，不能保證尾氣的達標排放；氨氣流量過大，則會產生副反應NH+O→N+HO，造成氨氣浪費，使生產硫酸銨的氨氣減少，導致硫酸銨減產。因此，需合理控制、及時調整氨氣使用量，在最大程度上促進硫酸銨增產。生產調試過程中，在保證除后NO濃度合格的不同酸汽量情況下，調整氨氣使用量。

氨氣使用量及酸汽量關系如圖2所示。由圖2可以看出，在保證脫除后NO濃度合格的情況下，氨氣使用量與酸汽量基本保持線性關系。

圖2 氨氣使用量與酸汽量關系Fig.2 Relationship between Ammonia Gas Usage and Acid Gas Usage

2.3 氨氣質量

WSA制酸氨單元蒸氨塔采用鼓風剩余氨水作為原料氨水，其中含有焦油、萘等雜質，需有效脫除以保證蒸氨塔頂氨氣清潔度，蒸氨塔處理氨水量為50～70 m/h。由于蒸氨塔用蒸汽直接加熱，塔頂氨氣中含有大量水蒸汽。蒸氨塔塔頂氨氣組成見表1。

表1 蒸氨塔塔頂氨氣組成Table 1 Composition of Ammonia Gas at Top of Ammonia Distillation Tower %

由表1可以看出，蒸氨塔氨氣含水量非常大，氨氣由蒸氨塔輸送到制酸氨單元途中會產生大量冷凝液，造成氨氣積液，給混合加熱帶來困難，影響反應溫度，因此需將氨氣中水蒸氣進行有效分離。

2.4 氨氣與空氣反應比

氨氣在空氣中的爆炸極限為15%～28%，生產中必須將混合器中氨氣濃度嚴格控制在15%以下，否則有爆炸危險。另外，催化氧化反應全過程需要O，所以必須保證空氣的過剩系數，因此在生產過程中，將氨氣與稀釋空氣比值控制在12%以下。

3 工藝管控措施及效果

3.1 工藝管控措施

結合WSA制酸氨單元脫除NO工藝控制條件和生產實際情況，制定工藝管控措施如下：

（1）保證SCR反應器溫度。生產管控過程中，及時調整稀釋風加熱器溫度和風量來控制混合器溫度，將SCR反應器溫度控制在380～420℃，保證反應效果，避免ABS的生成。

（2）保證氨氣流量。生產管控過程中，根據實際酸汽量大小，按照氨氣使用量與酸汽量線性關系

y

=0.037

x

-5.34計算得出所需氨氣流量，并通過調節飽和器氨氣閥門，合理分配氨氣流量。

（3）保證氨氣質量。首先，保證剩余氨水清潔度，防止堵塞設備，通過采取增加氨水陶瓷過濾器、蒸氨塔底排油等措施，控制剩余氨水含油、COD等指標，降低氨氣中輕油、萘等組分含量。其次，保證制酸氨單元氨氣溫度，蒸氨塔頂氨氣溫度為96～98℃，將氨氣中水蒸汽進行有效分離，通過在輸送氨氣管道增加伴熱及保溫裝置，沿途設置氨氣氣液分離裝置，去除氨氣夾帶的冷凝液，保證輸送至氨單元界區氨氣溫度在70℃以上。同時，氨氣管道應具備定期清掃功能，預留清掃甩頭，定期清掃氨氣管道，保證氨氣管道暢通。

（4）控制氨氣與空氣反應比。通過自動調節閥調節稀釋風量，根據氨氣流量大小，控制氨氣與稀釋空氣比值在12%以下，通過DCS自動控制系統投自動運行。

此外，由于NO會在VK催化劑作用下生成濃HNO，具有強化學腐蝕性，混合在濃硫酸中會加劇腐蝕設備，且與外購硫酸混合作為生產硫酸銨的原料時，在混合中與外購硫酸中鐵離子反應會生成Fe，使混合后硫酸呈現酒紅色，影響硫酸銨外觀。因此，日常生產中要經常取樣進行自產濃硫酸與外購硫酸混合，觀察變色情況，作出制酸氨單元運行判斷，按照工藝管控措施對工藝控制條件進行及時調整。

3.2 脫除效果

采取以上工藝管控措施后，進入SCR反應器前過程氣中NO含量在950～1 000 mg/m之間，經過SCR反應器后過程氣中NO含量≤110 mg/m，脫除率可達到90%；制酸煙囪無可視黃煙；所產濃硫酸與外購硫酸混合后無顏色變化；并促進硫酸銨增產，使硫酸銨收得率由1.05%提高到1.12%。

4 結論

鞍鋼化學科技有限公司研究了WSA制酸氨單元SCR裝置脫除NO工藝，通過長期大量的生產調試，總結得出：

（1）合理工藝參數控制范圍：混合器后溫度為380～420℃；結合氨氣使用量與酸汽量的線性關系

y

=0.037

x

-5.34,根據實際酸汽量大小，合理分配氨氣流量；氨氣與稀釋空氣比值控制在12%以下，在保證脫除NO效果的基礎上保證硫酸銨的最大產量。

（2）合理工藝管控措施：及時調整稀釋風加熱器溫度和風量來控制混合器溫度；調節飽和器氨氣閥門的方式分配氨氣流量；增加氨水陶瓷過濾器，蒸氨塔底排油，控制剩余氨水含油、COD等指標，降低氨氣中輕油、萘等組分，防止堵塞設備；增加氣液分離裝置及管道伴熱保溫裝置，控制氨氣含水量；氨氣管道應具備定期清掃功能；日常生產中經常取樣進行自產濃硫酸與外購酸混合，觀察變色情況，作出制酸運行判斷并及時調整。