玻璃行業脫硝系統中氨逃逸的精準控制

沈 浩,劉大朝,王 騏,劉 飛,劉昊宇,程 林,方 昂

(深圳凱盛科技工程有限公司,深圳 518000)

國家標準中,2010年以后實施的《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》(GB26453-2011、GB29495-2013)到2023年后實施的《玻璃工業大氣污染物排放標準》(GB26453-2022)中規定,一般地區NOx由700 mg/Nm3降低至400 mg/Nm3,SO2由400 mg/Nm3降低至200 mg/Nm3,粉塵由50 mg/Nm3降低至30 mg/Nm3,重點地區更加嚴格[1,2]。地方標準中,以山東省地方標準為例,2010年以后實施的《建材工業大氣污染物排放標準》(DB37/2373-2013)到了2018年以后實施的《建材工業大氣污染物排放標準》(DB37/2373-2018)中規定,一般控制區NOx由500 mg/Nm3降低至200 mg/Nm3,SO2由300 mg/Nm3降低至100 mg/Nm3,粉塵由30 mg/Nm3降低至20 mg/Nm3,重點控制區也更加嚴格[3]。由此看出,無論國家還是地方,對于玻璃行業大氣污染物的排放要求正在逐步完善,控制更加精確。

玻璃窯爐廢氣除了常見的NOx、SO2、粉塵3種污染物之外,對于氨逃逸的排放也逐漸納入監測監管范圍內,排放限值也由最初的10×10-6降低到8 mg/Nm3以下。煙氣治理中去除NOx的原理為脫硝氧化還原反應,有SCR(選擇性催化還原技術)脫硝和SNCR(選擇性非催化還原法)脫硝2種工藝。玻璃窯爐廢氣治理方案中,SNCR工藝無法滿足行業排放要求,因此主要采用SCR脫硝工藝技術,其化學反應方程式[4]如下:

主反應

(1)

(2)

可以看出,氨的過量使用會發生副反應,生成硫酸銨及硫酸氫氨等產物,副產物具有粘性和腐蝕性,會影響后續設備的使用壽命,同時多余的氨氣排放到大氣中,會進一步造成污染,因此國家及地方將氨逃逸納入實時監測及控制范圍。

在一般的煙氣治理系統運行過程中,NOx與氨的氧化還原反應,受到反應溫度、催化劑用量、氨耗量、氨與煙氣的混合程度及煙氣進入各個反應器的均勻程度等諸多因素的影響,往往會出現為了降低脫硝出口NOx濃度而過量噴氨,從而導致氨逃逸過大的情況。

玻璃行業存在其特殊的窯爐換火需求,一般分為兩個火向,兩火切換一般間隔20 min,燃燒工況會隨著換火而發生劇烈變化。每向火平穩燃燒時的燃燒工況也略有不同,因此在煙氣治理系統中,玻璃窯爐的NOx及氨逃逸相較于其他窯爐更加難以控制,所以就迫切需要專門針對玻璃行業的特殊性,尋找一個合適的工藝以求達到對噴氨的精準控制,從而實現NOx及氨逃逸的雙向穩定達標。

1 國內玻璃行業氨逃逸現狀

玻璃窯爐換火時,NOx、氧含量、煙氣量等工況會發生劇烈波動,此時想要精準地控制NOx就變得非常困難,由此會導致換火期間噴入的氨量過剩或者不足,過剩會導致氨逃逸超高,不足將導致NOx超標。另外,在噴氨壓力等變化時,噴氨流量也會有所波動,加大了NOx及氨逃逸超標的風險。

以往在NOx排放標準要求在700 mg/Nm3或者400 mg/Nm3以下時,NOx控制可調范圍較大,噴氨量無需過度精準,因此氨逃逸能夠滿足8 mg/Nm3以內。當前,多數地區要求NOx排放標準為200 mg/Nm3以下,還有地區要求在100 mg/Nm3以下,在此超低排放形式的重壓下,玻璃企業為避免因NOx超標而造成的環保處罰會噴入大量的氨,氨逃逸也就超標嚴重。隨著國家及地方對于氨逃逸的管控,過量噴氨將成為過去時。

2 解決方法對比

根據SCR脫硝反應原理以及脫硝系統運行的各個環節要求,一般從以下幾點著手解決NOx和氨逃逸的控制問題:

1)在噴氨點后段一定距離的煙管道內設置靜態混合器:靜態混合器一般設置2臺,煙氣經過靜態混合器時,受到靜態混合器的阻擋,氣流方向發生改變、攪動,從而使得煙氣中的NOx與噴入的氨能夠更好地混合,提高混合的均勻性。

2)加大脫硝反應器的尺寸:脫硝反應器加大后,同量的煙氣經過脫硝反應器時,流速降低,從而增加了煙氣在脫硝反應器中的停留時間,延長了NOx與氨的反應時間,可提高其反應效率。

3)增加脫硝催化劑的使用量:SCR脫硝反應是在釩鈦系催化劑的作用下才能夠發生氧化還原反應的,催化劑越多,反應越充分。目前國內外玻璃行業所用的大多是蜂窩式催化劑,其表面積受到蜂窩數量的影響。為提高煙氣與催化劑的接觸面積,可適當增加催化劑的用量,以此提升脫硝效果。

4)針對2個不同的火分別對應2個噴氨量:同一座玻璃窯爐,2個不同的火燃燒產生的NOx不同,甚至同一個火不同時間燃燒所產生的NOx也不同,這是因為玻璃窯爐燃燒大多采用空氣助燃,空氣的密度、溫度、氧含量等不同,都會影響到燃燒結果。因此,針對不同的火,分別對應噴氨量,NOx高的火,加大噴氨量,NOx低的火,減少噴氨量。

經過多年的實踐經驗發現,上述方案均無法穩定、高效的達到NOx超低排放的同時氨逃逸穩定低于8 mg/Nm3的要求。

3 氨逃逸的精準控制方案

為解決前述問題,結合多個項目、多種工藝的實際運行情況,從多角度出發,總結出一種能夠精準匹配NOx濃度的波動并可進行實時調節噴氨量的方法,實現了在穩定控制NOx的同時,又大大降低了氨逃逸的目標。

3.1 氨逃逸控制原理介紹

理論上NOx與氨發生氧化還原反應的氨氮摩爾比為1∶1。當氨氮摩爾比大于1∶1時,會出現氨逃逸;當氨氮摩爾比小于1∶1時,會導致NOx超標。因此在NOx波動時,噴氨量應隨之調整。

玻璃窯爐換火時,燃燒槍熄滅,助燃風進行吹掃,氧含量較高,此時煙氣中折算出的NOx濃度會出現波峰值,在波峰時應加大噴氨量;同時也因為燃燒槍的熄滅,助燃風燃燒不充分,換火過程的后期,窯爐燃燒產生的NOx濃度較低,出現波谷值,此時應大量減少噴氨量;當燃燒槍重新點火后,NOx濃度緩慢上升至正常值,此時噴氨量也應與之匹配,呈緩慢上升趨勢。同理,后續穩定燃燒時,如NOx發生輕微波動,噴氨量也應隨之調整,若噴氨量的調整曲線與NOx的波動曲線能夠吻合時,則可大大減少因某個時間段氨氮摩爾比嚴重高于1∶1而導致的氨逃逸超標。

3.2 噴氨控制邏輯

1)讀取窯爐換火時間,以換火時間節點為基準,調節噴氨量。

2)讀取脫硝入口NOx實時濃度,根據脫硝入口NOx實時的變化,調節噴氨量。

3)將窯爐每個火的20 min拆分為多個時間段,每個時間段對應1個噴氨量。

4)根據脫硝入口NOx實時濃度的變化規律,再行自動調節各個時間段內的噴氨量,精準匹配NOx波動曲線,見圖1。

3.3 應用數據

該玻璃窯爐煙氣治理系統采用陶瓷濾管一體化脫硫脫硝除塵工藝,系統運行高效穩定,運行費用低,窯爐煙氣參數如表2所示。

表2 窯爐煙氣參數

噴氨控制系統加以融入完善后,通過現場CEMS監測、氨逃逸監測以及氨氣物料消耗的分析,氨逃逸指標得到良好控制,物料消耗得到大幅降低,結果如表3～表5所示。

表3 脫硝進出口NOx濃度對比(噴氨控制程序應用前后)

表4 脫硝出口氨逃逸濃度對比(噴氨控制程序應用前后)

表5 氨氣用量對比(噴氨控制系統應用前后)

由表5可知,噴氨控制程序應用后氨氣用量日均值明顯下降。

4 結 論

a.陶瓷濾管一體化脫硫脫硝除塵系統運行后,出口污染物排放濃度NOx<100 mg/Nm3,SO2<50 mg/Nm3,粉塵<10 mg/Nm3,均達到超低排放標準。

b.噴氨控制系統應用后,氨逃逸<4 mg/Nm3,完全滿足了最新的山東省地方標準8 mg/Nm3以下的要求。

c.總排口NOx得到了更加穩定的控制,大幅減少了波峰波谷的波動范圍,降低了NOx小時均值超標的風險。

d.氨逃逸大幅下降,且控制穩定。

e.氨氣消耗量明顯降低。

f.隨著該系統的長期穩定運行,為企業解決了超低排放的穩定性問題,減少了物料消耗,降低了運行成本。該氨逃逸精確控制系統在山東省乃至全國首推并給出完美成果,樹立了行業標桿,取得了良好的社會效益和經濟效益,為行業及環境的良性發展助力。