SCR技術在硝酸尾氣脫硝中的應用優化

＊姚磊 劉程

（1.江蘇世清環?？萍加邢薰?江蘇 210012 2.中煤科工集團西安研究院 陜西 710000）

某公司脫硝裝置規模為36萬噸/年，采用雙加壓法工藝，出吸收塔的尾氣經四次加熱后進膨脹機繼續回收能量后放空，為滿足當前排放政策，需設置SCR反應裝置，經處理后煙氣中NOx排放濃度低于50mg/m3指標后排放。

1.工程概況

本項目在低溫段設置SCR脫硝反應器，該位置的煙氣已經過脫水處理，水蒸氣含量約小于2%，具體的煙氣入口參數見表1。裝置的設計必須確保在負荷變化時能夠及時、快速的作出調整，NOx排放濃度低于50mg/m3，裝置的可利用率≥98%，脫硝主體設備使用壽命達到30年，催化劑不存在化學中毒、物理強度降低現象。主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2.脫硝SCR反應器布置位置的選擇

結合硝酸生產的工藝流程，脫硝反應器有兩個布置位置方案，一個是在300～420℃的溫度區間，一個是180～300℃的溫度區間（見圖1），需根據廠區空間位置選擇。

圖1 脫硝反應器布置位置

根據本項目實際情況，催化反應器擬安裝于尾氣三次加熱器出口。脫硝劑噴入點設置在SCR脫硝反應器入口，采用SCR脫硝專用枝狀噴槍直噴的形式，將脫硝劑噴入SCR反應器入口前管道，管道內設置渦流式靜態混合器，使脫硝劑與尾氣進行充分混合。

3.脫硝劑選擇

本工程脫硝劑為業主廠區氨氣。業主方提供的兩路還原氣來源壓力較大，需設置中間儲罐，經減壓后與稀釋風機提供的脫硝后尾氣進行混合稀釋，進入SCR脫硝反應器進行脫硝反應。

4.工藝流程

本項目設置一套低溫SCR脫硝系統，系統的尾氣流程為：三次加熱后的硝酸尾氣→低溫SCR脫硝反應器→尾氣透平機。

本設計SCR脫硝系統設置在尾氣三次加熱器出口，主要由尾氣管道、氮氣減壓稀釋、計量分配、SCR脫硝反應器、電氣儀表控制系統等組成。

硝酸生產線尾氣經三次加熱后進入SCR反應器中。在SCR反應器中，經過減壓稀釋的氨氣與尾氣混合，形成NH3和尾氣的混合氣體。當混合氣體通過催化劑層時，催化劑會促使尾氣中的氮氧化物（NOx）與NH3發生反應，進而將NOx轉化為氮氣（N2）和水（H2O），達到去除氮氧化物的效果。SCR反應器采用圓形結構，共設置3層催化劑安裝空間，首次安裝2層催化劑，化學壽命到期后安裝第3層催化劑，后續每年更換一層催化劑。

5.脫硝系統的構成

脫硝設備（圖2）構成包括但不限于：

圖2 脫銷設備

尾氣管道：包括管道、閥門等；

氨氣減壓分配系統TDNATGM：短包含氨氣稀釋器、氨氣減壓、稀釋風機、噴氨格柵、閥門、儀表、管道等；

SCR反應器：包括反應器本體、催化劑等；

脫硝系統電氣、控制系統。

6.氨氣減壓分配系統

本項目脫硝劑采用業主方提供的氨氣，參數如下：

溫度：40℃；壓力：1.4MPa；組成：NH399.5%。

（1）減壓計量。氨氣通過減壓穩壓后與硝酸尾氣混合，將氨氣稀釋到安全濃度，經噴氨格柵均勻的分配到脫硝塔前的管道里。氨氣流量通過渦街流量計測量、氣動調節閥調節流量。

（2）噴氨格柵。氨氣噴射系統采用噴氨格柵（簡稱AIG）。為了確保氨氣和煙氣的均勻混合，本設計中采用了氨氣噴射系統。該系統配備了流量調節閥，便于根據不同的煙氣工況進行調節，從而實現精確的氨氣噴射控制。同時噴射系統的氨噴射點附近設置了操作平臺和扶梯，便于操作和維護。

氨氣噴射系統經數模計算和流場分析驗算，保證氨氣和煙氣混合均勻，達到設定目標：NH3/NOx混合不均勻性≤5%。

（3）稀釋風機。SCR反應器配置兩臺增壓稀釋風機，一用一備。增壓稀釋風機的選型需考慮引入的熱風確保在氨氣混合器中將氨氣稀釋，使氨氣濃度＜5%，遠離氨氣爆炸極限，確保系統更加安全穩定的運行。

稀釋風機入口煙氣采用SCR脫硝反應器出口煙氣，選型時選擇合適的材質，保證風機在煙氣溫度短期（0.5h）內超過450℃時仍能正常運行，而不對設備造成任何影響。

在風機選型時注意脫硝后煙氣的溫度等條件，保證風機有足夠的壓頭滿足設計使用需求。

7.SCR反應區

尾氣脫硝系統設置SCR反應器，反應器為圓筒形焊接容器，常溫低壓，尾氣通過催化劑層。在脫硝反應器入口加裝尾氣氣流均勻分布裝置，通過CFD模擬計算優化設計了SCR反應器入口尾氣氣流分布器，使得尾氣在反應器截面上速度分布均勻。

為了確保反應器的穩定運行和安全性，其殼體在設計時采用了不小于10mm厚的鋼板，可以很好的承受各種外部力的作用，包括內部壓力、催化劑負荷、地震負荷、熱應力等。并針對容易磨損的部位采取防磨措施，如：將密封裝置設置在催化劑模塊間和模塊與反應器殼體之間，防止粉塵和雜質的進入。另外，反應器內部的各種加強板和支架都設計成不易積灰的形式，并熱膨脹的補償措施進行綜合考慮，確保內部結構正常運行。

（1）脫硝反應器。SCR反應器是催化劑的載體及脫硝反應的場所，主要由脫硝反應器及催化劑組成。每套SCR脫硝系統按1套SCR反應器設計。

SCR反應器設計溫度＜450℃，壓力＜1.24MPa。設計充分考慮與周圍設備布置的協調性及美觀性，不僅將導流板合理設置在反應器進出口段，還需要將氣流分布整流裝置設置在入口處，從而滿足催化劑對溫度分布、尾氣分布、流向等要求。

（2）催化劑。蜂窩式中溫催化劑作為工藝中的關鍵組件，以成熟的釩鈦基催化劑為基礎進行改良，優化了抗水性和抗黏性的特性，非常適用于硝酸生產線尾氣的處理。蜂窩式催化劑具備比較大的比表面積，可以通過減小反應器尺寸來降低建設成本，主要是由于相同體積的催化劑可以提供更多的活性表面，從而增加了反應的效率。蜂窩狀催化劑：比面積大，相同參數情況下，催化劑體積小，適用范圍廣，內外介質均勻，市場占有率高。采用催化劑模塊化設計可以縮短催化劑的更換時間，其模塊選擇鋼結構框架方便運輸、安裝和起吊。同時催化劑模塊設計還具備良好的密封系統，防止尾氣短路。另外，催化劑各層模塊具有互換性和統一規格等特點，在更換新的催化劑之前，需要確保催化劑的體積符合性能保證的要求，包括脫硝效率和氨的逃逸濃度等方面。

該催化劑的活性組分適宜的負載量為3.6%，當其超過3.6%時，對提高催化劑活性沒有幫助；催化劑焙燒溫度的升高易導致催化劑燒結，活性組分由無定型狀態變為結晶態，適宜的焙燒條件為焙燒溫度580℃，升溫速率5℃/min；通過摻雜鐵鹽提高催化劑的活性，其中以FeCl2作為活性組分前體得到的催化劑活性最佳；此外，通過金屬參雜改性后催化劑的活性有明顯的提高，其中以Sn和Ce參雜得到的催化劑活性最佳。

（3）反應條件。不同的工業煙氣組成和反應器結構尺寸等會對催化劑的活性有一定的影響，因此在催化劑的實際應用中要特別考慮工況等條件與催化劑活性的適應性。通過對NO濃度、NO2比例、氨氮比、高徑比和空速等條件進行考察，發現隨著NO濃度升高NO轉化率也隨之升高；NO2的比例小于50%時，NO2的存在有利于NOx轉化率的提高，當NO2的比例超過50%時，NOx轉化率的提高開始明顯下降；過量的氨有助于NOx轉化率的提高；高徑比從2.4降低至1.4時，NO轉化率提高了約10%；在空速為5000～15000h-1的范圍內NO轉化率大于85%。過量的NH3有助于氮氧化物轉化率的提高；二氧化硫和水蒸氣存在時氮氧化物的脫除率仍達90%以上。

8.工業應用情況

本文章開發的催化劑已經在多個硝酸廠應用，常見的應用工況如表2所示。

表2 工業應用的硝酸工況

經連續多年投運，NOx出口濃度小于40mg/Nm3，該裝置催化劑和煙氣的接觸效果遠高于蜂窩式催化劑，導致其具有更低的NH3逃逸指標，具體指標如表3所示。

表3 催化劑工業應用指標

8.結語

針對現有硝酸裝置設置尾氣脫硝，反應器的設置位置需根據實際運行的溫度、場地等情況進行設計，選用適合此溫度的催化劑，本方案SCR反應器采用圓形結構，選用低溫催化劑，確保了脫硝效率，本設計已應用于實際項目中。