SCR脫硝系統(tǒng)在危廢焚燒煙氣處理中的應(yīng)用研究

摘要：選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）是危廢焚燒企業(yè)廣泛應(yīng)用的煙氣處理工藝。某危廢焚燒處置項(xiàng)目SCR脫硝系統(tǒng)位于煙氣處理的濕法脫酸工藝后端，SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)溫度為260 ℃，升溫過程需要消耗大量天然氣加熱煙氣。因此，有必要優(yōu)化工藝方案設(shè)計(jì)，開展經(jīng)濟(jì)效益分析，明確SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險，提出應(yīng)對措施。經(jīng)設(shè)計(jì)，采用兩級煙氣換熱系統(tǒng)，濕法脫酸后的煙氣與袋濾房出口煙氣一次換熱，再與SCR反應(yīng)后的煙氣二次換熱，兩次加熱升溫后煙氣溫度達(dá)到220 ℃，然后煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器。與天然氣直接加熱方式相比，該工藝可明顯減少天然氣消耗量，每年可節(jié)省天然氣費(fèi)用約530萬元，具有很好的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：危廢焚燒；煙氣處理；選擇性催化還原（SCR）脫硝；煙氣-煙氣換熱器；氨逃逸

中圖分類號：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.048

Abstract： Selective Catalytic Reduction （SCR） is a widely used flue gas treatment process in hazardous waste incineration enterprises. The SCR denitrification system of a hazardous waste incineration disposal project is located at the rear end of the wet acid removal process for flue gas treatment， and the design temperature of the SCR reactor is 260 ℃， and the heating process requires a large amount of natural gas to heat the flue gas. Therefore， it is necessary to optimize the design of the process plan， conduct economic benefit analysis， clarify the operational risks of the SCR denitrification system， and propose countermeasures. After design， a two-stage flue gas heat exchange system is adopted， the flue gas after wet deacidification undergoes primary heat exchange with the outlet flue gas of the bag filter room， and then undergoes secondary heat exchange with the flue gas after reacting with SCR， after two heating cycles， the flue gas temperature reaches 220 ℃， and then enters the SCR reactor. Compared with the direct heating method of natural gas， this process can significantly reduce natural gas consumption， saving about 5.3 million yuan in natural gas costs annually， and has good environmental and economic benefits.

Keywords： hazardous waste incineration; flue gas treatment; Selective Catalytic Reduction（SCR） denitrification; flue gas to flue gas heat exchanger; ammonia escape

近年來，國家及地方危廢焚燒煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)對氮氧化物（NOx）的要求逐漸提高。根據(jù)《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18484—2020），危廢焚燒企業(yè)NOx排放濃度限值為250 mg/m3，而根據(jù)地方危廢焚燒煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，山東省等地危廢焚燒企業(yè)NOx排放濃度限值低于100 mg/m3。上海市某危廢焚燒項(xiàng)目廢料處置量超過3萬t/a，可回收處置《國家危險廢物名錄（2021年版）》中的24大類廢料，重點(diǎn)回收處置化工制藥、機(jī)械加工等行業(yè)廢料。未來，NOx排放要求逐漸提高，而本項(xiàng)目接收的危廢存在大量的高有機(jī)氮含量廢料，危廢焚燒煙氣處理常用的選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）系統(tǒng)脫硝效率僅為30%～50%，可能導(dǎo)致尾氣處理無法滿足NOx的排放要求。因此，本項(xiàng)目需要在煙氣處理中增加脫硝設(shè)施，提高焚燒線煙氣NOx去除能力。

NOx多來源于各類廢液中含氮化合物的分解轉(zhuǎn)化和空氣中氮?dú)獾母邷匮趸?，較高的爐溫會導(dǎo)致熱力型NOx的產(chǎn)生[1]。NOx會帶來環(huán)境污染風(fēng)險，造成光化學(xué)煙霧、酸雨等問題[2]。NOx成分主要為NO和NO2。在沒有催化劑的條件下，煙氣中的NOx和NH3可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但只能在較高溫度條件下進(jìn)行（930～1 090 ℃）[3]。如果應(yīng)用合適的催化劑，可有效降低反應(yīng)溫度，提升反應(yīng)效率。選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）是目前應(yīng)用比較廣泛的煙氣脫硝技術(shù)之一，在環(huán)境溫度200～400 ℃的條件下，在催化劑的作用下利用還原劑選擇性地將煙氣中的NOx還原，生成對環(huán)境無害的氮?dú)夂退甗4]。經(jīng)過多年應(yīng)用和改進(jìn)，該工藝已發(fā)展較為成熟[5]。SCR工藝具有高效、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，脫硝效率可超過90%。經(jīng)設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目采用選擇性非催化還原（SNCR）+SCR的二級脫硝方式，以提高脫氮效率[6]，除了余熱鍋爐上部原有的SNCR脫硝系統(tǒng)，考慮在濕法脫酸工段后增加SCR工藝。本項(xiàng)目采用濃度20%的氨水作為還原劑，氨水暫存在焚燒線附近的儲罐內(nèi)，泵送至焚燒線SCR反應(yīng)器中。通過SNCR和SCR兩級脫硝處理，NOx去除率可超過94%。SCR脫硝反應(yīng)為

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

NO2+NO+2NH3→2N2+3H2O

1 工藝方案設(shè)計(jì)

SCR反應(yīng)器需要同時考慮NH3反應(yīng)溫度及催化劑適宜溫度[8-9]，煙氣經(jīng)過洗滌在高溫環(huán)境中與氨水發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而去除NOx。本項(xiàng)目需要將SCR反應(yīng)器溫度控制在260 ℃，但SCR反應(yīng)器在中和塔后端，中和塔出口煙氣溫度偏低，無法滿足SCR反應(yīng)器運(yùn)行要求，若直接采用天然氣加熱方式升溫，則將消耗大量天然氣，運(yùn)行成本較高。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)考慮引入其他熱量，以滿足SCR反應(yīng)器運(yùn)行要求。煙氣處理中，袋濾房出口煙氣溫度為170 ℃，而后端進(jìn)入酸洗塔前需要急冷降溫；SCR反應(yīng)完成后的煙氣溫度為260 ℃左右，在沒有熱量回收的情況下，高溫?zé)煔鈱⒅苯油ㄟ^煙囪排放至大氣中，造成熱量浪費(fèi)。經(jīng)綜合考慮，本項(xiàng)目中和塔凈化后的煙氣利用焚燒線其他高溫?zé)煔鉄崃?，?jīng)過兩級煙氣-煙氣換熱器（Gas Gas Heater，GGH）升溫，再利用SCR內(nèi)置燃燒器加熱升溫至260 ℃（SCR反應(yīng)溫度）。煙氣-煙氣換熱過程如圖1所示。

本設(shè)計(jì)一級煙氣-煙氣換熱器（GGH1）利用袋濾房出口煙氣進(jìn)行一次換熱，然后在二級煙氣-煙氣換熱器（GGH2）中利用SCR出口煙氣進(jìn)行二次換熱，通過高溫?zé)煔鉄崃炕厥绽茫瑴p少燃料使用量。分別在袋濾房出口和SCR反應(yīng)器下方增加煙氣-煙氣換熱器，中和塔出口煙氣G1溫度為66 ℃，袋濾房出口煙氣G2溫度為170 ℃，煙氣G1與煙氣G2首先進(jìn)行一級GGH換熱，煙氣G1通過一級GGH加熱后，出口煙氣G3溫度為140 ℃。SCR出口的高溫?zé)煔釭4溫度為260 ℃，煙氣G3與煙氣G4在二級GGH進(jìn)行第二次換熱，煙氣G3經(jīng)過二級GGH加熱后，出口煙氣G5溫度為220 ℃，然后煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器。SCR反應(yīng)器前端設(shè)置燃燒器，煙氣最后通過天然氣加熱升溫至260 ℃。而SCR反應(yīng)后的煙氣經(jīng)過二級GGH降溫后通過排氣筒排放。

由于GGH1換熱器中的高溫?zé)煔馕唇?jīng)過脫酸處理，煙氣中S、Cl元素含量較高，且煙氣溫度為170 ℃左右，可能存在低溫露點(diǎn)腐蝕問題，因此，GGH1換熱器在較高腐蝕性環(huán)境下運(yùn)行。本項(xiàng)目GGH1換熱器采用聚四氟乙烯（PTFE）材質(zhì)，耐酸堿腐蝕。GGH2換熱器位于脫酸裝置后，煙氣中S、Cl元素含量很低，可采用常規(guī)金屬換熱器。兩種換熱器進(jìn)出口煙氣技術(shù)參數(shù)如表1所示。

煙氣反應(yīng)溫度是SCR反應(yīng)器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，另外，SCR反應(yīng)器的外形結(jié)構(gòu)、煙道尺寸、導(dǎo)流板布置、煙道轉(zhuǎn)彎半徑等設(shè)計(jì)對于后續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性也非常重要。若SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會導(dǎo)致塔內(nèi)煙氣濃度與溫度分布不均。本項(xiàng)目SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流裝置如圖2所示，根據(jù)脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置方案，建立從加熱器出口至脫硝反應(yīng)器出口的SCR脫硝系統(tǒng)的三維模型，然后通過數(shù)值模擬對脫硝裝置內(nèi)流場進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果顯示，裝置催化劑入口煙氣流向偏差為7.56°，增設(shè)導(dǎo)流裝置方案的催化劑入口最低溫度為526.71 K，最高溫度為538.85 K，平均溫度為533.38 K，增設(shè)導(dǎo)流裝置方案的催化劑入口NH3/NOx（摩爾比）偏差為0.12%，均滿足基本設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求。

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

如果僅依靠SCR脫硝系統(tǒng)的燃燒器加熱升溫，將煙氣從66 ℃加熱至260 ℃，煙氣流量以86 000 kg/h計(jì)，煙氣比熱容以1.1 kJ/（kg·℃）計(jì)，則天然氣消耗量為516.5 m3/h。本項(xiàng)目焚燒線SCR反應(yīng)器的年運(yùn)行時間以3 700 h計(jì)，工業(yè)燃?xì)鈨r格以3.5元/m3計(jì)，則每年天然氣消耗費(fèi)用為669萬元。

本項(xiàng)目兩級GGH工藝?yán)萌紵鲗煔鈴?20 ℃加熱至260 ℃，天然氣消耗量為106.5 m3/h。每年天然氣消耗費(fèi)用為138萬元。因此，本項(xiàng)目應(yīng)用兩級煙氣換熱系統(tǒng)，每年可節(jié)省天然氣費(fèi)用約530萬元，而增加的兩級換熱器和相關(guān)管配件的投資成本為500萬元左右，則一年內(nèi)即可收回投資成本。

3 SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險

3.1 GGH1換熱器堵塞泄漏風(fēng)險

本系統(tǒng)中，GGH1換熱器采用耐酸堿腐蝕的PTFE材質(zhì)，設(shè)備尺寸大，換熱器內(nèi)列管道壁厚僅為1 mm。運(yùn)行過程中，若結(jié)鹽或灰塵顆粒物凝結(jié)造成換熱管道堵塞，則會引起管道內(nèi)壓力增高，甚至導(dǎo)致列管管壁破損，管內(nèi)高溫?zé)煔馔庖缰翚こ?。換熱器管程為袋濾房出口未脫硫的高溫?zé)煔?，殼程為酸洗塔出口脫酸處理后的低溫?zé)煔?，因此可能造成排放煙氣中SO2等酸性氣體超標(biāo)。建議在換熱器進(jìn)出口端適當(dāng)位置增加壓差計(jì)，及時反饋換熱器管道堵塞故障情況并報警。

3.2 NH3逃逸風(fēng)險

煙氣處理中，SNCR脫硝系統(tǒng)和SCR脫硝系統(tǒng)均采用濃度20%的氨水作為還原劑，會有少量氨逃逸。SNCR反應(yīng)器位于余熱鍋爐上部，逃逸的氨氣隨煙氣進(jìn)入后續(xù)處理裝置，大部分可被兩級洗滌塔吸收，而SCR反應(yīng)器作為煙氣處理過程的最后步驟，逃逸的氨氣可能造成超標(biāo)排放，因此要考慮SCR設(shè)備氨逃逸的應(yīng)對措施。SCR反應(yīng)器設(shè)置自動噴射控制系統(tǒng)，根據(jù)入爐廢料含氮量的變化控制氨水的噴射量，減少氨過量的可能性。在處理廢料時，盡量減少同一時間段內(nèi)進(jìn)料中氮含量的波動，通過合理配伍將氮含量控制在較為穩(wěn)定的平均水平，實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

本項(xiàng)目SCR反應(yīng)器設(shè)置在煙氣處理系統(tǒng)末端，煙氣經(jīng)過凈化處理后，污染物濃度較低，銨鹽不易堵塞催化劑和預(yù)熱器，有助于控制氨逃逸量。設(shè)置SCR反應(yīng)器層間壓差變化監(jiān)控系統(tǒng)，壓差可以間接反映反應(yīng)器內(nèi)催化劑的堵塞程度，若催化劑存在污染、中毒或堵塞的情況，則會導(dǎo)致還原能力下降，氨逃逸增多。運(yùn)行階段，定期吹灰，減少層間壓差，必要時增加吹灰頻次，提高催化劑有效性，從而控制氨逃逸量。

4 結(jié)論

煙氣處理是危廢焚燒處置的核心環(huán)節(jié)，本項(xiàng)目SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)溫度為260 ℃，相應(yīng)脫硝系統(tǒng)需要引入煙氣加熱工藝。經(jīng)設(shè)計(jì)，采用兩級煙氣-煙氣換熱器加熱升溫，充分利用高溫?zé)煔鉄崃?。該工藝可明顯減少天然氣消耗量，每年可節(jié)省天然氣費(fèi)用約530萬元，具有很好的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)SCR反應(yīng)器的外形結(jié)構(gòu)、煙道尺寸和導(dǎo)流板布置，進(jìn)行流場計(jì)算分析，脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足基本要求。另外，本項(xiàng)目綜合采取多種應(yīng)對措施，解決系統(tǒng)運(yùn)行過程的NH3逃逸、GGH1換熱器堵塞等問題，這對同類項(xiàng)目SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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收稿日期：2024-01-03

作者簡介：馬振（1990—），男，河南開封人，博士，工程師。研究方向：工業(yè)廢棄物處置及資源化利用。