＊姚磊 劉程

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

某公司脫硝裝置規(guī)模為36萬噸/年，采用雙加壓法工藝，出吸收塔的尾氣經(jīng)四次加熱后進(jìn)膨脹機(jī)繼續(xù)回收能量后放空，為滿足當(dāng)前排放政策，需設(shè)置SCR反應(yīng)裝置，經(jīng)處理后煙氣中NOx排放濃度低于50mg/m3指標(biāo)后排放。

1.工程概況

本項(xiàng)目在低溫段設(shè)置SCR脫硝反應(yīng)器，該位置的煙氣已經(jīng)過脫水處理，水蒸氣含量約小于2%，具體的煙氣入口參數(shù)見表1。裝置的設(shè)計(jì)必須確保在負(fù)荷變化時(shí)能夠及時(shí)、快速的作出調(diào)整，NOx排放濃度低于50mg/m3，裝置的可利用率≥98%，脫硝主體設(shè)備使用壽命達(dá)到30年，催化劑不存在化學(xué)中毒、物理強(qiáng)度降低現(xiàn)象。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.脫硝SCR反應(yīng)器布置位置的選擇

結(jié)合硝酸生產(chǎn)的工藝流程，脫硝反應(yīng)器有兩個(gè)布置位置方案，一個(gè)是在300～420℃的溫度區(qū)間，一個(gè)是180～300℃的溫度區(qū)間（見圖1），需根據(jù)廠區(qū)空間位置選擇。

圖1 脫硝反應(yīng)器布置位置

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，催化反應(yīng)器擬安裝于尾氣三次加熱器出口。脫硝劑噴入點(diǎn)設(shè)置在SCR脫硝反應(yīng)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(yīng)器入口前管道，管道內(nèi)設(shè)置渦流式靜態(tài)混合器，使脫硝劑與尾氣進(jìn)行充分混合。

3.脫硝劑選擇

本工程脫硝劑為業(yè)主廠區(qū)氨氣。業(yè)主方提供的兩路還原氣來源壓力較大，需設(shè)置中間儲(chǔ)罐，經(jīng)減壓后與稀釋風(fēng)機(jī)提供的脫硝后尾氣進(jìn)行混合稀釋，進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)行脫硝反應(yīng)。

4.工藝流程

本項(xiàng)目設(shè)置一套低溫SCR脫硝系統(tǒng)，系統(tǒng)的尾氣流程為：三次加熱后的硝酸尾氣→低溫SCR脫硝反應(yīng)器→尾氣透平機(jī)。

本設(shè)計(jì)SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)置在尾氣三次加熱器出口，主要由尾氣管道、氮?dú)鉁p壓稀釋、計(jì)量分配、SCR脫硝反應(yīng)器、電氣儀表控制系統(tǒng)等組成。

硝酸生產(chǎn)線尾氣經(jīng)三次加熱后進(jìn)入SCR反應(yīng)器中。在SCR反應(yīng)器中，經(jīng)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(dāng)混合氣體通過催化劑層時(shí)，催化劑會(huì)促使尾氣中的氮氧化物（NOx）與NH3發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而將NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓∟2）和水（H2O），達(dá)到去除氮氧化物的效果。SCR反應(yīng)器采用圓形結(jié)構(gòu)，共設(shè)置3層催化劑安裝空間，首次安裝2層催化劑，化學(xué)壽命到期后安裝第3層催化劑，后續(xù)每年更換一層催化劑。

5.脫硝系統(tǒng)的構(gòu)成

脫硝設(shè)備（圖2）構(gòu)成包括但不限于：

圖2 脫銷設(shè)備

尾氣管道：包括管道、閥門等；

氨氣減壓分配系統(tǒng)TDNATGM：短包含氨氣稀釋器、氨氣減壓、稀釋風(fēng)機(jī)、噴氨格柵、閥門、儀表、管道等；

SCR反應(yīng)器：包括反應(yīng)器本體、催化劑等；

脫硝系統(tǒng)電氣、控制系統(tǒng)。

6.氨氣減壓分配系統(tǒng)

本項(xiàng)目脫硝劑采用業(yè)主方提供的氨氣，參數(shù)如下：

溫度：40℃；壓力：1.4MPa；組成：NH399.5%。

（1）減壓計(jì)量。氨氣通過減壓穩(wěn)壓后與硝酸尾氣混合，將氨氣稀釋到安全濃度，經(jīng)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(jì)測(cè)量、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。

（2）噴氨格柵。氨氣噴射系統(tǒng)采用噴氨格柵（簡(jiǎn)稱AIG）。為了確保氨氣和煙氣的均勻混合，本設(shè)計(jì)中采用了氨氣噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備了流量調(diào)節(jié)閥，便于根據(jù)不同的煙氣工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)精確的氨氣噴射控制。同時(shí)噴射系統(tǒng)的氨噴射點(diǎn)附近設(shè)置了操作平臺(tái)和扶梯，便于操作和維護(hù)。

氨氣噴射系統(tǒng)經(jīng)數(shù)模計(jì)算和流場(chǎng)分析驗(yàn)算，保證氨氣和煙氣混合均勻，達(dá)到設(shè)定目標(biāo)：NH3/NOx混合不均勻性≤5%。

（3）稀釋風(fēng)機(jī)。SCR反應(yīng)器配置兩臺(tái)增壓稀釋風(fēng)機(jī)，一用一備。增壓稀釋風(fēng)機(jī)的選型需考慮引入的熱風(fēng)確保在氨氣混合器中將氨氣稀釋，使氨氣濃度＜5%，遠(yuǎn)離氨氣爆炸極限，確保系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

稀釋風(fēng)機(jī)入口煙氣采用SCR脫硝反應(yīng)器出口煙氣，選型時(shí)選擇合適的材質(zhì)，保證風(fēng)機(jī)在煙氣溫度短期（0.5h）內(nèi)超過450℃時(shí)仍能正常運(yùn)行，而不對(duì)設(shè)備造成任何影響。

在風(fēng)機(jī)選型時(shí)注意脫硝后煙氣的溫度等條件，保證風(fēng)機(jī)有足夠的壓頭滿足設(shè)計(jì)使用需求。

7.SCR反應(yīng)區(qū)

尾氣脫硝系統(tǒng)設(shè)置SCR反應(yīng)器，反應(yīng)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(yīng)器入口加裝尾氣氣流均勻分布裝置，通過CFD模擬計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)了SCR反應(yīng)器入口尾氣氣流分布器，使得尾氣在反應(yīng)器截面上速度分布均勻。

為了確保反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性，其殼體在設(shè)計(jì)時(shí)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(nèi)部壓力、催化劑負(fù)荷、地震負(fù)荷、熱應(yīng)力等。并針對(duì)容易磨損的部位采取防磨措施，如：將密封裝置設(shè)置在催化劑模塊間和模塊與反應(yīng)器殼體之間，防止粉塵和雜質(zhì)的進(jìn)入。另外，反應(yīng)器內(nèi)部的各種加強(qiáng)板和支架都設(shè)計(jì)成不易積灰的形式，并熱膨脹的補(bǔ)償措施進(jìn)行綜合考慮，確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行。

（1）脫硝反應(yīng)器。SCR反應(yīng)器是催化劑的載體及脫硝反應(yīng)的場(chǎng)所，主要由脫硝反應(yīng)器及催化劑組成。每套SCR脫硝系統(tǒng)按1套SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)。

SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)溫度＜450℃，壓力＜1.24MPa。設(shè)計(jì)充分考慮與周圍設(shè)備布置的協(xié)調(diào)性及美觀性，不僅將導(dǎo)流板合理設(shè)置在反應(yīng)器進(jìn)出口段，還需要將氣流分布整流裝置設(shè)置在入口處，從而滿足催化劑對(duì)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(guān)鍵組件，以成熟的釩鈦基催化劑為基礎(chǔ)進(jìn)行改良，優(yōu)化了抗水性和抗黏性的特性，非常適用于硝酸生產(chǎn)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(yīng)器尺寸來降低建設(shè)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(yīng)的效率。蜂窩狀催化劑：比面積大，相同參數(shù)情況下，催化劑體積小，適用范圍廣，內(nèi)外介質(zhì)均勻，市場(chǎng)占有率高。采用催化劑模塊化設(shè)計(jì)可以縮短催化劑的更換時(shí)間，其模塊選擇鋼結(jié)構(gòu)框架方便運(yùn)輸、安裝和起吊。同時(shí)催化劑模塊設(shè)計(jì)還具備良好的密封系統(tǒng)，防止尾氣短路。另外，催化劑各層模塊具有互換性和統(tǒng)一規(guī)格等特點(diǎn)，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(fù)載量為3.6%，當(dāng)其超過3.6%時(shí)，對(duì)提高催化劑活性沒有幫助；催化劑焙燒溫度的升高易導(dǎo)致催化劑燒結(jié)，活性組分由無定型狀態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)，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(yīng)條件。不同的工業(yè)煙氣組成和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸等會(huì)對(duì)催化劑的活性有一定的影響，因此在催化劑的實(shí)際應(yīng)用中要特別考慮工況等條件與催化劑活性的適應(yīng)性。通過對(duì)NO濃度、NO2比例、氨氮比、高徑比和空速等條件進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)隨著NO濃度升高NO轉(zhuǎn)化率也隨之升高；NO2的比例小于50%時(shí)，NO2的存在有利于NOx轉(zhuǎn)化率的提高，當(dāng)NO2的比例超過50%時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化率的提高開始明顯下降；過量的氨有助于NOx轉(zhuǎn)化率的提高；高徑比從2.4降低至1.4時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率提高了約10%；在空速為5000～15000h-1的范圍內(nèi)NO轉(zhuǎn)化率大于85%。過量的NH3有助于氮氧化物轉(zhuǎn)化率的提高；二氧化硫和水蒸氣存在時(shí)氮氧化物的脫除率仍達(dá)90%以上。

8.工業(yè)應(yīng)用情況

本文章開發(fā)的催化劑已經(jīng)在多個(gè)硝酸廠應(yīng)用，常見的應(yīng)用工況如表2所示。

表2 工業(yè)應(yīng)用的硝酸工況

經(jīng)連續(xù)多年投運(yùn)，NOx出口濃度小于40mg/Nm3，該裝置催化劑和煙氣的接觸效果遠(yuǎn)高于蜂窩式催化劑，導(dǎo)致其具有更低的NH3逃逸指標(biāo)，具體指標(biāo)如表3所示。

表3 催化劑工業(yè)應(yīng)用指標(biāo)

8.結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有硝酸裝置設(shè)置尾氣脫硝，反應(yīng)器的設(shè)置位置需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的溫度、場(chǎng)地等情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用適合此溫度的催化劑，本方案SCR反應(yīng)器采用圓形結(jié)構(gòu)，選用低溫催化劑，確保了脫硝效率，本設(shè)計(jì)已應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。