玻璃熔窯SCR煙氣脫硝設(shè)計的影響因素分析

凌紹華，李曉亮

（中國環(huán)境管理干部學院 環(huán)境工程系，河北 秦皇島 066004）

玻璃熔窯SCR煙氣脫硝設(shè)計的影響因素分析

凌紹華，李曉亮

（中國環(huán)境管理干部學院 環(huán)境工程系，河北 秦皇島 066004）

對影響玻璃熔窯SCR煙氣脫硝設(shè)計的幾個主要因素，如煙氣條件（煙氣量和NOx初始濃度）、還原劑、催化劑、SCR反應(yīng)器布置方式及催化劑吹灰方式等進行了分析與討論，指出在對玻璃熔窯進行SCR煙氣脫硝設(shè)計時應(yīng)根據(jù)燃料情況、煙氣條件、生產(chǎn)工藝、環(huán)保法規(guī)及污染物減排要求等合理進行選擇，以確保玻璃熔窯SCR煙氣脫硝系統(tǒng)安全運行及工程投資、運行費用的經(jīng)濟合理性。

玻璃熔窯；SCR；煙氣脫硝設(shè)計；影響因素

Abstract：Analyzed and discussed the main influence factors for flue gas SCR denitration design in the glass furnace,such as flue condition(flue gas volume and NOxinnitial concentration),reducing agent,catalyst,SCR reactor arrangement and blowing methods of catalyst,and pointed out that during the SCR denitrification design of flue gas for glass furnace,a reasonable choice should be based on the fuel situation,flue gas condition,production technology,environmental regulations and pollutant emission reduction requirements,to ensure that the SCR denitrification system safe operation and project investment and operating costs are of economic rationality.

Key words： glass furnace； SCR； flue gas denitration design； influence factors

根據(jù)《平板玻璃工業(yè)大氣污染物排放標準》（GB 26453-2011）的要求，玻璃生產(chǎn)企業(yè)自2014年1月1日起熔窯煙氣NOx濃度應(yīng)小于700 mg/m3[1]。該標準的出臺，使平板玻璃工業(yè)煙氣脫硝工作面臨緊迫的形勢。

目前，國內(nèi)有個別玻璃生產(chǎn)企業(yè)已開始煙氣脫硝的試驗及研究，但都處于起步階段，在設(shè)計及運行中存在不少問題。該研究針對玻璃熔窯SCR煙氣脫硝在設(shè)計時的主要影響因素進行了分析與討論。

1 玻璃熔窯SCR煙氣脫硝技術(shù)

選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR） 煙氣脫硝技術(shù)及SCR+SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù)是已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的煙氣脫硝技術(shù)，是目前比較成熟的煙氣脫硝技術(shù)，在電力、熱力及水泥等行業(yè)已得到大量應(yīng)用。

SNCR是在沒有催化劑的條件下，向850～1 050℃的窯爐區(qū)域中噴入還原劑（氨水或尿素），噴入的爐膛區(qū)域中會有一定量氧氣存在，噴入的還原劑有選擇性地與NOx反應(yīng)，生成N2和H2O[2，3]。在平板玻璃行業(yè)，由于在玻璃窯爐中適合SNCR脫硝的溫度段處于窯爐蓄熱室內(nèi)，考慮窯爐蓄熱室的結(jié)構(gòu)特點及還原劑對窯爐蓄熱室運行的影響，SNCR脫硝技術(shù)目前還有待于開發(fā)。

SCR是在一定溫度和有催化劑的條件下，還原劑有選擇性地與煙氣中的NOx反應(yīng)生成無毒、無污染的N2和H2O[4，5]。工業(yè)應(yīng)用的還原劑主要是液氨，其次是尿素、氨水。SCR脫硝技術(shù)適用范圍廣，無二次污染，脫硝效率可達到80%以上。目前玻璃熔窯煙氣初始氮氧化物濃度在1 500～2 500 mg/m3之間，為使玻璃熔窯氮氧化物的排放濃度達到環(huán)保要求（低于700 mg/m3），針對浮法玻璃生產(chǎn)工藝特點，使用SCR脫硝技術(shù)較為合理。

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)結(jié)合了SCR和SNCR系統(tǒng)的優(yōu)點，最主要的改進就是省去了SCR工藝設(shè)置在煙道里復(fù)雜的氨噴射格柵系統(tǒng)，并大幅度減少了催化劑的用量，是比較經(jīng)濟、高效的脫硝方式。但由于SNCR技術(shù)在玻璃熔窯應(yīng)用的受限，該聯(lián)合脫硝技術(shù)在玻璃熔窯的應(yīng)用還存在困難。

2 SCR煙氣脫硝設(shè)計的影響因素

2.1 SCR反應(yīng)器的布置位置

SCR裝置可以布置在除塵器之前（高塵區(qū)SCR），也可布置在除塵器之后（低塵區(qū)SCR） 或煙氣脫硫裝置之后（尾部SCR），SCR的三種布置方式見圖1。

圖1 SCR的三種布置方式

高塵區(qū)SCR布置的優(yōu)點是煙氣在進入SCR反應(yīng)器之前無需再熱，缺點是煙氣中含有高濃度的粉塵及其他有毒成分，可使催化劑活性降低或催化劑中毒。低塵區(qū)SCR的優(yōu)點是煙氣中的粉塵及其他有毒成分經(jīng)除塵處理后，對催化劑活性的影響較少，缺點是除塵需在高溫環(huán)境下進行。尾部SCR的優(yōu)點是可有效避免催化劑活性降低或催化劑中毒，但煙氣溫度較低，進入SCR反應(yīng)器之前需進行再加熱，運行不經(jīng)濟。

國內(nèi)電力行業(yè)基本上采用高塵區(qū)SCR布置。但是在玻璃行業(yè)，由于熔制玻璃液所使用的主要原料中有石灰石、純堿、白云石、芒硝等，熔窯煙氣中的煙塵含有較多的Na、Ca和較少的Mg、K，其中堿金屬元素（Na、K） 能夠中和催化劑活性位的酸性并減少活性位的數(shù)量，堿土金屬元素（Ca）的沉積會造成催化劑孔結(jié)構(gòu)的堵塞，堿金屬元素（Na、K） 和堿土金屬元素（Ca） 都能夠?qū)е耂CR催化劑中毒[6]。因此，在玻璃熔窯SCR煙氣脫硝設(shè)計時，應(yīng)采用低塵區(qū)SCR布置，煙氣經(jīng)高溫除塵去除堿金屬及堿土金屬等粉塵后進入SCR反應(yīng)器，以降低粉塵對催化劑活性的影響。

2.2 煙氣量及NOx初始濃度

煙氣量、NOx初始濃度等煙氣條件是影響SCR煙氣脫硝設(shè)計的最重要的因素，它關(guān)系到催化劑的用量，進而影響工程的投資及投運后的運行費用。煙氣量、NOx初始濃度等煙氣條件隨玻璃熔窯的生產(chǎn)負荷、燃料種類、工藝狀況的變化而變化。以500 T/D浮法玻璃生產(chǎn)線為例，煙氣量約（8.0～10.0）×104m3/h，煙氣中NOx初始濃度約1 500～2 500 mg/m3。在對玻璃熔窯進行SCR煙氣脫硝設(shè)計前，設(shè)計單位應(yīng)根據(jù)玻璃熔窯的設(shè)計資料及日常實際運行的統(tǒng)計資料，對煙氣條件進行確定。

首先是煙氣量的確定。通過玻璃熔窯滿負荷工況下的實際煙氣量與熔窯燃用設(shè)計燃料BMCR工況下的計算煙氣量進行比較，取最大值為SCR脫硝處理的煙氣量。目前國內(nèi)玻璃行業(yè)的燃料主要有重油、煤焦油、天然氣、煤氣、石油焦、水煤漿等，部分玻璃熔窯已設(shè)計成多燃料系統(tǒng)，可根據(jù)燃料的價格變動情況隨時變換燃料，以降低玻璃生產(chǎn)成本，同一窯爐使用不同的燃料時煙氣量變化較大。因此，對此類窯爐設(shè)計時還需考慮燃料品種的變化情況。

其次是NOx初始濃度的確定。NOx初始濃度隨生產(chǎn)負荷、燃料和燃燒狀況的變化而變化。通過對熔窯生產(chǎn)運行期間的統(tǒng)計資料，取實際監(jiān)測值的最大值為脫硝設(shè)計的NOx初始濃度，同時應(yīng)考慮一定的裕量。另外，部分玻璃熔窯如果考慮產(chǎn)品品種的變化，比如在目前生產(chǎn)白玻的基礎(chǔ)上，今后可能計劃增加生產(chǎn)顏色玻璃，生產(chǎn)顏色玻璃的火焰熱點溫度比生產(chǎn)白玻的火焰熱點溫度高，會導(dǎo)致煙氣中的NOx初始濃度增大。因此，對此類窯爐設(shè)計時還需考慮產(chǎn)品品種的變化情況。

如果設(shè)計時煙氣量及NOx初始濃度選擇過低，則可能出現(xiàn)實際運行時的空速及NOx初始濃度超過設(shè)計值，使脫硝效率無法達到設(shè)計指標。如果設(shè)計時煙氣量及NOx初始濃度選擇過高，裕量太大，則會增加催化劑用量和反應(yīng)器尺寸，造成SCR脫硝系統(tǒng)的工程投資和運行費用增加，降低系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

2.3 還原劑的選擇

用于SCR煙氣脫硝的還原劑有三種:液氨、氨水和尿素。其中應(yīng)用最廣泛的是液氨，其次是尿素。液氨一般采用純度為99.8%的氨，沸點-77.7℃，熔點-33.5℃，水溶液呈強堿性，通常以加壓液化的方式儲存，對儲存與使用有嚴格的安全要求；氨水是20%～29%的水溶液，較液氨相對安全，氨水溶液呈弱堿性和強腐蝕性，運輸成本較高，且在蒸發(fā)過程需消耗較多的能量；尿素在常溫常壓下呈固態(tài)，運輸和儲存都較容易，無需附設(shè)安全措施，但尿素需要使用專用設(shè)備熱解或水解制備氨氣，設(shè)備投資高，運行過程中能耗較高。三種SCR還原劑的綜合比較見表1。

表1 三種SCR還原劑的比較

玻璃生產(chǎn)企業(yè)在制氫車間普遍采用氨分解制氫或者水電解制氫工藝。對于制氫車間已采用氨分解制氫工藝的玻璃熔窯，在制氫站已有液氨儲存及氨氣制備系統(tǒng)，SCR煙氣脫硝設(shè)計時應(yīng)直接利用或改造現(xiàn)有的氨儲存及制備系統(tǒng)。對于制氫車間采用水電解制氫工藝的玻璃熔窯，該企業(yè)周圍環(huán)境符合相關(guān)安全要求，優(yōu)先考慮采用液氨作為還原劑，以減少工程投資及運行費用。如果該企業(yè)地處市區(qū)并且液氨的運輸條件及儲存使用環(huán)境不符合相關(guān)安全要求，可考慮采用尿素法，以尿素作為還原劑。

2.4 催化劑的優(yōu)化

用于SCR工程中的催化劑有貴金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、沸石分子篩催化劑和活性炭催化劑。玻璃熔窯在原料熔化過程中，窯內(nèi)熱點溫度高達1 500～1 600℃，產(chǎn)生大量熱力型NOx，煙氣中NOx濃度可達到1 500～2 500 mg/Nm3，遠遠高于電廠鍋爐及普通工業(yè)鍋爐煙氣中的NOx濃度，因此對催化劑的性能要求較高。另外，玻璃熔窯煙氣中含有原料熔化過程中產(chǎn)生的Na、Ca、Mg、K等物質(zhì)，易造成催化劑中毒，因此對催化劑的防中毒性能要求也較高。而在商業(yè)應(yīng)用中，目前主要是V2O5-WO3（MoO3）/TiO2金屬氧化物催化劑，該催化劑脫硝活性高，抗中毒能力強。玻璃熔窯SCR煙氣脫硝設(shè)計時應(yīng)選用V2O5-WO3（MoO3）/TiO2金屬氧化物催化劑，并根據(jù)煙氣情況對催化劑中的各種組分進行優(yōu)化調(diào)整，以適應(yīng)玻璃熔窯煙氣特點，保證脫硝效果及催化劑使用壽命。

2.5 玻璃窯爐的燃燒特點

玻璃熔窯與其他工業(yè)窯爐相比，存在左右方向定時換火的燃燒特點，一般是每間隔20 min進行左右方向換火。在玻璃熔窯左右方向換火燃燒時，存在瞬間燃燒停止的過程，該過程會導(dǎo)致煙氣中的NOx濃度瞬間急劇下降，此時如果SCR反應(yīng)器中的噴氨量沒有及時變化，會造成氨氣瞬間過量，導(dǎo)致氨逃逸濃度瞬間超標。因此，玻璃熔窯SCR煙氣脫硝設(shè)計時應(yīng)考慮左右方向定時換火的燃燒特點，通過DCS控制系統(tǒng)，將噴氨系統(tǒng)與左右方向換火系統(tǒng)聯(lián)鎖，在左右方向換火時及時調(diào)整噴氨量，以避免氨逃逸濃度瞬間超標。

2.6 催化劑的清灰方式

玻璃熔窯煙氣中的粉塵含有堿金屬、堿土金屬，且粉塵大多數(shù)屬于微細粉塵，易覆蓋在催化劑的表面，使催化劑活性降低或發(fā)生堵塞，需安裝吹灰器對催化劑進行清灰。SCR脫硝催化劑的清灰方式主要有聲波清灰、蒸汽清灰和壓縮空氣清灰三種方式。

聲波清灰不會損害催化劑，合理運行可使催化劑積灰量控制在較低水平，但對黏結(jié)性積灰和嚴重堵灰，清灰效果差。

蒸汽清灰依靠機械的蒸汽沖擊力來實現(xiàn)清灰，適用于各種積灰的清除，對黏結(jié)性積灰和嚴重堵灰，清灰效果明顯。但蒸汽流對催化劑的表面有一定磨損，如果蒸汽過熱度太低，由于濕度的影響，長期運行對催化劑的失效影響很大。

壓縮空氣清灰依靠壓縮空氣沖擊力來實現(xiàn)清灰，清灰效果明顯高于聲波清灰。但由于壓縮空氣溫度與煙氣溫度有明顯的差異，吹掃時如果壓縮空氣中的水汽太多，會在催化劑表面及通道上發(fā)生瞬間溫降凝結(jié)，影響催化劑的性能。

對于燃用重油、煤焦油、石油焦、水煤漿、煤氣的玻璃熔窯，由于煙氣中的粉塵具有一定的黏結(jié)性，SCR脫硝設(shè)計時清灰方式應(yīng)優(yōu)先選用蒸汽清灰或聲波+蒸汽聯(lián)合清灰。如果該玻璃熔窯的余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽過熱度太低，考慮將清灰方式設(shè)計成聲波+壓縮空氣聯(lián)合清灰方式，但需對進入吹灰器的壓縮空氣進行預(yù)熱及去水份處理，以保證清灰效果。

對于燃用天然氣的玻璃熔窯，煙氣中的黏結(jié)性粉塵較少，SCR脫硝設(shè)計時清灰方式應(yīng)根據(jù)蒸汽源或壓縮空氣源的工藝現(xiàn)狀選用蒸汽清灰、聲波+蒸汽聯(lián)合清灰或聲波+壓縮空氣聯(lián)合清灰方式。

3 結(jié)論

玻璃熔窯的SCR煙氣脫硝設(shè)計直接影響SCR脫硝系統(tǒng)的運行效果、工程投資及運行費用，設(shè)計單位應(yīng)結(jié)合玻璃熔窯的煙氣條件、燃料、生產(chǎn)工藝、環(huán)保法規(guī)及污染物減排要求，選擇合理的煙氣量、NOx初始濃度、還原劑、催化劑、SCR反應(yīng)器布置方式及催化劑吹灰方式，在保證NOx排放濃度及系統(tǒng)脫硝效率達到設(shè)計要求的前提下，提高SCR脫硝系統(tǒng)適應(yīng)玻璃熔窯煙氣的能力，延長SCR催化劑的使用壽命，確保玻璃熔窯SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的安全高效運行及工程投資、運行費用的經(jīng)濟合理性。

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（編輯：程 ?。?/p>

Analysis on Influence Factors for Flue Gas SCR Denitration Design in the Glass Furnace

Ling Shaohua,Li Xiaoliang
（Department of Environment Engineering,Environmental Management College of China,Qinhuangdao Hebei 066004,China）

X701

A

1008-813X（2013）06-0061-04

10.3969 /j.issn.1008-813X.2013.06.018

2013-10-09

河北省科學技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目《玻璃熔窯煙氣SCR脫硝技術(shù)研究》（11276740）；秦皇島市科學技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目《浮法玻璃行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)研究》（2012023A229）

凌紹華（1972-），男，福建省莆田市人，畢業(yè)于華北電力大學環(huán)境工程專業(yè)，碩士，高級工程師，主要從事大氣與水污染控制技術(shù)的研究與教學工作。