乙烯裂解爐煙氣SCR脫硝 工藝研究與應(yīng)用

阮宗琳，王寬嶺，李 勇，齊慧敏

(中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045)

SCR脫硝工藝是解決超低濃度排放和高脫硝率的有效方法。但是乙烯裂解爐煙氣與熱電行業(yè)燃煤煙氣或催化裂化裝置再生煙氣相比具有特殊性。除了煙氣的氧含量和水含量不同外，還需要考慮對乙烯裂解爐現(xiàn)有工藝性能的影響，按照目前國內(nèi)主流乙烯裂解爐的技術(shù)情況，對脫硝段的壓降、高度都有嚴(yán)格限制，應(yīng)用SCR脫硝技術(shù)除需考慮催化劑的適應(yīng)性外，還要考慮裂解爐整體總壓力降(小于1 000 Pa)脫硝反應(yīng)器的布局，留給脫硝及氨分布壓降必須小于400 Pa。

1 乙烯裂解爐煙氣參數(shù)(表1)及SCR脫硝目標(biāo)值(表2)

表1 單臺乙烯裂解爐代表性煙氣參數(shù)

表2 采用SCR脫硝期望值

2 乙烯裂解爐煙氣SCR工藝流程及脫硝催化劑適應(yīng)性評價

2.1 乙烯裂解爐煙氣SCR工藝流程

流程設(shè)置思路是將噴氨內(nèi)件及SCR脫硝催化劑放置在裂解爐內(nèi)。

煙氣基本流向：煙氣→噴氨格柵(469～480 ℃)→換熱段(兩段裂解爐原料預(yù)熱段)→脫硝催化劑床層(328～345 ℃)→換熱段(裂解爐原料預(yù)熱段)。

工藝流程描述：煙氣進入噴氨格柵前檢測NOx含量，檢測值與供氨閥連鎖調(diào)節(jié)噴氨量。液氨經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)后形成氣態(tài)氨，氣態(tài)氨經(jīng)稀釋風(fēng)后進入噴氨格柵。由于乙烯裂解爐爐型狹長，為保證分散效果，氨氣要多支路進入裂解爐。

2.2 FN-2SCR脫硝催化劑適應(yīng)性評價

2.2.1乙烯裂解爐煙氣特點

乙烯裂解爐煙氣與催化裂化再生煙氣性質(zhì)比較見表3。與催化裂化裝置再生煙氣相比，乙烯裂解爐煙氣具有如下特點：粉塵量小(遠(yuǎn)低于FCC煙氣，有利于SCR脫硝)；SO2含量低(有利于SCR脫硝)；氧含量較低(不利于SCR脫硝)；水含量稍高(不利于SCR脫硝)。

因此，需要對SCR脫硝催化劑進行適應(yīng)性評價。評價的催化劑為FN-2脫硝催化劑。

式中，Ng是指單位面積上所發(fā)生的年雷擊大地次數(shù)，單位為次／（km2·年），反映的是某地區(qū)雷擊頻繁程度［12］。其中，N為湖南省ADTD型雷電監(jiān)測網(wǎng)提供的某區(qū)域地閃總次數(shù)，本研究取2009—2017年的年平均雷擊大地次數(shù)。S為區(qū)域面積，單位為km2。

表3 乙烯裂解爐煙氣與催化裂化 再生煙氣性質(zhì)比較

2.2.2FN-2催化劑理化性能

NH3-SCR技術(shù)的核心是高活性、高選擇性和穩(wěn)定性的脫硝催化劑。FN-2的主要理化性質(zhì)見表4。

表4 FN-2脫硝催化劑的技術(shù)指標(biāo)

2.2.3H2O含量對FN-2催化劑脫硝性能影響

圖1在NO：500 mg/m3，O2：1.75%，NH3/NOx=1(摩爾比)，SV：5 500 h-1試驗條件下，對比了不同H2O含量對脫硝效率的影響，由圖1中可知，H2O對脫硝率的影響較小，如在反應(yīng)溫度340 ℃，當(dāng)H2O含量由5%增至20%時，脫硝率僅從97.9%降至94.1%。

2.2.4O2含量對FN-2催化劑脫硝性能影響

根據(jù)SCR反應(yīng)方程式，轉(zhuǎn)化1 mol的NO，需要消耗0.25 mol的O2。圖2在NO:500 mg/m3，H2O:18%，NH3/NOx=1(摩爾比)，反應(yīng)溫度：350 ℃，SV：5 500 h-1試驗條件下，對比了不同O2含量對脫硝率的影響，可以看出，試驗中的O2含量從0.5%增加到6%，脫硝率基本上不發(fā)生變化。

圖1 H2O含量對脫硝率的影響

圖2 O2含量對脫硝率的影響

2.2.5適應(yīng)性評價連續(xù)試驗

FN-2型催化劑在實驗室評價裝置上進行了500 h連續(xù)穩(wěn)定性考察。穩(wěn)定性試驗運轉(zhuǎn)條件為(模擬乙烯裂解爐煙氣組成)：空速5 500 h-1，進料NOx濃度120～150 mg/m3，O2為1.75%，H2O為18%，NH3/NO=1(摩爾比)，反應(yīng)溫度300～400 ℃。試驗結(jié)果見表5。由表5可知，NOx去除率穩(wěn)定在90%以上，說明FN-2型催化劑對模擬乙烯裂解爐煙氣具有良好的活性和穩(wěn)定性。

2.3 脫硝反應(yīng)器與鍋爐一體化布局

與燃煤鍋爐和催化裂化鍋爐相比，乙烯裂解爐具有其獨特之處，因此，需要對傳統(tǒng)的煙氣脫硝反應(yīng)器的設(shè)計做出相應(yīng)調(diào)整以滿足乙烯裂解爐對脫硝系統(tǒng)的要求。

a)脫硝反應(yīng)器必須由傳統(tǒng)的下流式改為上流式，同時解決煙氣流經(jīng)催化劑時的防短路密封問題，以適應(yīng)乙烯裂解爐的爐型。

表5 FN-2型催化劑500h穩(wěn)定運轉(zhuǎn)試驗結(jié)果

b)乙烯裂解爐對爐體壓降要求嚴(yán)苛(<1 000 Pa)，要求催化劑模塊及噴氨格柵在內(nèi)的整個脫硝系統(tǒng)<400 Pa。

綜合考慮壓降、煙氣流向以及乙烯裂解爐的結(jié)構(gòu)，將氨分布內(nèi)件及脫硝反應(yīng)器內(nèi)置于裂解爐內(nèi)。按照SCR溫度要求，通過流體力學(xué)計算和分析，選擇合適的兩個換熱段之間布置氨和脫硝催化劑，兩個換熱段的作用除了提供理想的脫硝反應(yīng)溫度外，更重要的作用是輔助氨的分布，減少噴氨格柵的壓降。在乙烯裂解爐內(nèi)脫硝系統(tǒng)包括脫硝段和噴氨段兩部分。爐內(nèi)噴氨格柵和脫硝催化劑床層布置見圖3，爐內(nèi)煙氣由下向上，噴氨格柵在鍋爐變徑處，再經(jīng)過兩個換熱段后，進入脫硝催化劑床層，脫硝凈化煙氣進入乙烯裂解后續(xù)工段。

圖3 乙烯裂解爐噴氨格柵和催化劑床層位置示意

建立了CFD流體力學(xué)計算模型，主要優(yōu)化目標(biāo)是氨的均勻分布和控制增加的壓降(包括氨的分布和脫硝催化劑床層)。圖4是氨分布優(yōu)化結(jié)果，第2段換熱層出來后進入SCR催化劑床層的氨濃度分布均勻性較好。催化劑床層入口處的NH3與煙氣均勻混合，在超低壓降的前提下，混合偏差在±5%之間，滿足SCR系統(tǒng)對氨濃度分布的要求。圖5是壓降優(yōu)化結(jié)果。在計算區(qū)域，阻力降發(fā)生在換熱管層，噴氨格柵與脫硝反應(yīng)器總壓降<300 Pa，整體壓降較低，使脫硝反應(yīng)器內(nèi)置在乙烯裂解爐成為可能。

圖4 CFD模擬噴氨格柵優(yōu)化結(jié)果

圖5 噴氨及脫硝段壓力降及壓力分布

3 工業(yè)應(yīng)用結(jié)果

3.1 SCR脫硝反應(yīng)器對乙烯裂解爐的運行影響

表6是SCR脫硝投用前后乙烯裂解爐運行結(jié)果對比。SCR脫硝投入后排煙溫度和熱效率都在誤差范圍內(nèi)，對乙烯裂解爐的運行未產(chǎn)生影響。

表6 投用SCR脫硝后對乙烯裂解爐運行的影響

3.2 工業(yè)裝置標(biāo)定結(jié)果

某煉化公司乙烯裂解爐(BA-112)和脫硝單元于2017年4月建成投產(chǎn)，4月25號向SCR脫硝系統(tǒng)供氨，脫硝單元正式投用。

由標(biāo)定結(jié)果可見，乙烯裂解爐脫硝單元可以將NOx處理到40 mg/m3以下，最低可以達到10 mg/m3以下，NOx最高去除率可以達到93%，氨逃逸未檢出，其余各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

3.3 工業(yè)裝置連續(xù)運行結(jié)果

圖6是乙烯裂解爐煙氣脫硝系統(tǒng)2017年10月到2018年4月NOx進出口運行數(shù)據(jù)，脫硝單元煙氣量126 171～157 713 m3/h(濕基)，SCR入口煙氣溫度350 ℃～392 ℃，O2含量1.5%～3%(正常工況)，SCR反應(yīng)器入口NOx濃度109～148 mg/m3，由于運行期間執(zhí)行NOx<100 mg/m3標(biāo)準(zhǔn)，運行控制結(jié)果NOx<80 mg/m3，氨逃逸未檢出。按照目前運行結(jié)果計算，每年該裝置可減排NOx 34.97～43.72 t。

圖6 工業(yè)裝置連續(xù)運行結(jié)果

4 結(jié)論

a)根據(jù)乙烯裂解爐煙氣水含量高、氧含量低特點，對FN-2型SCR脫硝催化劑進行了適應(yīng)性評價，在空速5 500 h-1，進料NOx濃度120～150 mg/m3，O2為1.75%，H2O為18%，NH3/NO=1(摩爾比)，反應(yīng)溫度300～400 ℃的條件下。NOx去除率穩(wěn)定在90%以上，認(rèn)為FN-2催化劑完全是適用于乙烯裂解爐的煙氣深度脫硝。

b)通過建立CFD流體力學(xué)計算計算，確定了乙烯裂解爐與脫硝一體化布置方案，包括上流式脫硝反應(yīng)器、反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件，并使脫硝一體化乙烯裂解爐整體壓降降低到<1 000 Pa，脫硝反應(yīng)器及噴氨內(nèi)件整體壓降<300 Pa，在不影響乙烯裂解爐的運轉(zhuǎn)同時，保證了脫硝裝置的穩(wěn)定運行。

c)工業(yè)裝置標(biāo)定結(jié)果表明，在SCR脫硝反應(yīng)器入口煙氣量126 171～157 713 m3/h(濕基)，入口NOx濃度109～148 mg/m3的設(shè)計條件下，空速最高達到5 300 h-1，出口NOx最低可達到<10 mg/m3以下，脫硝去除率最高可達93%，氨逃逸未檢出。連續(xù)運行結(jié)果表明，每年該裝置可減排NOx 34.97～43.72 t。