高活性低溫脫硝催化劑在高濃度氮氧化物尾氣超低排放治理工藝的應(yīng)用

王 琦，呂吉友

（1.杭州新龍化工有限公司，浙江 杭州 310000；2.山東齊陽石化工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 淄博 255000）

直接生產(chǎn)兩鈉（硝酸鈉和亞硝酸鈉）及既生產(chǎn)稀硝酸又同時生產(chǎn)兩鈉（硝酸鈉和亞硝酸鈉），一般都會產(chǎn)生含較高濃度的氮氧化物尾氣，因尾氣溫度低且氮氧化物濃度高一直是治理的難題。近年來，中低溫脫硝催化劑在治理兩鈉和硝酸裝置尾氣中得到了很好的應(yīng)用，氮氧化物實(shí)現(xiàn)了達(dá)標(biāo)排放（硝酸工業(yè)氮氧化物國家排放標(biāo)準(zhǔn)是300 mg/Nm3，以NO2計(jì)）。隨著國家環(huán)保對尾氣排放管理要求越來越嚴(yán)格，硝酸及兩鈉生產(chǎn)工業(yè)的尾氣排放也將更加嚴(yán)格。實(shí)現(xiàn)超低排放將是硝酸及兩鈉工業(yè)尾氣治理的未來方向。

大連中科天一催化技術(shù)有限公司開發(fā)出以高活性低溫N-209脫硝為核心的催化劑，在杭州新龍化工有限公司7萬t/a稀硝酸、2萬t/a兩鈉（硝酸鈉和亞硝酸鈉）生產(chǎn)裝置中得到了較好的利用，實(shí)現(xiàn)了長周期超低濃度排放。

1 工藝流程描述

堿吸收裝置普通尾氣治理流程是將尾氣通入電捕霧器去除堿液霧滴，然后通過反應(yīng)后的高溫尾氣換熱來提高溫度，再次通過電熱或中壓蒸汽換熱使得尾氣溫度達(dá)到170~250℃后進(jìn)入催化劑床層。

杭州新龍化工有限公司在通用的尾氣治理工藝基礎(chǔ)上對工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，生產(chǎn)尾氣先利用脫鹽水噴霧洗滌和絲網(wǎng)過濾的手段來代替高耗能電捕霧器，再利用廢熱鍋爐余熱，將30～60℃氮氧化物尾氣預(yù)熱至90～110℃，然后通過反應(yīng)的高溫尾氣換熱來提高溫度，回收尾氣中的熱量，最后通過電加熱使得尾氣溫度達(dá)到120～180℃后進(jìn)入催化劑床層。

新型的N-209脫硝催化劑，完全適應(yīng)傳統(tǒng)的固定床脫硝工藝。氨類還原劑在進(jìn)入主氣體管道混合前，先升溫高于主體氣體溫度，一般要求不低于120℃，通過氨分布器與主氣體混合，混合點(diǎn)與催化劑的距離盡量在4.0～5.0 m范圍外。新型凈化尾氣工藝流程圖見圖1。

圖1 新型凈化尾氣工藝流程圖

以氣氨為還原劑，空速為2 000～5 000 Nm3/h，溫度為120～180℃，入口氮氧化物濃度為2 000～5 000 mg/Nm3的生產(chǎn)尾氣經(jīng)治理后，出口氮氧化物的濃度長期穩(wěn)定在5～30 mg/Nm3。

2 工業(yè)裝置尾氣凈化運(yùn)行結(jié)果

稀硝酸和兩鈉聯(lián)合生產(chǎn)裝置因吸收壓力低，吸收塔出口的尾氣中的NOx濃度較高，正常運(yùn)行時其中氮氧化物的濃度為1 500～5 000 mg/Nm3。在最佳反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)，與氨類還原劑反應(yīng)后，尾氣的絕熱溫升在20～30℃。因裝置尾氣凈化系統(tǒng)的換熱效率較高，加之利用氨氧化廢熱鍋爐的能量，正常運(yùn)行時不需要電加熱或蒸汽加熱等外供熱源。

以杭州新龍化工有限公司的7萬t/a稀硝酸、2萬t/a兩鈉（硝酸鈉和亞硝酸鈉）生產(chǎn)裝置為例，在開車運(yùn)行前，通過電熱器先加熱空氣使催化劑床層升溫至120℃左右，初始開車時，催化劑溫度不低于120℃狀態(tài)下補(bǔ)加氣態(tài)氨，使得出口的氮氧化物濃度低于50 mg/Nm3，隨著尾氣溫度的不斷提高氮氧化物的排放濃度會越來越低，自2017年11月尾氣治理裝置開車以來完全保證了尾氣達(dá)標(biāo)排放，且實(shí)現(xiàn)了超低排放（一般認(rèn)為氮氧化物濃度低于50 mg/Nm3為超低排放）。在線檢測出口氮氧化物數(shù)據(jù)見表1。

表1 杭州新龍化工有限公司出口尾氣氮氧化物在線檢測數(shù)據(jù)

3 催化劑還原反應(yīng)原理

裝置尾氣中含有2%～6%（v/v）的氧氣，在非貴金屬N-209氨還原脫除NOx催化劑表面，NH3催化還原法脫除氮氧化物，工業(yè)裝置中最佳反應(yīng)溫度區(qū)間在120～180℃。其反應(yīng)原理及主要放熱反應(yīng)的反應(yīng)式為：

（注：若用氨水，要求氨水需首先氣化后進(jìn)入主氣體）

4 催化劑技術(shù)性能參數(shù)（見表2）

表2 催化劑技術(shù)性能參數(shù)

5 節(jié)能降耗措施

該公司運(yùn)行尾氣凈化系統(tǒng)中，用噴霧洗滌、絲網(wǎng)除霧替代靜電除沫器，在保證了凈化效果的同時，預(yù)先將尾氣與廢熱鍋爐交換熱量，大大降低了電加熱器的使用時間，每年有8個月時間只是在開車過程中使用電加熱器預(yù)熱，其余4個月電加熱器的用電量為普通工藝用電量的1/10，優(yōu)化了系統(tǒng)運(yùn)行，大大降低了生產(chǎn)成本。新工藝節(jié)能降耗指標(biāo)見表3。

表3 新工藝節(jié)能降耗指標(biāo)

7 結(jié)語

（1）大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，通過裝置生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，以氣氨或氣化氨水為還原劑，空速為2 000~5 000 Nm3/h，溫度為120~180℃，入口氮氧化物濃度為2 000~5 000 mg/Nm3的生產(chǎn)尾氣經(jīng)治理后，出口氮氧化物的濃度長期穩(wěn)定在5~30 mg/Nm3；

（2）在保證了凈化效果的同時，預(yù)先將尾氣與廢熱鍋爐交換熱量，大大降低了電加熱器的使用時間，優(yōu)化了系統(tǒng)運(yùn)行，降低了生產(chǎn)成本；

（3）催化劑活性穩(wěn)定、強(qiáng)度高，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，催化劑裝填簡便，催化劑再生過程簡單，經(jīng)濟(jì)性好。