衛(wèi)浴生產(chǎn)企業(yè)隧道窯煙氣SCR低溫脫硝改造案例分析

王云霄　仇衛(wèi)東　周彬　殷少山

摘 要：本文以淄博某國(guó)際高端衛(wèi)浴生產(chǎn)企業(yè)天然氣隧道窯煙氣脫硝超低排放改造項(xiàng)目為例，采用變溫?zé)崃炕厥帐綗煔釹CR脫硝技術(shù)應(yīng)用。該技術(shù)利用高效熱風(fēng)爐加熱爐窯尾部煙氣，將煙氣溫度提升至適合催化劑的反應(yīng)溫度，氮氧化物實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。脫硝后的凈煙氣利用高效換熱器與隧道窯出口煙氣換熱，有效回收了煙氣中的熱量，提高了脫硝系統(tǒng)進(jìn)口煙氣溫度，從而達(dá)到了降低排煙溫度、節(jié)約脫硝煙氣升溫消耗、實(shí)現(xiàn)污染物減排的目標(biāo)。同時(shí)兼具良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)浴;隧道窯;低溫SCR脫硝;高效熱管換熱器

1 項(xiàng)目概況

淄博某國(guó)際高端衛(wèi)浴生產(chǎn)企業(yè)一廠共有兩條天然氣隧道窯，在改造前均采用SNCR窯內(nèi)直噴氨水處理NOx，在線監(jiān)測(cè)（CEMS）NOx數(shù)值較高，正常維持在70～80mg/Nm3。由于行業(yè)特性，衛(wèi)浴隧道窯排煙溫度低（100～140℃），煙氣中的氮氧化物含量高，傳統(tǒng)的脫硝工藝（SNCR）需要在爐內(nèi)高溫區(qū)間（800～900℃）噴尿素溶液或氨水以達(dá)到脫硝效果，需要對(duì)窯爐開(kāi)孔并且難以找到適合的反應(yīng)溫度窗口，同時(shí)也存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

（1）影響產(chǎn)品質(zhì)量和窯爐參數(shù);

（2）脫硝效率低;

（3）氨逃逸高的缺點(diǎn)。

根據(jù)山東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB37/2373-2018《建材工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，重點(diǎn)區(qū)域陶瓷隧道窯排放濃度要求分別為：顆粒物10mg/Nm3，氮氧化物80 mg/Nm3，二氧化物35 mg/Nm3?，F(xiàn)有窯內(nèi)噴氨系統(tǒng)勉強(qiáng)能滿足現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)，且存在氨水消耗量大、氨逃逸超標(biāo)、窯況異常等問(wèn)題，迫切需要其他處理方式解決NOx超標(biāo)問(wèn)題。

（1）改造前煙氣參數(shù)：

窯爐數(shù)量：2條（天然氣隧道窯）;

煙氣量：32000 Nm3/h（兩條合計(jì)）;

NOx含量：500mg/ Nm3。

（2）要求達(dá)標(biāo)排放參數(shù)：

NOx含量：50mg/ Nm3。

（3）設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)要求：在隧道窯廠房外增設(shè)1臺(tái)煙氣SCR脫硝裝置，采用2條窯爐共建一套的處理方式，采用變溫?zé)崃炕厥帐綗煔饷撓跫夹g(shù)，要求達(dá)到NOx排放濃度≤50mg/Nm3。同時(shí)系統(tǒng)要留有余量，在滿足以上排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下，以后通過(guò)調(diào)整氨水（氨氣）噴量即能滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 工藝簡(jiǎn)介

2.1變溫?zé)崃炕厥帐綗煔饷撓跫夹g(shù)

為了實(shí)現(xiàn)最佳的脫硝效果，最佳方案為在窯爐外部采用SCR低溫脫硝系統(tǒng)處理氮氧化物，并采取一定的措施，降低能耗。

本技術(shù)采用一種變溫?zé)崃炕厥帐綗煔饷撓豕に?，與傳統(tǒng)的煙氣脫硝工藝相比較，該技術(shù)是通過(guò)熱量補(bǔ)償和尾部煙氣熱量回收兩種途徑，使得自煙氣管道引入的不同溫度的煙氣溫度提升穩(wěn)定在目標(biāo)催化劑的最佳使用溫度，從而得到高效穩(wěn)定的脫硝效果。變溫?zé)崃炕厥帐綗煔饷撓跫夹g(shù)適用于各種排煙溫度較低的工業(yè)爐窯煙氣脫硝，可以滿足各種排煙溫度。通過(guò)溫度補(bǔ)償、熱量回收手段，降低了排煙溫度、回收煙氣中的余熱、減少了煙氣升溫能耗、提高了脫硝效率。

2.2SCR低溫脫硝技術(shù)

2.2.1 SCR脫硝原理

SCR的全稱(chēng)為選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reducation）。

催化還原法是用氨或尿素之類(lèi)的還原劑，在一定的溫度下通過(guò)催化劑的作用，還原廢氣中的NOx（NO、NO2），將NOx轉(zhuǎn)化非污染元素分子氮（N2），NOx與氨氣的反應(yīng)如下：

4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

SCR系統(tǒng)包括催化劑反應(yīng)器、還原劑制備系統(tǒng)、氨噴入系統(tǒng)及相關(guān)的測(cè)試控制系統(tǒng)。SCR工藝的核心裝置是催化劑和反應(yīng)器，有臥式和立式兩種布置方式，一般采用立式較多。

2.2.2 本項(xiàng)目工藝介紹

隧道窯排煙溫度120～140℃，經(jīng)高效換熱器換熱升溫至160～170℃，在臥式燃?xì)鉄犸L(fēng)爐經(jīng)燃?xì)馊紵骷訜嵘?30℃，滿足低溫SCR催化劑的反應(yīng)溫度條件，經(jīng)噴氨格柵與混合氨氣一同進(jìn)入SCR反應(yīng)器。脫硝后的煙氣溫度因熱損失，溫度降到200～210℃左右，經(jīng)熱管換熱器熱交換降至140℃左右進(jìn)入后續(xù)工藝。

合適濃度的氨水溶液（質(zhì)量濃度20%）經(jīng)槽車(chē)卸入氨水儲(chǔ)罐。本工程設(shè)置1個(gè)氨水溶液儲(chǔ)罐（材質(zhì)為304不銹鋼，耐壓試驗(yàn)壓力0.2MPa，實(shí)際最高工作壓力0.03MPa），罐容積11m3，設(shè)置有2臺(tái)氨水泵（1用1備），經(jīng)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)將氨水輸送至氨水蒸發(fā)器。本項(xiàng)目氨水蒸發(fā)器采用的是引熱風(fēng)爐后熱煙氣加熱氨水并混合，蒸發(fā)混合后的稀釋氨氣（稀釋后的氨氣濃度降低至5%的安全濃度）經(jīng)緩沖罐送往噴氨格柵，噴氨格柵與SCR催化劑的距離不小于8m，并增加擾流器、整流格柵等設(shè)備，讓氨氣與待處理煙氣充分混合。此時(shí)的待處理煙氣是經(jīng)過(guò)低氮燃燒器加熱后的，煙氣溫度控制在230℃（設(shè)計(jì)調(diào)整范圍180～350℃），充分混合后的煙氣在催化劑的作用下，發(fā)生催化還原反應(yīng)，生成無(wú)害的氮?dú)夂退?，為防止煙氣中的飛灰堵塞催化劑孔道，在距離每層催化頂部500mm左右裝置一套聲波吹灰器，定期工作。

系統(tǒng)采用DCS控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，經(jīng)SCR系統(tǒng)處理后的煙氣通過(guò)換熱進(jìn)入脫硫塔。

2.2.3主要設(shè)備

（1）SCR反應(yīng)器

本項(xiàng)目SCR反應(yīng)器催化劑采用2+1方式布置，共設(shè)置3層模塊填裝層，本次填裝2層，每層3個(gè)模塊組共6m3催化劑，兩層共合計(jì)12m3。

反應(yīng)器從上到下依次為：煙氣進(jìn)口-整流格柵-催化劑層-催化劑層-預(yù)留層-煙氣出口。

每層催化劑體均設(shè)置安裝平臺(tái)及專(zhuān)用吊裝工具，方便填裝、更換。

（2）催化劑模塊參數(shù)

注：由于本項(xiàng)目SCR系統(tǒng)的煙氣未經(jīng)過(guò)脫硫，硫含量在100 mg/Nm3以上，每月一次將煙氣加熱至300℃以上，持續(xù)12h以上用來(lái)解析硫銨鹽。

1）催化劑外觀（單元、模塊），單元變形，幾何性能（單元、模塊）及理化性能偏差滿足GB31587-2015《蜂窩式煙氣脫硝催化劑》。

2）理論噴氨量值根據(jù)電廠經(jīng)驗(yàn)按照NOx中含有95%的NO和5%的NO2進(jìn)行計(jì)算。

3）方案數(shù)據(jù)表中的壓降是基于設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行核算的，因煙氣脫硝溫度、負(fù)荷等變化，壓降會(huì)有一定的波動(dòng)。

4）在第一層催化劑入口處煙氣與氨氣混合充分，且均勻分布于反應(yīng)器中：

速度最大偏差：平均值的±15%;

溫度最大偏差：平均值的±10℃;

氨氮摩爾比的最大偏差：平均值的±5%;

煙氣入射催化劑角度（與垂直方向的夾角）：±10。

為達(dá)到較高的脫硝效率，設(shè)計(jì)每個(gè)功能段時(shí)必須考慮以上因素，每個(gè)環(huán)節(jié)均優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）高效熱管換熱器

本項(xiàng)目采用的是重力熱管換熱器（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3）。

熱管換熱器的結(jié)構(gòu)有別于其他形式的換熱器，熱管內(nèi)蒸發(fā)段工質(zhì)受熱后將沸騰或蒸發(fā)，吸收外部熱源熱量，產(chǎn)生汽化潛熱，由液體變?yōu)檎羝a(chǎn)生的蒸汽在管內(nèi)一定壓差的作用下，流到冷凝段，蒸汽遇冷壁面及外部冷源，凝結(jié)成液體，同時(shí)放出汽化潛熱，并通過(guò)管壁傳給外部冷源，冷凝液靠重力（或吸液芯）作用下回流到蒸發(fā)段再次蒸發(fā)。如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部冷熱兩種介質(zhì)的熱量傳遞與交換。

熱管換熱器具有一些顯著特點(diǎn)：傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，換熱流體阻力損失小，外形變化靈活，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

1）熱管換熱器可以通過(guò)換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開(kāi)，在運(yùn)行過(guò)程中單根熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞時(shí)基本不影響換熱器運(yùn)行。熱管換熱器用于易燃、易爆、腐蝕性強(qiáng)的流體換熱場(chǎng)合具有很高的可靠性。

2）熱管換熱器的冷、熱流體完全分開(kāi)流動(dòng)，可以比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的逆流換熱。冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系數(shù)，用于品位較低的熱能回收?qǐng)龊戏浅＝?jīng)濟(jì)。

3）對(duì)于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的變化、擴(kuò)展受熱面等形式解決換熱器的磨損和堵灰問(wèn)題。

4）熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來(lái)調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開(kāi)最大的腐蝕區(qū)域。

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，本項(xiàng)目采用的翅片熱管換熱器主要參數(shù)：

基管：φ38×3，長(zhǎng)度4200mm，有效翅片長(zhǎng)度4000mm（上下各2000mm）

翅片：厚度1mm，高度15mm，間距10mm

總換熱面積1660㎡。

（4）煙道過(guò)濾裝置（此項(xiàng)為選配）

在方案準(zhǔn)備階段，用戶提出煙氣中含有部分絲絮狀固體雜質(zhì)，為避免堵塞催化劑孔道，在進(jìn)入SCR系統(tǒng)前，設(shè)置了機(jī)械過(guò)濾裝置，1開(kāi)1備，由壓力傳感器數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳入DCS系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)置檢修平臺(tái)，方便操作。

本裝置為濾網(wǎng)過(guò)濾，濾網(wǎng)采用304不銹鋼材質(zhì)，絲徑1.5mm，孔徑3.5mm。濾網(wǎng)前后分別配置電動(dòng)多頁(yè)閥，連鎖控制。

3 對(duì)比分析

目前常見(jiàn)的煙氣脫硝工藝主要分為還原法和氧化法。

氧化法脫硝使用臭氧、次氯酸鈉、雙氧水作為脫硝劑，運(yùn)行費(fèi)用高，且產(chǎn)生的副產(chǎn)物造成的二次污染難以處理，使用較少。

還原法主要為選擇性非催化還原SNCR和選擇性催化還原SCR工藝，SNCR工藝簡(jiǎn)單、投資較低但脫硝效率45%～55%，難以滿足超低排放指標(biāo)，同時(shí)有不少用戶反映窯內(nèi)噴氨存在影響產(chǎn)品質(zhì)量及窯內(nèi)工況的情況?，F(xiàn)在，中低溫SCR工藝成熟，脫硝效率大于90%，應(yīng)用廣泛，但受催化劑溫度窗的影響，在工業(yè)爐窯上應(yīng)用較少。

本次改造主要解決SCR催化劑反應(yīng)溫度的問(wèn)題，通過(guò)熱量補(bǔ)償?shù)姆绞?，將進(jìn)入脫硝反應(yīng)器的煙氣溫度升至220～240℃。同時(shí)回收尾部煙氣熱量，節(jié)約升溫能耗，實(shí)現(xiàn)高效脫硝。

整個(gè)工藝?yán)酶咝Q熱升溫，比直接升溫節(jié)約燃料45%～50%。本方案熱風(fēng)爐采用煙道式加熱，避免熱損失。

前期工藝計(jì)算數(shù)據(jù)，兩條窯爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)：

煙氣量32000Nm3/h、煙氣溫度140℃、加熱至220℃、天然氣熱值8500Kcal/Nm3。

1）不配置換熱器時(shí)，天然氣理論消耗量：104Nm3/h;

2）配置換熱器時(shí)，天然氣理論消耗量：52Nm3/h;

4 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果

項(xiàng)目建成后，系統(tǒng)投用時(shí)間為2020年2月12日，截止2020年4月1日，已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)50天（實(shí)際單條窯爐投用，煙氣量16000Nm3/h）。在運(yùn)行期間，出口NOx平均濃度10～15mg/Nm3（在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)），氨逃逸率3ppm，符合設(shè)計(jì)要求。

整套系統(tǒng)脫硝效率穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行狀況正常，能夠滿足氮氧化物超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，脫硝效率超過(guò)90%，實(shí)際天然氣平均耗量18Nm3/h，20%氨水消耗量1.5L/h。

5 節(jié)能效益

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用變溫?zé)崃炕厥帐綗煔饷撓豕に?，用于煙氣升溫的天然氣耗量?jī)H需直接升溫法天然氣耗量的50%。按照當(dāng)?shù)靥烊粴?元/Nm3計(jì)算，系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)運(yùn)行30d節(jié)省的天然氣費(fèi)用約為10.8萬(wàn)元（理論數(shù)據(jù)），5個(gè)月即可收回高效換熱器的投資。

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