硝酸生產(chǎn)尾氣治理裝置試運(yùn)行總結(jié)研究

劉 勛

（華陽新材料集團(tuán)新能源蓄能新材料事業(yè)部，山西 陽泉 045000）

引言

一直以來，污染物排放是擾動生態(tài)系統(tǒng)的重要來源。在硝酸生產(chǎn)活動中，涉及到硝酸鈉與亞硝酸鈉的問題，而為降低生產(chǎn)尾氣內(nèi)的NOx，對大氣環(huán)境造成的不利影響，需配備尾氣治理裝置，以提升化工行業(yè)生產(chǎn)的清潔度。

1 硝酸生產(chǎn)工藝

現(xiàn)有硝酸生產(chǎn)工序較多，綜合各因素的優(yōu)劣情況，全中壓法以及雙加壓法是相對較好的方法。以后者為例，該項工藝的技術(shù)特征包括：

其一，氨的應(yīng)用率佳。在氧化爐上方布置專用的氣流分布裝置，提升氣體在鉑網(wǎng)上分布均勻性，控制各點之間的溫度差，并且點火選擇回轉(zhuǎn)燃?xì)潼c火裝置，提升氨轉(zhuǎn)化程度。在中壓條件中，氧化不會提升對氨的消耗量，而且高壓環(huán)境下，也保持幾乎相同的利用率。

其二，鉑耗量少。結(jié)合技術(shù)運(yùn)用的經(jīng)驗現(xiàn)實，氨氧化中的壓力值不足0.55 MPa 時，該物質(zhì)的流失量相對偏低，并且因為壓力值提高，對鉑耗用量的影響也并不大。再加上氨空混合裝置的特殊結(jié)構(gòu)，二者混合效果較佳，搭配高精度的氣體分布裝置，所以，鉑消耗量較少。

其三，吸收率優(yōu)。成品酸屬于高濃度，在吸收環(huán)節(jié)中，設(shè)置1.1 MPa 壓力值，改善NO 的氧化效果。設(shè)計期間，借助管道和裝置穩(wěn)定銜接，讓注入吸收塔的NO，其氧化率可接近98%，再加上氨蒸發(fā)形成低溫水，用于冷卻水，提高物質(zhì)使用率，成品濃度超過60%。

其四，尾氣內(nèi)NOx濃度低。借助液氨蒸發(fā)冷量，控制吸收塔溫度。在高壓環(huán)境下，讓NOx濃度下降。

其五，熱能回收率高，實現(xiàn)生產(chǎn)內(nèi)部的自給有余。為有效應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能，會選擇提升產(chǎn)汽的效果，通過尾氣回收設(shè)備保留熱能。

其六，設(shè)備自動化性能佳，有較高的安全保證。配置集中式管理。

其七，硝酸生產(chǎn)費(fèi)用少，勞動效率高，因為技術(shù)手段比較成熟，成品質(zhì)量高，部分物質(zhì)消耗量少，使得此生產(chǎn)工藝的成本投入少[1]。

2 硝酸尾氣治理裝置的試運(yùn)行總結(jié)

以催化還原法為例，分析治理硝酸生產(chǎn)尾氣的相關(guān)技術(shù)裝置的運(yùn)行效果。探討了硝酸尾氣處理的方式。SCR 為其處理方式，還原劑是NH3，受到催化的影響，有選擇地和尾氣內(nèi)NOx接觸，進(jìn)行還原反應(yīng)，形成氮?dú)饧八畠煞N物質(zhì)，并可能形成副反應(yīng)。未添加催化劑的反應(yīng)條件下，還原反應(yīng)僅能在較小的溫度浮動范圍內(nèi)實現(xiàn)。而在添加適宜的催化劑后，可對NOx的分解反應(yīng)活化能造成影響，溫度條件最終下降到150 ℃～450 ℃。為確保治理硝酸生產(chǎn)尾氣裝置中的氮氧化物能完全被還原劑清理掉，同時還要把握好溫度條件，讓還原劑盡可能不和氧氣反應(yīng)。所以，在催化還原法下，通常要保證反應(yīng)過程中的溫度不能超過300 ℃，同時確保必要反應(yīng)能正常進(jìn)行。此處治理方式下，能控制尾氣中NOx含量。

2.1 脫銷反應(yīng)

還原劑與NOx受到催化劑作用下進(jìn)行反應(yīng)的關(guān)鍵步驟有：還原劑借助氣相擴(kuò)散，來到催化劑的表面；還原劑從表層逐漸往催化劑的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散；還原劑吸附于活性中心處；NOx由氣相擴(kuò)散至吸附態(tài)的還原劑表層；還原劑與NOx逐漸發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氮?dú)馀c水；反應(yīng)后形成的兩類物質(zhì)，借助微孔擴(kuò)散至催化劑的表層，并逐漸擴(kuò)散至氣相主體[2]。

在治理硝酸生產(chǎn)尾氣的裝置中，主反應(yīng)發(fā)生于催化劑的表層，并且該物質(zhì)及外在面積與微孔情況，直接決定其反應(yīng)活性。對于上文所述的各個反應(yīng)環(huán)節(jié)來看，NOx由氣相主體逐漸擴(kuò)散至催化劑還原劑的表層過程中，速率是相對偏慢的，屬于重點控制環(huán)節(jié)。另外，如果反應(yīng)中的溫度條件不足300 ℃，以及空塔速度處于10 000 h-1～50 000 h-1，進(jìn)口尾氣的NOx體積分?jǐn)?shù)不足1 000 cm3/m3的情況下，整個脫硝反應(yīng)中，活化能在18 kJ/mol 左右。

2.2 治理方式

以某石化企業(yè)為例，裝備兩組雙加壓的硝酸生產(chǎn)設(shè)備，尾氣排放量的理論值達(dá)到2×105m3/h，NOx的質(zhì)量濃度在200 mg/m3～300 mg/m3，原本是超過相關(guān)規(guī)定的。以其中一組生產(chǎn)設(shè)備為例，其尾氣排放情況，如表1 所示。

表1 尾氣排放情況

該化工企業(yè)運(yùn)用催化還原法，對硝酸生產(chǎn)的尾氣加以治理，選擇FN-1 型的催化劑。在尾氣內(nèi)NOx的質(zhì)量濃度在500 mg/m3～2 000 mg/m3條件下，尾氣治理效果能達(dá)到80%～95%，而且排出的氣體中NOx質(zhì)量濃度不會超過100 mg/m3，有效保障工業(yè)生產(chǎn)的污染物控制標(biāo)準(zhǔn)。此項脫硝方式，可概括出幾項特點。首先，催化劑整體為蜂窩狀，同時壓降偏低，強(qiáng)度比較突出，軸向可抵抗的壓力強(qiáng)度至少能達(dá)到15 MPa，并且徑向的抗壓水平也能達(dá)到2 MPa，和常規(guī)的催化劑相較，有更好的可用性，應(yīng)用范圍較大。另外，在耐硫方面，也有較好的表現(xiàn)。處于正常反應(yīng)溫度情況下，在SOx的濃度滿足 的條件中，催化劑依舊可維持原本的活性。實際脫硝水平在95%左右，而且SOx的轉(zhuǎn)化率極低。其次，反應(yīng)裝置中，噴氨部件可確保尾氣和氨氣能勻稱混合；第一個催化劑床層，規(guī)格分布差值不大，可有效預(yù)防氨氣泄露。另外，反應(yīng)器中還設(shè)有內(nèi)構(gòu)件，控制尾氣的流速及分布情況，避免出現(xiàn)明顯偏差。最后，低壓降的催化劑和內(nèi)構(gòu)件有效配合，使得整個反應(yīng)裝置的實際壓降不會超過4.5 kPa。

2.3 裝置運(yùn)行

該尾氣治理裝置包括氨蒸發(fā)器以及氨氣緩沖罐各一個，搭配2 個脫硝反應(yīng)器。具體的尾氣處理程序是：氨氣供應(yīng)部分，涉及到液氨蒸發(fā)裝置、氨氣緩沖罐以及氣體混合裝置、噴淋冷卻等構(gòu)成。從外部注入液氨，通過蒸發(fā)形成氣態(tài)的氨。該氣體在進(jìn)入緩沖罐逐漸穩(wěn)壓后，會轉(zhuǎn)移至混合裝置，和待處理尾氣進(jìn)行混合。在脫硝反應(yīng)部分，其運(yùn)行流程圖如圖1 所示。通過混合器后，氣體實現(xiàn)充分混合，一同來到反應(yīng)器中。設(shè)置好反應(yīng)溫度條件后，再加上催化劑作用，形成氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氮?dú)饧八?，把?jīng)過凈化后的氣體，傳送至膨脹機(jī)，集中收取殘留的熱量。

圖1 脫硝運(yùn)行流程圖

該尾氣治理方式下，相關(guān)的運(yùn)行條件和裝置包括：氨蒸發(fā)器的溫度在80 ℃～90 ℃，氨氣緩沖罐內(nèi)的壓力在0.9 MPa～1.2 MPa，最終脫硝反應(yīng)裝置中，壓力值不會超過7 kPa。

2.4 運(yùn)行效果

此次治理裝置試運(yùn)行后，所得的脫硝處理效果滿足前期制定標(biāo)準(zhǔn)。排出尾氣的NOx質(zhì)量濃度甚至達(dá)到50 mg/m3左右，氨氣外放量也得到有效控制。符合國際及當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。硝酸生產(chǎn)的尾氣處理之前工況是：兩組生產(chǎn)設(shè)備的尾氣流量是小時2×105m3/h，并且尾氣溫度大體上處于300 ℃～400 ℃，尾氣內(nèi)NOx的質(zhì)量濃度在300 mg/m3～400 mg/m3。經(jīng)過上述處理后，NOx的質(zhì)量濃度基本不會超過100 mg/m3。

運(yùn)用催化還原技術(shù)的尾氣治理裝置，經(jīng)此次試運(yùn)行后，也發(fā)現(xiàn)其中的問題。簡單來說，液氨蒸發(fā)器運(yùn)用濃硝酸設(shè)備形成的熱水泵跳閘，未能有效重啟，一旦出現(xiàn)聯(lián)鎖情況，會導(dǎo)致整個生產(chǎn)機(jī)組全面停機(jī)。通過實地檢查后，未出現(xiàn)損壞的設(shè)備。此外，該裝置在使用一段時間后，會發(fā)生酸泵跳閘后，無法重啟的問題。而且在現(xiàn)場查看后，不包括變頻裝置報警信號在內(nèi)，其余部分均未出現(xiàn)異常。并且通過人工操作重啟后，能恢復(fù)到原本的運(yùn)行狀態(tài)，絕大部分的指標(biāo)均能處于設(shè)定區(qū)間內(nèi)，但在從變頻器輸出的信息來看，自動重啟的情況是有出現(xiàn)過的，結(jié)果均是以失敗告終。通過相關(guān)專業(yè)人士的分析，得到的結(jié)論是：在各工況及運(yùn)行時間中，酸泵負(fù)荷情況有較大的不同。對此，改變變頻裝置自動復(fù)位的間隔時長，有效解決該問題[3]。

3 結(jié)語

運(yùn)用催化還原法處理硝酸尾氣中，除了保持運(yùn)行的可靠性，還需考慮后期正式使用的運(yùn)維問題。根據(jù)設(shè)置運(yùn)行程序，實施全過程的自動監(jiān)測，確定安全聯(lián)鎖的性能，以免引發(fā)嚴(yán)重事故。