選擇性催化還原法(SCR)催化劑在玻璃熔窯煙氣脫硝中的應(yīng)用研究
現(xiàn)如今玻璃在人們生活中無處不在，玻璃行業(yè)規(guī)模逐年壯大，尤以平板玻璃產(chǎn)量為最大，我國(guó)的平板玻璃產(chǎn)量已連續(xù) 26 年位居世界首位，截至2017年底，全國(guó)浮法玻璃生產(chǎn)線362條，產(chǎn)能12.95億重箱。其中，玻璃熔窯作為玻璃生產(chǎn)企業(yè)的核心，消耗70%以上的能源，同時(shí)也是造成污染物的主要排放來源。玻璃熔窯排放的煙氣成分復(fù)雜，內(nèi)含有大量粉塵顆粒物、硫氧化物(SOx) 和氮氧化物(NOx) 等污染物，對(duì)大氣造成了嚴(yán)重的污染。為了控制污染排放總量和濃度，促進(jìn)玻璃行業(yè)的節(jié)能減排，采取有效的煙氣治理措施已刻不容緩。
1 排放標(biāo)準(zhǔn)
近年來，為了嚴(yán)格控制污染物的排放，國(guó)家環(huán)保政策密集出臺(tái)，在此背景之下，玻璃行業(yè)能耗高、污染重的問題尤為突出，已成為我國(guó)大氣污染控制的重點(diǎn)行業(yè)之一。隨著日益嚴(yán)重的大氣污染問題，國(guó)家對(duì)各類工業(yè)鍋爐、工業(yè)窯爐粉塵及 NOx的排放限值要求日益嚴(yán)格。其中2011年發(fā)布的 GB26453－2011《平板玻璃工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，自2014年1月1日起玻璃熔窯顆粒物及NOx的排放限值分別為 50mg/m3和700mg/m3，具體見表 1。隨著環(huán)保法規(guī)的日益加碼，一些地方開始提前布局，像北京、河北、山東、天津等省市均制定了比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)的地方標(biāo)準(zhǔn)。
2 玻璃行業(yè)煙氣特點(diǎn)
玻璃行業(yè)既是耗能大戶，又是高污染行業(yè)，在平板玻璃配料、物料熔化和玻璃成型等生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生的大量煙氣污染物，排放的煙氣具有以下特點(diǎn):
(2) 出口煙溫高(400～550℃) ，玻璃熔窯煙氣帶走了 35%以上的熱量，為加強(qiáng)余熱利用，熔窯出口處一般接有余熱鍋爐;
(3) NOx含量高，玻璃熔化工藝溫度高達(dá)1500℃ 以上，高溫燃燒生成大量熱力型 NOx，遠(yuǎn)高于水泥、陶瓷等其他類型的工業(yè)熔窯產(chǎn)生的 NOx;
(4) 煙氣波動(dòng)大，玻璃熔窯在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)需要進(jìn)行換火操作，在此過程中，煙氣量和煙氣組分波動(dòng)較大，可導(dǎo)致窯內(nèi)溫度先迅速降低再迅速升高，容易出現(xiàn)氨逃逸或效率降低;
(5) 堿金屬、堿土金屬( Na鹽、K 鹽、CaO 等) 含量高，是催化劑中毒來源之一;
(6) 煙塵粒徑小、粘附性強(qiáng)和腐蝕性高，含有多種酸性氣體( HCl、HF 等) 。
3 玻璃熔窯煙氣脫硝的典型工藝
相比較燃煤機(jī)組煙氣脫硝，玻璃行業(yè)由于煙氣成分復(fù)雜等原因，凈化治理困難得多。目前玻璃行業(yè)除塵和脫硫工藝已經(jīng)較為成熟，基本上沒什么技術(shù)障礙，而玻璃行業(yè)煙氣脫硝工藝雖然較多，但大多工藝存在可行性不高、經(jīng)濟(jì)性差、運(yùn)行條件不確定等問題，其中應(yīng)用最廣、技術(shù)最為成熟的一項(xiàng)脫硝技術(shù)當(dāng)屬 SCR脫硝技術(shù)。SCR 脫硝技術(shù)是在催化劑的作用下，向煙氣中噴入還原劑( 氨水、液氨或尿素) ，還原劑在脫硝反應(yīng)器內(nèi)迅速分解，并選擇性地將廢氣中的 NOx還原生成對(duì)環(huán)境無污染的 N2及 H2O 從而實(shí)現(xiàn)降低 NOx排放量，反應(yīng)式如下:
4NO + 4NH3+ O2→ 4N2+ 6H2O
6NO2+ 8NH3→ 7N2+ 12H2O
常見的典型玻璃熔窯煙氣 SCＲ 脫硝工藝流程如圖 1 所示，尤其適用以石油焦、重油為燃料的復(fù)雜煙氣條件。玻璃熔窯出口煙氣(450～550℃) 首先進(jìn)入余熱鍋爐( Ⅰ段) ，回收熱量( 煙溫降至350～450℃) ; 然后煙氣通過高溫電除塵裝置，煙氣除塵( 煙溫降至300～420℃) 凈化后進(jìn)入 SCR反應(yīng)器，在 SCR反應(yīng)器中與氨反應(yīng)后將煙氣再次送至余熱鍋爐( Ⅱ段) 換熱，對(duì)余熱再次回收利用，后通過脫硫除塵工藝處理后到達(dá)煙囪，達(dá)標(biāo)排放。該工藝的優(yōu)勢(shì)在于:
(1) 利用余熱鍋爐進(jìn)行熱量回收，可實(shí)現(xiàn)能源再利用;
(2) 煙氣經(jīng)余熱鍋爐后，進(jìn)入 SCR反應(yīng)器時(shí)溫度正好又能滿足脫硝催化溫度;
(3) 脫硝前除塵，能有效降低煙氣中粉塵對(duì) SCR催化劑的毒化作用，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。
4 SCR催化劑
國(guó)內(nèi)玻璃熔窯大部分已啟動(dòng)了 SCR脫硝工程，其中 SCR催化劑是脫硝系統(tǒng)的核心，是決定著整個(gè)脫硝系統(tǒng)的關(guān)鍵，是關(guān)乎玻璃企業(yè)的效益、環(huán)保壓力，乃至企業(yè)生存的關(guān)鍵。目前在玻璃行業(yè)，SCR催化劑使用較多的是平板式催化劑和蜂窩式催化劑
平板式催化劑以不銹鋼網(wǎng)為骨架，采取雙側(cè)擠壓的方式將活性物質(zhì)( V2O5、MoO3等) 與金屬網(wǎng)柵結(jié)合成型，節(jié)距為 6.0～7.0mm，幾何比表面積相對(duì)較小，具有較強(qiáng)的抗磨損和防堵塞特性，適合于煤質(zhì)不穩(wěn)定、含灰量高及灰粘性較強(qiáng)的煙氣環(huán)境。同樣，由于基材使用鋼網(wǎng)和鋼板作為支撐性材料，不會(huì)產(chǎn)生坍塌等嚴(yán)重的環(huán)保事件，通用性強(qiáng)，適合于幾克到百克灰份。
(1) 長(zhǎng)條開孔，壓損小，抗堵灰能力強(qiáng)。平板式催化劑的節(jié)點(diǎn)少，飛灰在催化劑端面不易搭橋，同時(shí)平板式催化劑長(zhǎng)方形開口，具有彈性結(jié)構(gòu)。由單板組裝而成，板與板之間并沒有完全固定，在煙氣的流通中，板會(huì)有微小的顫動(dòng)，從而使飛灰不易聚集，減少了飛灰對(duì)催化劑的堵塞。蜂窩式催化劑模塊是將擠出的蜂窩單體組裝固定，為正方形開口，剛性結(jié)構(gòu)。每個(gè)單體都牢牢固定，在煙氣的流通過程中催化劑不會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，不僅使飛灰在其端面易搭橋聚集，同時(shí)固定的催化劑增加了飛灰與其直接摩擦的幾率，使得催化劑的磨損也嚴(yán)重。
在壓力損失方面，平板式催化劑也有顯著的優(yōu)勢(shì)。一般地說，在同一反應(yīng)器內(nèi)，平板式催化劑的孔隙率在 85%左右，蜂窩式催化劑的孔隙率在 70%左右，大孔隙率意味著小的壓力損失。
(2) 不銹鋼柵網(wǎng)做骨架，抗磨損能力強(qiáng)。蜂窩式催化劑以陶土作為催化劑載體，平板式催化劑以不銹鋼柵網(wǎng)為載體，煙氣中飛灰對(duì)催化劑的磨損是不可避免的，而且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，對(duì)催化劑的磨損也逐漸嚴(yán)重，如果沒有相應(yīng)的措施，會(huì)導(dǎo)致催化劑完全損壞。而平板式催化劑內(nèi)不銹鋼柵網(wǎng)可以有效保護(hù)催化劑免受煙氣中的飛灰對(duì)催化劑的進(jìn)一步磨損，不會(huì)對(duì) SCR系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。
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