SCR脱硝技术在玻璃产业NOx治理应用中脱硝催化剂的典型问题分析

文_赵静波 东方凯特瑞（成都）环保科技有限公司

1 玻璃产业NOx来源

NOx的来源主要有三个方面：一是原料中硝酸盐分解；二是燃料中含氮物质的燃烧；三是助燃空气中氮的燃烧，由于炉窑的温度在1500 ～2000℃，大量热力型NOx生成，也是玻璃炉窑废气NOx浓度高的原因。

2 玻璃产业SCR脱硝技术的脱硝催化剂运行现状

通过多年对SCR 脱硝技术在玻璃产业NOx减排治理的应用跟踪，对玻璃产业中50 多台SCR 脱硝工程项目进行分析，分析不同燃料工况及工艺布置的催化剂应用情况，系统掌握目前SCR 脱硝技术的脱硝催化剂在玻璃产业应用存在的问题，具体情况如表1 所示。

从目前跟踪的玻璃产业NOx减排情况来看，目前存在的主要问题是催化剂的堵塞，导致SCR 脱硝系统频繁停机及排放不达标现象。燃料方面，主要的燃料有重油、石油焦粉、煤制气和天然气，煤制气受到地域的限制，主要在原产地附近的项目上燃用；重要和石油焦粉其燃烧产物的复杂性及环保的因素，逐步被天然气替代；天然气将成为玻璃产业主要的燃料。

表1 SCR脱硝技术脱硝催化剂在玻璃产业应用情况

工艺路线方面，主要的工艺布置是“余热+SCR 和余热+ESP+SCR”。初期治理阶段，由于对工艺路线认识不够，主要采用“余热+SCR”工艺，但运行过程中却出现了催化剂快速中毒和堵塞等问题。随着对应用的实践积累，工艺布置更倾向于“余热+ESP+SCR”，先除尘后再脱硝，减缓了催化剂的堵塞和延长催化剂的寿命，可实现24000h 的稳定运行。吹灰方面，吹灰器普遍采用压缩空气吹灰。

3 典型问题分析及相应对策

3.1 脱硝催化剂的设计分析

3.1.1 催化剂的衰减及寿命问题

玻璃产业中玻璃炉窑会生产大量用到纯碱（引入Na2O）、芒硝（引入Na2O）等含碱金属原料，烟气中的飞灰含有很高的钠物质，钠对SCRSCR 脱硝技术脱硝催化剂的中毒影响显著，同时飞灰的颗粒较小，黏性大，更易于堵塞催化剂的微孔。通过跟踪分析发现见图1，催化剂的活性衰减相对火电行业燃煤机组更急剧，燃用重油且未布置ESP 的应用工况下，脱硝催化剂运行至16000h 已达到性能临界点，而燃用天然气且布置有ESP 的应用工况下，脱硝催化剂运行至24000h 到达性能临界点。

图 1 不同燃料及工艺应用催化剂活性衰减趋势

3.1.2 催化剂的节距选取问题

玻璃炉窑烟气含尘浓度＜1000mg/Nm3，按常规催化剂设计经验，选取的催化剂型号在25 孔以下，然而在实际的项目应用过程中，25 孔催化剂出现较严重堵塞现象，主要是由于灰中含有高浓度的Na、Ca 等碱金属物质，黏性大，且灰粒径小（90%粒径分布＜30µm），增大了灰的粘附堆积几率。基于这一现象，考虑通过增大催化剂的通孔尺寸，选取20 孔以下的催化剂进行应用实践，催化剂的堵塞现象减少，但仍无法根本解决堵塞问题。从应用效果及经济性方面推荐玻璃炉窑催化剂应选取孔数小于20 孔的产品。

3.2 脱硝催化剂的堵塞及吹灰分析

3.2.1 催化剂的堵塞问题

玻璃炉窑SCR 脱硝催化剂应用过程中，催化剂堵塞问题一直是困扰玻璃产业应用的一大难题。产业减排初期，由于没有成熟的应用工程经验参考，相关公司和用户还处于摸索阶段，对反应器结构设计、吹灰器型式和催化剂节距的选取认识不足，导致SCR 脱硝系统频繁停机人工清灰清堵，影响了系统的正常运行。随着工程应用的不断摸索及改进，脱硝催化剂的适应性有较大提高，但催化剂的堵塞依然存在。催化剂的堵塞与燃料、工艺布置、飞灰特性、吹灰方式等因素有关，重点分析这些因素对脱硝催化剂的影响。

3.2.2 催化剂堵塞现象及形态

燃用重油和石油焦炉窑烟气中飞灰的浓度通常＞500mg/Nm3，成分较复杂，灰质黏性大，通常这些应用前端未布置ESP 装置，进入SCR 脱硝催化剂烟气中飞灰浓度大于500mg/Nm3，飞灰易于在脱硝催化剂迎风面粘附堆积如图2、图3 所示，催化剂背风面没发生粘附堆积情况如图4、图5 所示。

图2 脱硝催化剂迎风面飞灰粘附堆积

图3 脱硝催化剂背风面未出现飞灰粘附堆积

图4 脱硝催化剂迎风面飞灰粘附堆积

图5 脱硝催化剂背风面未出现飞灰粘附堆积

燃用煤制气或天然气炉窑烟气中飞灰浓度通常＜200mg/Nm3，成分相对简单，但其仍含有较高的碱金属物质，灰质黏性大，且灰粒径更小（90%粒径分布＜30µm）。通常这些应用前端布置ESP 装置，进入SCR 脱硝催化剂烟气中飞灰浓度＜50mg/Nm3。随脱硝催化剂接触的烟气中灰浓度小，但由于飞灰的黏性及粒径小的特性，脱硝催化剂迎风面仍出现飞灰粘附堵塞现象如图6 所示，脱硝催化剂背风面未出现粘附现象如图7 所示。

图6 脱硝催化剂迎风面飞灰粘附堆积

图7 脱硝催化剂背风面未出现飞灰粘附堆积

从玻璃炉窑催化剂的应用跟踪分析发现，在燃用重油或石油焦且未布置ESP 装置的工艺下，飞灰对脱硝催化剂的堵塞明显；在燃用天然气或煤制气且布置ESP 装置的工艺下，虽烟气中含尘浓度低，但仍出现飞灰粘附堵塞现象；共性特征是堵塞现象主要发生在脱硝催化剂的迎风端面浅层50cm区域内。

3.2.3 堵塞的对策分析

脱硝催化剂堵塞给玻璃炉窑SCR 脱硝系统带来性能不达标、压阻大、催化剂寿命低等系列问题。通过上述对玻璃炉窑飞灰特性、产品设计和运行跟踪分析发现，导致堵塞的原因不是脱硝催化剂选型不匹配或灰含量大，而是灰粘性大且粒径小的因素。解决堵塞最直接方式是吹灰，其他行业的吹灰经验由于工况和灰质的不同无法借鉴，只有通过不断探索及实践找出适合于该行业的吹灰方式。

目前成熟的吹灰方式有激波吹灰、声波吹灰、耙式蒸汽吹灰、耙式空气吹灰四种。激波吹灰由于其能量大，易损坏催化剂，不适用于脱硝催化剂；声波吹灰原理无法适用于黏性大的飞灰吹扫；耙式蒸汽吹灰因其对蒸汽的介质要求高，控制不好易出现带水而导致灰结块等问题；耙式空气吹灰因其介质廉价且易于满足吹灰品质要求，在玻璃产业得到广泛应用，但其适应性仍需要不断的探索。

3.2.4 吹灰强度研究分析

吹灰强度和吹灰效果呈正相关关系，吹灰强度越大，吹灰效果越好。但对于脱硝催化剂的吹扫不能越强越好，强度大会吹损催化剂。火电行业燃煤机组SCR 脱硝系统的吹扫压力为6bar，吹灰器距脱硝催化剂的表面不低于500mm，能确保催化剂不受到损伤。但该参数并不适合玻璃产业的吹灰，其强度无法清理掉脱硝催化剂表面堆积的黏性飞灰。为提升吹灰效果，通过降低吹灰高度至300mm，可实现飞灰的清除，但其高强度的吹扫会带来脱硝催化剂的损伤。

3.2.5 吹灰介质分析

脱硝催化剂是一种近似于陶状特征产品，当催化剂出现超过100℃的温度差时，会因收缩或膨胀形变不均匀而发生热应力破损，所以对吹灰介质的温度特性要求较严格，要求吹灰介质温度与催化剂的本体温度差不能大于100℃。

通过以上堵塞分析，清晰的认识到玻璃炉窑SCR 脱硝催化剂的堵塞主要发生在迎风面浅层区域，强力吹扫可以清理，但强力吹扫又带来催化剂损伤的问题。鉴于这些因素，通过在脱硝催化剂迎风面铺设一层高强度的陶瓷蜂窝载体如图8 所示，使堵塞发生在该高强度陶瓷蜂窝载体上，减少催化剂的堵塞；同时该高强度陶瓷蜂窝载体可以很好的保护催化剂免受强力冲刷，可进一步缩短吹灰距离，提高吹灰效果；另该陶瓷蜂窝载体便于拆卸清理如图9 所示，大大提高SCR 脱硝催化剂的清灰效率。

图8 脱硝催化剂表面铺设陶瓷蜂窝载体

图9 运行后拆卸下来的陶瓷蜂窝载体

4 建议

通过对SCR 脱硝技术在玻璃产业应用的跟踪研究，对应用过程中的典型问题进行分析，提出应用建议：①玻璃产业脱硝催化剂设计优先选择20 孔或18 孔催化剂，该产品既具有较佳的应用效果，又可兼顾投资的经济性。②燃料用重油和石油焦，SCR 反应器前端未布置ESP 装置，脱硝催化剂化学寿命按16000h 设计；燃用天然气和煤制气燃料，且SCR 反应器前端布置ESP 装置，脱硝催化剂化学寿命按24000h 设计。③由于玻璃炉窑烟气中飞灰成分复杂，碱金属含量高，黏性大，工艺路线尽量考虑飞灰对脱硝催化剂的影响，建议优先选择“余热+ESP+SCR”工艺。④吹灰优先选用压缩空气，需对吹灰介质进行加热，确保吹灰介质与脱硝催化剂本体温度不超过100℃，同时在催化剂表面增加可拆卸的陶瓷蜂窝载体，减缓催化剂堵塞和催化剂受强力吹扫冲击。