催化劑生產(chǎn)過(guò)程常見(jiàn)廢氣的處理工藝技術(shù)分析

作者： 邱海姬

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，催化劑的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。石油和化學(xué)工業(yè)是當(dāng)代社會(huì)最基本、最大的三大支柱 產(chǎn)業(yè)之一，而催化劑是石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的“心臟”，是生產(chǎn) 工藝的核心技術(shù)，石油化工生產(chǎn)過(guò)程離不開(kāi)催化劑，世界上 90% 的化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)離不開(kāi)催化劑。雖然催化劑在現(xiàn)代化 學(xué)工業(yè)中占有著極其重要的地位，但作為一種化學(xué)原料，其 生產(chǎn)過(guò)程的污染排放控制亦不可忽視。本文主要分析環(huán)境影 響評(píng)價(jià)工作中所碰到的幾種不同類(lèi)型的催化劑，其在生產(chǎn)過(guò) 程中產(chǎn)生的廢氣排放情況及廢氣處理工藝技術(shù)分析。 1 催化劑類(lèi)型及廢氣排放種類(lèi) 催化劑的分類(lèi)主要包含金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、 酸式催化劑、堿式催化劑等，本文所涉及的幾種催化劑類(lèi)型 及產(chǎn)生廢氣的類(lèi)型見(jiàn)表1。

一、催化劑類(lèi)型及廢氣排放種類(lèi)

催化劑的分類(lèi)主要包含金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、 酸式催化劑、堿式催化劑等，本文所涉及的幾種催化劑類(lèi)型 及產(chǎn)生廢氣的類(lèi)型見(jiàn)表1。

從上述四類(lèi)催化劑產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程廢氣污染物排放情況分 析，常見(jiàn)廢氣排放主要有顆粒物、NOx、NH3等，NOx 包含 N2O、NO 和 NO2。

2 常見(jiàn)廢氣處理工藝技術(shù)分析

2.1 顆粒物

含塵廢氣常見(jiàn)的除塵方法有布袋除塵、旋風(fēng)除塵和電除塵等。布袋除塵用以捕集非黏結(jié)非纖維性的工業(yè)粉塵，捕獲 粉塵微粒可達(dá)0.1μm，除塵效率可達(dá)99％以上 ；旋風(fēng)除塵適 用于凈化5~10μm 的非黏性、非纖維的干燥粉塵。近年來(lái)經(jīng) 改進(jìn)后的特制旋風(fēng)除塵器，其除塵效率可達(dá)95％以上，是一 種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、耐高溫、設(shè)備費(fèi)用和阻力較低的凈 化設(shè)備 ；電除塵方法優(yōu)點(diǎn)是凈化效率高，能夠鋪集0.01μm 以 上的細(xì)粒粉塵，缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜，設(shè)備調(diào)運(yùn)和安裝以及維 護(hù)管理水平高。 催化劑生產(chǎn)過(guò)程中，含塵廢氣主要來(lái)自原料投料、輸送 及產(chǎn)品包裝過(guò)程，根據(jù)廢氣特性，一般選用布袋除塵進(jìn)行處理。 布袋除塵器是一種傳統(tǒng)高效除塵器，具有除塵效率高，處理 風(fēng)量的范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)操作方便，對(duì)粉塵特性不敏 感、不受粉塵及電阻影響等特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)通用的粉塵治理措 施，技術(shù)成熟可靠。其作用原理是粉塵在通過(guò)濾布纖維時(shí)因 慣性作用與纖維接觸而被攔截，濾袋上收集的粉塵定期清除， 適用于捕集細(xì)小、干燥、非纖維性粉塵。其過(guò)濾效率主要依 賴(lài)于濾袋，一般清潔濾袋的過(guò)濾效率最低，濾袋表面積塵后， 過(guò)濾效率提高，除塵效率一般在99% 以上，且顆粒物粒徑越大， 去除效率越高。通過(guò)采用先進(jìn)的過(guò)濾材料和安裝技術(shù)，可以 實(shí)現(xiàn)顆粒物的高效凈化，將顆粒物排放濃度控制在幾 mg/m3 的排放水平。根據(jù)某企業(yè)安裝的布袋除塵器連續(xù)三年日常監(jiān) 測(cè)結(jié)果，顆粒物排放濃度基本控制在3mg/m3以下的較低水平。 根據(jù)生產(chǎn)工藝及原料的不同，部分含塵廢氣中可能還含 有重金屬物質(zhì)，需嚴(yán)格控制，為確保含重金屬塵廢氣的達(dá)標(biāo) 排放，可在布袋除塵器尾氣末端設(shè)置中效 / 高效空氣過(guò)濾器。 高效空氣過(guò)濾器主要用于捕集0.5μm 以下的微粒，是由濾芯、 框架和密封墊組成，按 GB6165規(guī)定的方法檢驗(yàn)，其透過(guò)率不 高于0.1%（即效率不低于99.9%）或?qū)α酱笥诘扔?μm 微 粒的計(jì)數(shù)透過(guò)率不高于0.001%（即效率不低于99.999%）的過(guò) 濾器 [1]。

2.2 NOx廢氣

催化劑生產(chǎn)過(guò)程的 NOx 廢氣，根據(jù)原料及工藝的不同， 主要包含 N2O、NO 和 NO2。

2.2.1 N2O的處理

N2O 末端廢氣處理主要有 2 種方式 ：N2O 催化裂解法、 N2O 催化還原法，其中 N2O 催化還原法包括選擇性非催化還 原法（SNCR 法）和選擇性催化還原法（SCR 法）。各處理方 法的特點(diǎn)見(jiàn)表2。

N2O 熔點(diǎn) -90.8℃，沸點(diǎn) -88.5℃，在加熱到400℃時(shí)，開(kāi) 始發(fā)生裂解，溫度升高，裂解速率加快，裂解轉(zhuǎn)化率增加， 在加熱至500℃時(shí) N2O 明顯分解。反應(yīng)原理如下 ：

??? 2N2O 2N2+O2 催化效率的高低取決于溫度及催化劑用量。在確保催化 劑用量的情況下，N2O 催化裂解效率能達(dá)到98% 以上。推薦 采用電加熱方式，內(nèi)設(shè)熱量?jī)x表，確保穩(wěn)定的裂解溫度及裂 解效率。

2.2.2 NO和NO2的處理

NO 和 NO2廢氣處理一般有 ：吸收法、吸附法、電子輻射 法和催化法。 吸收法在 NO 和 NO2兩種廢氣以一定比例存在的情況下， 對(duì) NOx 有較高的去除率 ；吸附法目前在 NOx 廢氣處理方面應(yīng) 用不廣泛 ；電子輻射法由于能耗較高、設(shè)備投資大、運(yùn)行費(fèi) 用高，抑制了在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用。 催化法脫氮具有快速、高效等優(yōu)點(diǎn)，分為選擇性催化還 原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）等兩種，目前實(shí)現(xiàn) 工業(yè)化應(yīng)用的，脫除固定源廢氣中的 NO 的方法為，以 NH3 為還原劑的 SCR 法。 SCR 是成熟高效的脫硝技術(shù)，可以用于 SCR 還原劑的原 料有三種 ：液氨、尿素和氨水。液氨系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、系 統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，但氨是具有可燃、易爆特性的 有毒物質(zhì)，使用過(guò)程需加強(qiáng)管理，注意防范污染控制和環(huán)境 風(fēng)險(xiǎn)。尿素是一種穩(wěn)定、無(wú)毒的固體物料，可以散裝運(yùn)輸并 長(zhǎng)期儲(chǔ)存，但其投資和運(yùn)行成本高于液氨系統(tǒng)，尿素可分解 出 NH3與 NOx 反應(yīng)，達(dá)到脫硝效果。氨水脫硝由于存在含水 問(wèn)題，運(yùn)行能耗較高，其安全性介于液氨系統(tǒng)和尿素系統(tǒng)之間。 本文主要對(duì)選擇尿素作為 SCR 裝置的還原劑時(shí)，裝置處理效 果分析。廢氣在 SCR 裝置中的運(yùn)行過(guò)程為 ：廢氣→主抽風(fēng)機(jī)→氣 – 氣換熱器→電加熱器→尿素噴入→混合器→ SCR 反應(yīng)器→氣 – 氣換熱器→煙囪。 （1）氣 – 氣換熱 經(jīng)過(guò)除塵處理后的廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)輸送進(jìn)入氣 – 氣換熱器內(nèi) （板式換熱器），與催化反應(yīng)器出來(lái)的處理尾氣（260℃）換熱， 提高廢氣溫度至160℃后進(jìn)入催化反應(yīng)器。 催化反應(yīng)器內(nèi)催化劑可采用鎳、銅等的氧化物，催化劑 改變化學(xué)反應(yīng)速度而本身又不參與反應(yīng)，反應(yīng)前后基本沒(méi)有 消耗，使用壽命長(zhǎng)，但催化劑在使用過(guò)程中，可能發(fā)生毒化、 阻塞現(xiàn)象，一般3~5a 需更換一次。 （2）電加熱器加熱 經(jīng)過(guò)氣 – 氣換熱器換熱后的廢氣再通過(guò)電加熱器加熱到 SCR 所反應(yīng)溫度（260℃左右）。 （3）還原劑的混合 加熱后廢氣進(jìn)入還原劑混合器內(nèi)，尿素溶液與壓縮空氣 充分混合，進(jìn)入混合器，混合器設(shè)有二流體霧化器，使尿素溶液霧化成極小顆粒的液滴，并分解為 NH3和 CO2，至 SCR 反應(yīng)器。 （4）SCR 凈化處理 NOx 廢氣加入還原劑后進(jìn)入 SCR 反應(yīng)器內(nèi)，廢氣中的 NOx 與 NH3在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為無(wú)害的 N2與 H2O，從而實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。反應(yīng)方程式如下 ： NO2+NO+2NH3=2N2+3H2O 4NO+O2+4NH3=4N2+6H2O 2NO2+O2+4NH3=3N2+6H2O SCR 反應(yīng)器出口可設(shè)置 NOx 濃度在線監(jiān)測(cè)儀及 NH3在線 監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)檢測(cè) NOx、NH3排放濃度，NOx 濃度在線監(jiān)測(cè)儀 設(shè)負(fù)反饋聯(lián)動(dòng)，一旦 NOx 排放濃度高于排放限值，則系統(tǒng)會(huì) 自動(dòng)調(diào)整尿素供應(yīng)管線上的調(diào)節(jié)閥來(lái)增加尿素加入量。尿素 投加由一套定量給料系統(tǒng)完成。尿素溶液通過(guò)給料泵輸送到 霧化器內(nèi)，與壓縮空氣混合后通過(guò)噴嘴噴射進(jìn)入混合器內(nèi)與 廢氣混合。尿素溶液給料管道上設(shè)置有氣動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥和壓 力變送器，氣動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥根據(jù) NOx 在線監(jiān)測(cè)儀反饋的數(shù)據(jù) 自動(dòng)控制閥門(mén)的開(kāi)度，來(lái)調(diào)節(jié)尿素溶液的流量。同時(shí)，給料 泵通過(guò)壓力變送器反饋的壓力數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，保證 輸送管內(nèi)的壓力均衡。通過(guò) NOx 濃度在線監(jiān)測(cè)及負(fù)反饋裝置， 可控制尿素平穩(wěn)投加。在 NH3/NOx 的摩爾比為1時(shí)，NOx 的脫 除率可達(dá) 90%，NH3的逃逸量控制在5mg/L 以下 [2]。 根據(jù)某采用 SCR 裝置處理 NOx 廢氣的催化劑實(shí)驗(yàn)裝置連 續(xù)6個(gè)月的 NOx 排放濃度曲線（見(jiàn)圖1），NOx 排放濃度基本 在30~50mg/m3。（5）NH3逃逸控制措施 ①在裝置出口安裝 NOx、NH3濃度在線監(jiān)測(cè)儀。 ②在尿素投加泵上設(shè)置氣動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥和壓力變送器，與 SCR 單元出口 NOx、NH3濃度在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行連鎖控制，根據(jù) NOx 在線監(jiān)測(cè)儀的反饋數(shù)據(jù)自動(dòng)控制閥門(mén)的開(kāi)度，以準(zhǔn)確控制 尿素投加量，盡量減少尿素的過(guò)量比例。 ③尿素給料泵通過(guò)壓力變送器反饋的壓力數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié) 運(yùn)行頻率，保證輸送管內(nèi)的壓力均衡。 ④在 SCR 單元與加熱器之間設(shè)溫度連鎖與報(bào)警裝置， SCR 溫度波動(dòng)到設(shè)定范圍時(shí)，視為尿素投加系統(tǒng)發(fā)生故障， 立即停止所有工藝進(jìn)料，關(guān)閉電加熱及尿素投加閥，防止 NH3 排放超標(biāo)。 ⑤在 SCR 單元后設(shè)置水洗、酸洗等廢氣處理裝置作為保 障措施。 2.3 NH3廢氣 處理 NH3廢氣常用方法為水吸收和酸吸收，氨氣極易 溶解于水，常壓下溫度為10℃時(shí)氨氣在水中的溶解度可達(dá) 1 ∶ 700，但氨氣溶于水時(shí)會(huì)釋放大量的熱量，使得水的溫度 會(huì)隨著氨氣的不斷溶解而不斷升高，氨氣在水中的溶解度也 因此大幅下降使原本溶解在水中的氨氣重新溢出 [3]，因此，采 用酸洗塔處理效果較好，反應(yīng)方程式如下 ： 2NH3+H2SO4 →（NH4）2SO4 酸洗塔內(nèi)部一般設(shè)有備用泵，電源連接與廠區(qū)備用電源， 以確吸收塔穩(wěn)定運(yùn)行。吸收塔設(shè)自動(dòng) pH 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及加藥系統(tǒng)， 保持 pH 在2~3，確保 NH3有效去除。某企業(yè)采用酸洗塔對(duì) 含氨廢氣進(jìn)行處理，根據(jù)其連續(xù)三年日常監(jiān)測(cè)情況，氨的排放濃度為0.86~2.33mg/m3。 總的來(lái)說(shuō)，堿性氣體采用酸液噴淋吸收法工藝成熟，只 要在運(yùn)行過(guò)程中確保工藝參數(shù)在設(shè)定的范圍內(nèi)，吸收液循環(huán) 使用，并連續(xù)排放和補(bǔ)充，保持吸收效果，污染物的去除效 率可基本維持不變，保證了排氣穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

石油和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)催化劑的使用，而催化劑 生產(chǎn)過(guò)程所排放的顆粒物、NOx，由于其對(duì)環(huán)境和人體健康的 危害性，已被列入國(guó)家污染物排放總量控制計(jì)劃，企業(yè)應(yīng)注意根據(jù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)文件的要求，強(qiáng)化環(huán)保措施及環(huán)境管理， 使環(huán)保措施得到有效監(jiān)管，并能通過(guò)及時(shí)信息反饋，保證環(huán) 保措施有效穩(wěn)定運(yùn)行，確保各廢氣污染物達(dá)標(biāo)排放。

參考文獻(xiàn)

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