SCR技术在玻璃行业的应用及脱硝催化剂

摘要：简单叙述了玻璃熔窑烟气特点、排放标准以及典型的烟气脱硝工艺,并对比分析应用于玻璃行业的两种常见类型SCR催化剂:蜂窝式和平板式,为业主在后期项目实施中提供参考。

0 引言

玻璃熔窑作为玻璃企业生产的核心，其中70%以上的能源都消耗在玻璃熔窑上，同时这也是大气污染物的主要排放来源。玻璃熔窑排放的烟气成分复杂，内含有大量颗粒物、硫氧化物（SO2）和氮氧化物（NOx）等污染物，对大气造成了严重的污染。为了控制污染物排放总量和浓度，促进玻璃行业的节能减排，采取有效的烟气治理措施已刻不容缓。

相比较成熟的燃煤机组烟气脱硝，玻璃行业由于烟气成分复杂等原因，净化治理困难得多。目前玻璃行业除尘和脱硫工艺已经较为成熟，烟气脱硝工艺虽然较多，但大多工艺存在可行性不高，经济性差、运行条件不确定等问题，其中应用最广、技术最为成熟的一项脱硝技术为SCR脱硝技术，已经在玻璃行业得到了广泛应用。

1 排放标准

近年来，随着环保要求的日益严苛，玻璃行业能耗高、污染重的问题越来越受到人们的重视， 为了严控污染物的排放， 2011年发布的GB 26453—2011《平板玻璃工业大气污染物排放标准》中规定：自2014年1月1日起新建平板玻璃窑炉烟气中颗粒物、SO2及NOx的排放限值分别为 50mg/m3、400mg/m3和700mg/m3。且面对近年来环保法规的日益加码，也让一些省份开始提前布局，如河北、山东、北京、天津等省市均制定了比国家标准更严的地方标准，具体见表1。

2 玻璃行业烟气特点

玻璃行业作为高污染行业，在玻璃配料、熔制和成形等过程中，会产生大量的污染物排放，玻璃熔窑排放的烟气具有以下特点：

（1）烟气出口温度高（400~550 ℃），玻璃窑炉烟气带走了35%以上的热量，为加强余热利 用，窑炉出口处一般接有余热锅炉；

（2）NOx含量高，玻璃熔化温度高达1500 ℃ 以上，高温燃烧产生大量热力型NOx；

（3）烟气波动大，玻璃熔窑在生产作业时

需要进行换火操作，在此过程中，烟气量和烟气组分波动较大，导致炉内温度先迅速降低再迅速升高，容易出现氨逃逸或效率降低；

（4）碱金属（Na盐、K盐等）、碱土金属（CaO等)含量高，烟尘粒径小、有一定黏附性和腐蚀性，含有多种酸性气体（HCl、HF等）；

（5）采用石油焦、重油、煤制气、天然气为燃料，导致烟气污染物的成分差异性较大。以石油焦、重油为燃料的生产企业，其排放烟气中主要污染物含有颗粒物、SO2和NOx，且排放浓度较高，明显高于以煤制气、天然气为燃料的玻璃窑炉烟气，同时烟尘碱金属含量高、黏性大，含有多种酸性气体等复杂成分。

3 玻璃熔窑烟气脱硝的典型SCR工艺

SCR（Selective Catalytic Reduction， 选择性催化剂还原法）脱硝技术具有脱硝效率高、技术成熟、运行可靠、装置结构简单、便于维护等特点，已成为玻璃烟气脱硝治理典型工艺，其脱硝原理是指在一定温度下，在催化剂的作用下，向烟气中喷入还原剂（氨水、液氨或尿素），还原剂在脱硝反应器内选择性地将废气中的NOx还原生成对环境无污染的N2及H2O，从而实现去除烟气中NOx排放的目的，其主要反应式为：

4NO＋4NH3＋O2→4N2＋6H2O

6NO2＋8NH →7N2＋12H2O

常见的典型玻璃熔窑烟气SCR脱硝工艺流程如图1所示，尤其适用以石油焦、重油为燃料的复杂烟气条件，是目前玻璃厂改造以及新建玻璃厂配套脱硝工程的首选方案。玻璃熔窑烟气（烟道出口的温度为450～550 ℃）首先进入余热锅炉（Ⅰ段），回收热量（烟气温度降至350～450 ℃）；然后烟气通过高温电除尘装置，烟气除尘（烟气温度降至300～420 ℃）净化后进入SCR反应器，在SCR反应器中与还原剂氨反应后将出口烟气再次送至余热锅炉（Ⅱ段）换热，再次回收余热，后通过脱硫除尘工艺处理后进入烟囱，达标排放。

该工艺的优势在于：①利用余热锅炉进行热量回收，可实现能源再利用；②烟气经余热锅炉后，进入SCR反应器时温度正好又能满足脱硝催化温度；③脱硝前除尘，能有效降低烟气中粉尘对SCR催化剂的冲刷及毒化作用，延长催化剂的使用寿命。

4 SCR催化剂

我国玻璃企业在国家环保的号召下，大多都已进行了SCR脱硝改造，其中SCR催化剂作为脱硝统的核心，占脱硝装置总投资成本的40%，是决定整个脱硝系统的关键，关乎玻璃企业的运行成本、环保效果。就目前玻璃行业运行业绩来说，平板式和蜂窝式两种类型SCR催化剂总和占玻璃行业烟气SCR脱硝市场份额的100%。平板式和蜂窝式催化剂的主要成份与反应原理是相同的，只是两者在结构形式存在差别。见图2和图3，分别为平板式和蜂窝式催化剂单元件，平板式催化剂模块一般由16个单元盒组成，蜂窝式催化剂模块一般由72根单元组成。

4.1 平板式催化剂

平板式催化剂以不锈钢网为骨架， 载体TiO2、V2O5 、MoO3或WO3等作为活性催化原料， 采取双侧挤压的方式将活性物质（V2O5、MoO3等）与金属网栅结合成型，具有较强的抗磨损和防堵塞特性，适合于煤质不稳定、含灰量高及灰粘性较强的烟气环境。同样，由于基材使用钢网和钢板作为支撑性材料，不会产生坍塌等严重的环保事件，通用性强，适于灰分含量范围广（几克～百克）。

4.2 蜂窝式催化剂

蜂窝式催化剂属于均质催化剂， 以TiO2、V2O5和WO3为主要成分，催化剂本体全部为催化剂活性材料，因此其表面遭到灰分等磨损后，仍然能够维持原有的催化剂性能。其特点是单位体积的催化剂几何比表面积大，催化活性相对较高，达到相同效率所用的催化剂体积较小。但由于蜂窝形状夹角较多，易堵灰，仅适合于低灰分、灰粘性小的烟气环境。

4.3 两种催化剂性能比较分析

两种催化剂性能对比分析见表2。

从表2中可以看出，与蜂窝式催化剂相比，平板式催化剂有如下优劣势：

（1）长条开孔，抗堵灰能力强板式催化剂由于特殊的开口结构（如图2）导致板式催化剂的节点少，飞灰在催化剂端面不易搭桥，同时板式催化剂是由单板组装而成，板

与板之间并没有完全固定，在烟气的流通中，板会有微小的颤动，从而是飞灰不易聚集，减少了飞灰对催化剂的堵塞。

蜂窝式催化剂模块是将挤出的蜂窝单体组装固定，每个单体都牢牢固定（如图3），在烟气的流通过程中催化剂不会发生抖动，不仅使飞灰在其端面易搭桥聚集，同时固定的催化剂增加了飞灰与其直接摩擦的机率，使得催化剂的磨损也严重。

（2）不锈钢栅网做骨架，抗磨损能力强烟气中的飞灰对催化剂的磨损是不可避免的，而且随着运行时间的增加，对催化剂的磨损也逐渐严重，如果没有相应的措施，会导致催化剂完全损坏。平板式催化剂内不锈钢栅网可以有效保护催化剂免受烟气中的飞灰对催化剂的进一步磨损，不会对SCR系统的安全运行产生影响。而蜂窝式催化剂为了增强催化剂的抗磨损性能，在催化剂的顶端增加了端面硬化部分， 大约2cm，当烟尘将端面硬化下方部位穿透后，催化剂会出现坍塌， 从而导致SCR运行存在安全隐患。

（3）几何比表面积小，体积量相对较多。蜂窝式催化剂比表面积较平板式催化剂大，导致在同等设计条件下所用的板式催化剂体积量较蜂窝催化剂要多，一般体积量为蜂窝催化剂的1.1～1.2倍，但在玻璃项目对催化剂总体积量需求不大，以及平板式催化剂采用大比表面积钛白粉作为原料的情况下，差距越来越小。

5 结语

（1） 平板玻璃熔窑烟气成分复杂， 具有NOx浓度高、有一定粘性等特点。

（2）面对玻璃熔窑在生产过程中产生大量NOx等大气污染物，SCR烟气脱硝技术具有脱硝X效率高、技术成熟等优点，在平板玻璃烟气脱硝治理上得到了广泛应用。

（3）结合玻璃熔窑运行及烟气特点选择合适的治理技术路线，使污染物排放浓度达标，选择“玻璃熔窑烟气+余热锅炉+电除尘+SCR脱硝+余热锅炉+脱硫+烟囱”工艺，具有环境效益，经济合理等优势。

（4）平板式催化剂具有长条开孔，孔隙率高、压损小，抗堵灰及抗磨损能力强等特点，在玻璃行业烟气治理中得到了广泛证明，为玻璃生产企业选择适合的、性价比高的SCR催化剂提供参考和借鉴。

延伸阅读：

玻璃熔窑烟气污染物深度减排技术研究与工程化应用