余热锅炉氨逃逸问题分析与对策研究

某石化公司催化裂化装置烟气脱硝装置自 2016年 10月投产以来，已连续运行2.5ａ。在运行后期出现氨逃逸升高，出口NH３体积分数高于 60μＬ/Ｌ，导致烟气脱硫系统外排水氨氮含量偏高。通过分析氨逃逸产生的原因，提出了脱硝入口NOｘ质量浓度由 200ｍｇ/ｍ3提高至470ｍｇ/ｍ3、两炉分别增设烟气出口分析系统、脱硝床层增设采样点、更换喷氨流量计等措施，使得出口NH３体积分数由 60μＬ/Ｌ降至 20μＬ/Ｌ，下游烟气脱硫装置外排水氨氮质量浓度由280ｍｇ/Ｌ降至 120ｍｇ/Ｌ，烟气脱硝装置氨逃逸得以控制。

为使催化裂化装置外排烟气中NOｘ浓度满足 ＧＢ31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》中NOｘ质量浓度不高于 100ｍｇ/ｍ3（干基）的要求（2017年 7月 １日起施行），某石化公司组织实施催化裂化装置烟气脱硝项目，该项目采用托普索公司的 SCR（选择性催化还原）脱硝技术，同时对两台余热锅炉进行配套改造。项目建成后，可减少NOｘ排放 841.2ｔ/ａ。截至目前，该余热锅炉已连续运行 2.5ａ，在运行后期，由于余热锅炉脱硝模块氨逃逸导致烟气脱硫外排水氨氮含量升高。

１ 烟气脱硝原理及特点

经余热锅炉燃烧后的烟气中含有大量氮氧化物，是造成大气污染的重要前体物，也是环保重点控制项目。SCR技术是目前烟气脱硝的主流技术。该技术通过在烟气中注入还原剂氨，氨挥发后和空气混合喷入反应模块，在催化剂的作用下选择性地与烟气中的NOｘ发生化学反应，生成对环境无害的N２和 H２O，脱硝效率可达80％以上，不会形成二次污染。主要化学反应式如下：

ＮＯｘ去除率取决于加入氨的量（表示为氨氮摩尔比），在高的氨氮摩尔比下，可以达到很高的ＮＯｘ去除效率，但同时会增大氨逃逸。脱硝催化剂的主要成分为V２O５／TIO２，最佳催化反应温度区间为 300～420℃。在运行过程中，由于氨氮不完全反应或者催化剂模块安装不够密封，剩余的ＮＨ３逃逸出催化剂床层，形成烟气中剩余 ＮＨ３的体积浓度，被称为氨逃逸量。氨逃逸量是衡量SCR运行状况最重要的指标之一。

２ 问题分析

２．１ 催化剂再生过程产生氨

原料中的含氮类物质经提升管反应器后，一部分随油气进入分馏系统，另一部分随待生催化剂进入再生器。催化剂再生时，分为贫氧再生和富氧再生。贫氧再生时，焦炭燃烧生成大量还原性的CO，此时含氮类物质生成还原态的HCN和氨气；催化剂富氧燃烧时，通过鼓入过量空气，焦炭充分燃烧生成CO２，含氮类物质充分燃烧生成NOｘ，反应机理如下。

烟气在进入余热锅炉前就可能携带氨气，由于携带量较小，且脱硝反应器入口CEMS并未设有氨气检测功能，所以，若烟气中携带的氨气量大于脱硝反应所需要的氨气量，就会直接导致氨逃逸升高。

２．２ 两炉喷氨无法准确控制

由于设计原因，催化裂化装置两台余热锅炉只在烟气总出口线上设置了NOｘ分析系统，未在两台锅炉烟气出口单独设置NOｘ分析系统。在操作 中，首 先 要 确 保 外 排 烟 气NOｘ排 放 满 足ＧＢ31570—2015要 求。若 分 布 式 控 制 系 统（DCS）显示外排烟气NOｘ升高，由于无法确定是哪一台锅炉造成的NOｘ升高，不得不对两台锅炉都进行喷氨，只是对喷氨量大小进行控制，此时外排烟气NOｘ含量随之下降，但多余的氨随烟气进入烟气脱硫装置，造成氨逃逸。表 １为对两台余热锅炉在不同操作条件下进行的喷氨试验。

表 １ １号炉运行工况

表 ２ ２号炉运行工况

从表 １、表 ２可见，１号炉出口氨含量较高，也就是氨逃逸量较高。

２．３ 测量失准造成氨逃逸偏高

脱硝装置出口氨逃逸采用对穿式激光光谱法进行测量，由于氨逃逸量设计值不大于３μＬ/Ｌ，并且氨具有极强的吸附作用和水溶性，这就要求仪表安装要接近脱硝反应器出口，才能更精确地检测出氨逃逸数值。激光光谱法测量时，仅检测某一截面的氨逃逸，无法获取整个截面上平均的氨逃逸数据，测量结果不具代表性，若检测点流场分布不均，氨逃逸准确性将会更差。另外，受烟气中携带SO２、颗粒物、水分影响，检测孔经常结盐（ABS）或者积灰，干扰检测数据的准确性。

２．４ 氨流量计计量不准确

脱硝装置喷氨流量计选用的浮子流量计精度较高，但装置使用的液氨杂质较多，浮子流量计频繁卡涩以致损坏，且无备件更换，装置运行后期只能凭经验调节喷氨量，计量不准加剧了喷氨过量，导致氨逃逸量上升。

３ 控制措施

３．１ 提高脱硝入口 ＮＯｘ含量

从前期操作来看，采取过度贫氧再生操作，表面上看，脱硝入口CEMS检测的NOｘ含量很低，这有利于控制外排烟气 NOｘ含量，但贫氧过程中生成氨。实际上，烟气中携带的 NH３虽然含量低，但烟气量很大，直接造成氨逃逸超标，这就是不注氨及氨逃逸仍然较高的根本原因。这也合理解释了工艺上越降低入口烟气中的NOｘ，脱硝出口氨逃逸量反而越高的现象。针对此问题，技术人员调整操作，反应再生系统逐渐改为富氧操作，烟气中 CO质量分数保持在 6.０％以上，脱硝床层入口NOｘ质量浓度由 200ｍｇ/ｍ3逐渐提高至470ｍｇ/ｍ3，余热锅炉炉温保持在840～860℃，喷氨量约为 15ｋｇ/ｈ，氨逃逸量由60μＬ/Ｌ降至 20μＬ/Ｌ左右，最低降至 10μＬ/Ｌ以下。此时虽然烟气中 NOｘ上升，并且系统内还进行了注氨，但氨逃逸量显著下降，这在操作中已得到实际验证。并且在后期操作中形成了具体的操作方法。

３．２ 两炉分别增设烟气出口分析系统

目前两炉共用一个 NOｘ分析系统，该检测值是两炉烟气混合后的NOｘ值，这就导致两炉出口NOｘ分析无法分别进行，自动喷氨控制也无法实现。现已提报项目建议书，并在 2019年装置停工大检修时增上分析系统。投用后，两炉出口NOｘ将实现分别监测，可以根据每台锅炉出口 NOｘ浓度实现分别控制，自动喷氨系统可一起投用，实现自动控制，这就大大提高了测量和控制的准确性，避免了喷氨过量造成的氨逃逸。

３．３ 脱硝床层增设采样点

在余热锅炉高温省煤段下方新增采样口，可直接检测烟气入口的氨气浓度，从而为上游操作调整提供更为精确的依据。在脱硝床层入口上方，增设对称的 ４个采样点，可不定期检测脱硝床层入口烟气流场分布情况，同时可一并检测氨气和氮氧化物浓度分布情况，更好地控制氨氮摩尔比，也就是对反应物浓度进行监测，监测数据可指导操作进行喷氨调整，使操作更为细化，进一步减少喷氨过量的情况，从而降低氨逃逸。

３．４ 更换喷氨流量计

对两台喷氨浮子流量计进行更新。两台余热锅炉分别实现外排烟气 NOｘ检测后，喷氨自动控制回路即可投用，两炉可根据外排烟气NOｘ含量变化，自动控制喷氨量，实现喷氨精确控制，改善了人工操作产生的操作滞后、喷氨量大起大落的问题，进而在一定程度上避免了喷氨过量，减少了氨逃逸。同时，上游气体精制装置检修后，氨精制效果得到提高，液氨纯度提高，减少了杂质携带，降低同样浓度的 NOｘ，喷氨量相应下降，氨逃逸随之下降。

４ 结论与建议

通过对烟气脱硝装置氨逃逸问题的分析采取以下措施使氨逃逸量由 60μＬ/Ｌ降至20μＬ/Ｌ左右。

（１）调整再生系统和烟气脱硝装置的操作。保持烟气中 CO质量分数在 6.０％以上；提高脱硝床层入口 NOｘ质量浓度，由200ｍｇ/ｍ3提高至470ｍｇ/ｍ3；控制余热锅炉炉温在 840～860℃，喷氨量约为 15Kg/ｈ。

（２）增上、更换仪表。两炉分别增设烟气出口分析系统；脱硝床层增设采样点；更换喷氨流量计。通过增上、更换仪表，使得操作人员能更好地调整操作，控制氨的注入量，减少氨的逃逸。