催化剂生产过程常见废气的处理工艺技术分析

作者： 邱海姬

随着国民经济的快速发展，催化剂的应用范围也越来越广泛。石油和化学工业是当代社会最基本、最大的三大支柱 产业之一，而催化剂是石油化学工业生产的“心脏”，是生产 工艺的核心技术，石油化工生产过程离不开催化剂，世界上 90% 的化学产品的生产离不开催化剂。虽然催化剂在现代化 学工业中占有着极其重要的地位，但作为一种化学原料，其 生产过程的污染排放控制亦不可忽视。本文主要分析环境影 响评价工作中所碰到的几种不同类型的催化剂，其在生产过 程中产生的废气排放情况及废气处理工艺技术分析。 1 催化剂类型及废气排放种类 催化剂的分类主要包含金属催化剂、金属氧化物催化剂、 酸式催化剂、碱式催化剂等，本文所涉及的几种催化剂类型 及产生废气的类型见表1。

一、催化剂类型及废气排放种类

催化剂的分类主要包含金属催化剂、金属氧化物催化剂、 酸式催化剂、碱式催化剂等，本文所涉及的几种催化剂类型 及产生废气的类型见表1。

从上述四类催化剂产品生产过程废气污染物排放情况分 析，常见废气排放主要有颗粒物、NOx、NH3等，NOx 包含 N2O、NO 和 NO2。

2 常见废气处理工艺技术分析

2.1 颗粒物

含尘废气常见的除尘方法有布袋除尘、旋风除尘和电除尘等。布袋除尘用以捕集非黏结非纤维性的工业粉尘，捕获 粉尘微粒可达0.1μm，除尘效率可达99％以上 ；旋风除尘适 用于净化5~10μm 的非黏性、非纤维的干燥粉尘。近年来经 改进后的特制旋风除尘器，其除尘效率可达95％以上，是一 种结构简单、操作方便、耐高温、设备费用和阻力较低的净 化设备 ；电除尘方法优点是净化效率高，能够铺集0.01μm 以 上的细粒粉尘，缺点是设备较复杂，设备调运和安装以及维 护管理水平高。 催化剂生产过程中，含尘废气主要来自原料投料、输送 及产品包装过程，根据废气特性，一般选用布袋除尘进行处理。 布袋除尘器是一种传统高效除尘器，具有除尘效率高，处理 风量的范围广，结构简单、维护操作方便，对粉尘特性不敏 感、不受粉尘及电阻影响等特点，是国内通用的粉尘治理措 施，技术成熟可靠。其作用原理是粉尘在通过滤布纤维时因 惯性作用与纤维接触而被拦截，滤袋上收集的粉尘定期清除， 适用于捕集细小、干燥、非纤维性粉尘。其过滤效率主要依 赖于滤袋，一般清洁滤袋的过滤效率最低，滤袋表面积尘后， 过滤效率提高，除尘效率一般在99% 以上，且颗粒物粒径越大， 去除效率越高。通过采用先进的过滤材料和安装技术，可以 实现颗粒物的高效净化，将颗粒物排放浓度控制在几 mg/m3 的排放水平。根据某企业安装的布袋除尘器连续三年日常监 测结果，颗粒物排放浓度基本控制在3mg/m3以下的较低水平。 根据生产工艺及原料的不同，部分含尘废气中可能还含 有重金属物质，需严格控制，为确保含重金属尘废气的达标 排放，可在布袋除尘器尾气末端设置中效 / 高效空气过滤器。 高效空气过滤器主要用于捕集0.5μm 以下的微粒，是由滤芯、 框架和密封垫组成，按 GB6165规定的方法检验，其透过率不 高于0.1%（即效率不低于99.9%）或对粒径大于等于1μm 微 粒的计数透过率不高于0.001%（即效率不低于99.999%）的过 滤器 [1]。

2.2 NOx废气

催化剂生产过程的 NOx 废气，根据原料及工艺的不同， 主要包含 N2O、NO 和 NO2。

2.2.1 N2O的处理

N2O 末端废气处理主要有 2 种方式 ：N2O 催化裂解法、 N2O 催化还原法，其中 N2O 催化还原法包括选择性非催化还 原法（SNCR 法）和选择性催化还原法（SCR 法）。各处理方 法的特点见表2。

N2O 熔点 -90.8℃，沸点 -88.5℃，在加热到400℃时，开 始发生裂解，温度升高，裂解速率加快，裂解转化率增加， 在加热至500℃时 N2O 明显分解。反应原理如下 ：

??? 2N2O 2N2+O2 催化效率的高低取决于温度及催化剂用量。在确保催化 剂用量的情况下，N2O 催化裂解效率能达到98% 以上。推荐 采用电加热方式，内设热量仪表，确保稳定的裂解温度及裂 解效率。

2.2.2 NO和NO2的处理

NO 和 NO2废气处理一般有 ：吸收法、吸附法、电子辐射 法和催化法。 吸收法在 NO 和 NO2两种废气以一定比例存在的情况下， 对 NOx 有较高的去除率 ；吸附法目前在 NOx 废气处理方面应 用不广泛 ；电子辐射法由于能耗较高、设备投资大、运行费 用高，抑制了在实际工业中的应用。 催化法脱氮具有快速、高效等优点，分为选择性催化还 原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）等两种，目前实现 工业化应用的，脱除固定源废气中的 NO 的方法为，以 NH3 为还原剂的 SCR 法。 SCR 是成熟高效的脱硝技术，可以用于 SCR 还原剂的原 料有三种 ：液氨、尿素和氨水。液氨系统具有技术成熟、系 统简单、投资成本低等优点，但氨是具有可燃、易爆特性的 有毒物质，使用过程需加强管理，注意防范污染控制和环境 风险。尿素是一种稳定、无毒的固体物料，可以散装运输并 长期储存，但其投资和运行成本高于液氨系统，尿素可分解 出 NH3与 NOx 反应，达到脱硝效果。氨水脱硝由于存在含水 问题，运行能耗较高，其安全性介于液氨系统和尿素系统之间。 本文主要对选择尿素作为 SCR 装置的还原剂时，装置处理效 果分析。废气在 SCR 装置中的运行过程为 ：废气→主抽风机→气 – 气换热器→电加热器→尿素喷入→混合器→ SCR 反应器→气 – 气换热器→烟囱。 （1）气 – 气换热 经过除尘处理后的废气经风机输送进入气 – 气换热器内 （板式换热器），与催化反应器出来的处理尾气（260℃）换热， 提高废气温度至160℃后进入催化反应器。 催化反应器内催化剂可采用镍、铜等的氧化物，催化剂 改变化学反应速度而本身又不参与反应，反应前后基本没有 消耗，使用寿命长，但催化剂在使用过程中，可能发生毒化、 阻塞现象，一般3~5a 需更换一次。 （2）电加热器加热 经过气 – 气换热器换热后的废气再通过电加热器加热到 SCR 所反应温度（260℃左右）。 （3）还原剂的混合 加热后废气进入还原剂混合器内，尿素溶液与压缩空气 充分混合，进入混合器，混合器设有二流体雾化器，使尿素溶液雾化成极小颗粒的液滴，并分解为 NH3和 CO2，至 SCR 反应器。 （4）SCR 净化处理 NOx 废气加入还原剂后进入 SCR 反应器内，废气中的 NOx 与 NH3在催化剂的作用下发生反应并转化为无害的 N2与 H2O，从而实现达标排放。反应方程式如下 ： NO2+NO+2NH3=2N2+3H2O 4NO+O2+4NH3=4N2+6H2O 2NO2+O2+4NH3=3N2+6H2O SCR 反应器出口可设置 NOx 浓度在线监测仪及 NH3在线 监测仪，实时检测 NOx、NH3排放浓度，NOx 浓度在线监测仪 设负反馈联动，一旦 NOx 排放浓度高于排放限值，则系统会 自动调整尿素供应管线上的调节阀来增加尿素加入量。尿素 投加由一套定量给料系统完成。尿素溶液通过给料泵输送到 雾化器内，与压缩空气混合后通过喷嘴喷射进入混合器内与 废气混合。尿素溶液给料管道上设置有气动流量调节阀和压 力变送器，气动流量调节阀根据 NOx 在线监测仪反馈的数据 自动控制阀门的开度，来调节尿素溶液的流量。同时，给料 泵通过压力变送器反馈的压力数据自动调节运行频率，保证 输送管内的压力均衡。通过 NOx 浓度在线监测及负反馈装置， 可控制尿素平稳投加。在 NH3/NOx 的摩尔比为1时，NOx 的脱 除率可达 90%，NH3的逃逸量控制在5mg/L 以下 [2]。 根据某采用 SCR 装置处理 NOx 废气的催化剂实验装置连 续6个月的 NOx 排放浓度曲线（见图1），NOx 排放浓度基本 在30~50mg/m3。（5）NH3逃逸控制措施 ①在装置出口安装 NOx、NH3浓度在线监测仪。 ②在尿素投加泵上设置气动流量调节阀和压力变送器，与 SCR 单元出口 NOx、NH3浓度在线监测仪进行连锁控制，根据 NOx 在线监测仪的反馈数据自动控制阀门的开度，以准确控制 尿素投加量，尽量减少尿素的过量比例。 ③尿素给料泵通过压力变送器反馈的压力数据自动调节 运行频率，保证输送管内的压力均衡。 ④在 SCR 单元与加热器之间设温度连锁与报警装置， SCR 温度波动到设定范围时，视为尿素投加系统发生故障， 立即停止所有工艺进料，关闭电加热及尿素投加阀，防止 NH3 排放超标。 ⑤在 SCR 单元后设置水洗、酸洗等废气处理装置作为保 障措施。 2.3 NH3废气 处理 NH3废气常用方法为水吸收和酸吸收，氨气极易 溶解于水，常压下温度为10℃时氨气在水中的溶解度可达 1 ∶ 700，但氨气溶于水时会释放大量的热量，使得水的温度 会随着氨气的不断溶解而不断升高，氨气在水中的溶解度也 因此大幅下降使原本溶解在水中的氨气重新溢出 [3]，因此，采 用酸洗塔处理效果较好，反应方程式如下 ： 2NH3+H2SO4 →（NH4）2SO4 酸洗塔内部一般设有备用泵，电源连接与厂区备用电源， 以确吸收塔稳定运行。吸收塔设自动 pH 监测系统及加药系统， 保持 pH 在2~3，确保 NH3有效去除。某企业采用酸洗塔对 含氨废气进行处理，根据其连续三年日常监测情况，氨的排放浓度为0.86~2.33mg/m3。 总的来说，碱性气体采用酸液喷淋吸收法工艺成熟，只 要在运行过程中确保工艺参数在设定的范围内，吸收液循环 使用，并连续排放和补充，保持吸收效果，污染物的去除效 率可基本维持不变，保证了排气稳定达标。

3 结语

石油和化学工业的发展离不开催化剂的使用，而催化剂 生产过程所排放的颗粒物、NOx，由于其对环境和人体健康的 危害性，已被列入国家污染物排放总量控制计划，企业应注意根据环境影响评价文件的要求，强化环保措施及环境管理， 使环保措施得到有效监管，并能通过及时信息反馈，保证环 保措施有效稳定运行，确保各废气污染物达标排放。

参考文献

[1] 高效空气过滤器 ：GB13554—92[S].

[2] 朱林，吴碧君，段玖祥，等 . SCR 烟气脱硝催化剂生产与应用现状 [J]. 中国电力，2009，42（8）：61-64.

[3] 刘清华，彭志群，刘发安 . 小议含氨废气的吸收及其工艺比较 [J]. 化学工程与装备，2011（7）：204-206.