SCR脱硝氨逃逸控制的研究与实践

摘  要：焦炉的烟气脱硫采用催化还原法SCR脱硝，系统采用190℃～220℃低温脱硝工艺，氨气采用尿素热解工艺。由于进口原烟气NOX波动、人工喷氨、加热工况波动等原因，导致烟气出口NOX波动大，氨（NH3）逃逸超标，造成资源浪费。为解决这一问题，提出源头控制和开发精准喷氨系统。通过炉体维护稳定源头NOX加模型全自动分析预判喷氨的措施，使NOX与氨充分反应，氨逃逸稳定控制在5mg/m3以下。工业化应用数据显示，该技术可降低尿素消耗5%~10%，同时减少氨逃逸后对大气的污染，兼具显著的经济和环保效益，为焦化行业绿色低碳生产具有重要参考价值。

关键词：焦炉，脱硫脱硝，SCR，尿素喷氨，氨逃逸，氮氧化物

引  言

焦炉作为烟气排放的大户，其氮氧化物的排放和治理是环保领域的重点议题。SCR脱硝系统可以有效将NOX与氨进行反应，反应效率一般在90%以上，已成为现代焦化厂的标配工艺。然而，为了达到环保要求，往往需要一定过量的氨，所以也对应着会有一个合适的氨逃逸值，该值设计为不大于2.28mg/m3，但是往往实际运行中偏大。新版的炼焦化学工业大气污染物排放标准（GB 16171.1—2024）明确要求：现有企业自 2027 年 1 月 1 日起焦炉烟囱氨排放限制为＜8mg/m3，在2025年一季度，二期焦炉烟囱氨排放几乎一直在20-30mg/m3之间。这一数值不仅意味着昂贵的尿素被无效浪费，同时过量的氨逃逸对环境构成潜在风险。因此，根据原烟气中NOX进行精准喷氨，实现NOX和氨逃逸的极致平衡成为焦化行业绿色环保生产与环保设施低成本运行的迫切需求。

正  文

氨逃逸过高分析与问题诊断

1.1 进口原烟气NOX含量过高

二期焦炉中4#焦炉由于采用焦炉煤气加热的工艺，导致二期烟囱进口NOX在380~480mg/m3之间，且随着焦炉炉体老化，出现了炉体蓄热室封墙及双叉部位窜漏、砖煤气道窜漏，导致低温火道不断增加，横墙温度均匀性变差，为了保障焦炭的成熟性，不得不提高标准温度，而燃烧火道温度的提升，更有利于生产NOX。

1.2 进口原烟气NOX波动大

由于现在焦炉都采用蓄热换向的加热模式，所以NOX的波动会和加热换向呈现同步的周期性波。以图一为例，该图为二期烟囱进口原烟气NOX120分钟的波动曲线，其中峰值为430mg/m3左右，谷值为210mg/m3左右，波动虽然周期性强，但是数值急剧变化。

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 图1 进口原烟气NOX曲线（120分钟的波动情况）

二期焦炉推焦采用2-1的生产模式，随着炉组焦炭周期性的成熟，炉温也出现周期性波动，NOX也随之出现周期性波动。图二为二期焦炉进口原烟气NOX48小时的波动曲线，图中高峰比低峰期NOX高15%左右，这就要求喷氨量也要不停随之变化。

 图2 进口原烟气NOX曲线（48小时的波动情况）

1.3 人工喷氨的滞后性

从图一和图二可以看出，进口原烟气的NOX呈现出两个周期性地波动。这就对喷氨的针对性提出了比较高的要求，氨气多了氨逃逸会超标，氨气少了NOX会超标。喷氨采用的是尿素热解的工艺，人工控制是通过调节尿素的流量来调节氨气量。而从尿素到热解氨气，再到反应，存在一定的滞后性，从生产实践中发现，这个滞后时间在20分钟以上。所以，在氨气控制中，往往需要人工提前增减尿素流量，这对操作提出了很大的挑战。因为烟囱进口NOX波动性大，影响脱硝反应的因素多，所以在人工控制中，大部分的时间难以做到烟气出口NOX和氨逃逸的同时达标。

技术方案

基于上述分析，创新性地提出“降低源头NOX及搭建精准自动喷氨系统”技术：首先降低源头的NOX，更低的进口NOX含量，意味着氨气的需求量更少，更有利于控制其波动幅度。而为了解决氨气反应的滞后性，采用系统提前预判NOX，提前计算尿素流量的方式。

2.1 降低源头NOX浓度

标准温度的高低直接决定了进口NOX的浓度，所以降低标准温度是降低进口NOX最直接有效的方法，而降低标准温度的制约因素主要是低温火道。生产实际中，低温火道主要集中在炉头部位。提高炉头温度，降低标准温度就能大大降低进口的NOX浓度。为此，采用了蓄热室封墙及双叉密封，砖煤气道喷浆的攻关行动。行动中首先对砖煤气道进行了整体喷浆，并针对炉头部位采取了多次喷浆的策略。对于蓄热室封墙和双叉部位，主要采用捉漏封堵密封的措施。

表1   4#焦炉治理前后对比

从表一可以看出，治理后炉头温度大幅提升，在同等生产条件下标准温度降低了10℃，煤气用量每天减少了2.4万m³，进口的NOX峰值明显降低，这些数据表明炉体的窜漏修复后，标准温度可以大大降低，不仅节约了煤气量，更减少了源头的NOX浓度。非甲烷总烃的降低也从侧面验证了炉体的窜漏大幅降低。

2.2 搭建精准自动喷氨系统

2.2.1 喷氨设备的优化改造

对每只尿素喷枪增加尿素及氮气的压力流量检测信号就远程调节装置，并设计对应尿素流量的氮气流量自动控制联锁，以达到最佳的尿素雾化效果。对于喷氨流量分布不均造成的氨逃逸偏差，与尿素热解炉送入的氨烟气混合气混合，在静态混合器的扰动下得以完全混合，再经过整流器整流后进入脱硝反应器，氨分布均匀性无数据支撑，通过增加喷氨格栅分区调节模块，以流量反馈、分区调平、气动调节的形式实现气流均匀分布。

2.2.2 软件模型的搭建

精准喷氨将烟气进出口中的NOX、O2、出炉序号、交换信号接入数据库中，用于预测模型，预测出30分钟后的供氨量，并根据出口的NOX进行不断修正。

自动喷氨系统投用后，喷氨调节可实现交换机交换前后自动提前增减尿素量，喷氨量与NOX周期性波动完全契合。并在图二中的NOX高峰期来之前，提前增加尿素量，低峰期来之前提前减少尿素量。

2.3 关键参数控制

烟气温度：烟气温度决定着SCR的反应效果，进而影响氨逃逸的大小。烟气温度变化幅度大，在低负荷时，烟温下降，局部烟温太低，会引起催化剂活性下降，从而引起氨逃逸升高，本脱硝所选用的催化剂在190~220℃范围为最佳，所以要根据燃烧情况在满足的条件下维持烟气温度在最佳范围内。

火道温度：燃烧火道温度的高低直接决定了NOX生成的浓度，进而影响喷氨量。火道温度波动大时，喷氨量也容易大幅波动，从而引起氨逃逸升高。根据生产实践发现，单一立火道温度超过1350℃会造成NOX的大量生成，尤其是局部高温是NOX生成的“重灾区”，因此标准温度的设定及横排温度的控制对于喷氨量至关重要。

SCR压差：脱硝催化剂堵塞，脱硝效率会下降，为了保持环保参数不超标，会喷更多的氨，从而导致局部氨逃逸升高。脱硝反应虽然在除尘后但依然存在积灰情况，运行过程中SCR反应器每12h吹灰一次，缓解SCR反应器积灰，3年一次的年修组织人工周期性彻底清理，保证SCR反应器效率，降低氨逃逸浓度。

尿素雾化：尿素喷枪雾化风量偏小，喷枪雾化不好，氨水与烟气不能充分混合，将产生大量的氨逃逸。雾化风对于脱硝反应明显，也直接决定着氨逃逸，而尿素能否充分的雾化热解与风量成正比关系，为提高喷枪雾化效果，需为热解炉双流体喷枪提供压缩氮气，压力为大于 0.4MPa，连续用气。

实验与效果验证

炼焦自2025年5月起开始提出“降低源头NOX及搭建精准自动喷氨系统”技术，5月份前氨逃逸数据统计如下：

表2 治理前氨逃逸统计表（mg/m3）

由于二期有一座焦炉采用焦炉煤气加热，因此进口烟气NOX更高，喷氨量更高，氨逃逸量也更高。

治理之后氨逃逸数据统计如下，详见下表。

表3  治理后氨逃逸统计表（mg/m3）

从表二和表三对比发现，氨逃逸明显下降，随着整个治理在7月份的完工，8月份氨逃逸的数据降到更低。

经济与环境效益分析

在成本节约方面，对比2025年每月的尿素用量，发现治理后每月可以将尿素用量减少10吨左右，热解系统电耗和氮气用量也随之降低，SCR系统每月可以降本5万元左右，同时煤气的用量和成本也会降低。将SCR装置的氨逃逸率控制到8mg/m3以下，一是可以减轻氨逃逸后对大气的污染，二是减少氨逃逸后生成的硫酸铵或硫酸氢铵降低对设备的影响。

结论

SCR氨逃逸首先要从源头降低烟气中的NOX浓度，尤其是使用焦炉煤气作为燃烧介质的焦炉。解决了低温火道就可以降低标准温度，随之产生的NOX也会大幅降低，喷氨量也可以减少。然后精准自动喷氨系统至关重要，它可以实现提前预判自动测算出最佳的喷氨量，完全取代人工控制喷氨，有效解决氨气过喷导致的氨逃逸问题。该技术为焦化企业提供了绿色发展路径，符合循环经济与碳中和政策导向，具备行业普适性。