Выбрать страницу

Среднетемпературная SCR-денитрификация и пылеудаление с помощью рукавных фильтров для производства высокоэффективных специальных материалов из алюминиевых сплавов.

Пример из практики · Контроль промышленных выбросов

Как производитель высокоэффективных специальных материалов из алюминиевых сплавов добился эффективности денитрификации SCR на уровне 99,61 TP3T, эффективности удаления пыли с помощью рукавных фильтров на уровне 99,81 TP3T и соответствия сверхнизким нормам выбросов NOx, PM, SO₂, HF и HCl — решив новаторскую проблему отравления катализатора SCR при средних температурах щелочными металлами в отходящих газах плавильной печи.

SCR Денитрификация
Отходящие газы печи для выплавки алюминия
Пылеудаление с помощью мешочного фильтра
Сверхнизкий уровень выбросов NOx
Раствор для отравления катализаторами из щелочных металлов

99.6%
SCR Денитрификация
Выход NOx <4 мг/Нм³
99.8%
Эффективность удаления пыли
Выход PM <4 мг/Нм³
125,000
Нм³/ч
Номинальные технологические дымовые газы
Первый
Применение в секторе
Среднетемпературный SCR в алюминиевой плавке

01 — Информация об отрасли

Специальные алюминиевые материалы: растущий сектор, сталкивающийся с ужесточением требований к выбросам вредных веществ.

Алюминиевая промышленность охватывает добычу, переработку, литье, обработку и продажу алюминия в рамках сложной глобальной цепочки создания стоимости. Алюминий широко используется в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, строительстве, передаче энергии, упаковке и бытовой электронике. Этот сектор имеет важное экономическое значение в глобальном масштабе — его развитие обусловлено переходом к использованию легких материалов в автомобильной и аэрокосмической промышленности, где алюминий заменяет более тяжелые стальные и титановые компоненты, что позволяет снизить энергопотребление и выбросы углекислого газа.

Подсектор высокоэффективных алюминиевых сплавов и специальных алюминиевых материалов специализируется на передовых продуктах, требующих самых высоких требований к материальным свойствам: сверхтонкие крышки для банок для мировых производителей напитков (лидирующая внутренняя доля рынка, приблизительно 101 тыс. тонн мирового рынка), сверхтонкие крышки для банок толщиной 0,208 мм и заготовки для банок толщиной 0,235 мм, производимые в больших масштабах, алюминиевая пластиковая пленка для батарей нового поколения, алюминиевая фольга для токосъемников и алюминиевая фольга для полярных ушей в электромобилях и бытовой электронике. Производитель, рассматриваемый в данном исследовании, владеет активами на сумму 231 млрд евро в эквиваленте, имеет годовую мощность 690 000 тонн алюминия глубокой обработки, 150 000 тонн углерода, 90 000 кВт электроэнергии и 2,25 млн тонн сырого угля, что делает его ведущим мировым игроком на рынке специальных алюминиевых материалов.

В условиях ужесточения экологических норм очистка дымовых газов от алюминиевых плавильных печей стала критически важным конкурентным и нормативным требованием. Проблема для этого конкретного сектора заключается в высокой температуре, высоком содержании пыли и — что особенно важно — высоком содержании щелочных металлов в отходящих газах плавильных печей, работающих на природном газе. Соединения щелочных металлов (в основном соли калия и натрия), присутствующие в пыли печи, переносятся в газовом потоке в концентрациях, достаточных для постепенного отравления обычных катализаторов SCR, что со временем снижает эффективность денитрификации. Именно эта проблема отравления щелочными металлами стала главной инженерной задачей, благодаря которой данная установка стала первой в отрасли.

Сценарии применения интегрированной системы пылеудаления и денитрификации SCR для высокоэффективной обработки отходящих газов в печах для выплавки специальных материалов из алюминиевых сплавов в аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслях промышленности.

«Применение среднетемпературной системы SCR к отходящим газам алюминиевых плавильных печей — это не просто адаптация технологии SCR, используемой на электростанциях. Соединения щелочных металлов в пыли печи являются каталитическими ядами в тех концентрациях, которые присутствуют в этом газовом потоке. Решение проблемы выбора и защиты катализатора делает эту установку уникальной — это был первый случай успешного применения среднетемпературной высокоэффективной системы SCR в этом секторе в глобальном масштабе».

— Инженерно-технический обзор проекта по удалению пыли и денитрификации из высокоэффективных специальных материалов на основе алюминиевых сплавов


02 — Профиль загрязнения

Отходящие газы алюминиевой плавильной печи: высокое содержание оксидов азота, высокая пылеобразование, высокое содержание щелочных металлов.

Производственная линия на этом предприятии включает 2 плавильные печи и 2 печи для выдержки, объединенные в одну дымовую трубу. Каждая плавильная печь работает на природном газе; отходящие газы содержат значительное количество оксидов азота (NOx), образующихся в результате высокотемпературных реакций при сжигании воздуха. В настоящее время все четыре печи оборудованы одним рукавным фильтром. Дымовые газы из всех печей объединяются в одну дымовую трубу для сброса. При использовании природного газа в качестве топлива отходящие газы не содержат SO₂, но содержат NOx, твердые частицы (включая мелкодисперсные частицы NaCl, KCl и других солей щелочных металлов), HF, HCl и CO, выбросы которых должны контролироваться в пределах установленных норм.

Основная проблема загрязнения в данном случае заключается в содержании щелочных металлов в твердых частицах, отходящих от плавильной печи. Пыль содержит частицы NaCl, KCl и родственных соединений калия и натрия в концентрациях, достаточных для постепенного отравления обычных катализаторов SCR на основе ванадия-диоксида титана в течение нескольких месяцев эксплуатации, занимая активные кислотные центры на поверхности катализатора. Этот механизм отравления требует либо специальной рецептуры катализатора, устойчивой к дезактивации щелочными металлами, либо предварительной стадии удаления пыли перед реактором SCR для снижения нагрузки частиц щелочных металлов до их контакта с катализатором. В данном исследовании используется среднетемпературный SCR, расположенный перед рукавным фильтром (в высокотемпературной зоне предварительного пылеудаления при 350–400 °C), с катализатором, разработанным для работы в условиях воздействия щелочных металлов, и рукавным фильтром, расположенным после него для окончательной очистки от пыли.

Параметр Сырой газ / Вход Торговая точка (дизайн) Ограничение ЕС/Нидерланды
оксиды азота 100 мг/Нм³ ≤50 мг/Нм³ В соответствии с директивой 2010/75/EU, содержание взрывчатых веществ в воздухе составляет ≤100 мг/Нм³ (при сгорании).
Твердые частицы (PM) 2000 мг/Нм³ ≤10 мг/Нм³ NER (Постановление Нидерландов о видах деятельности) ≤5 мг/Нм³
SO₂ Отсутствует (природный газ в качестве топлива) ≤5 мг/Нм³ СВУ 2010/75/ЕС
CO 100 мг/Нм³ ≤100 мг/Нм³ СВУ 2010/75/ЕС
ВЧ 5 мг/Нм³ ≤5 мг/Нм³ IED 2010/75/EU HF BAT
HCl 15 мг/Нм³ ≤15 мг/Нм³ IED 2010/75/EU HCl BAT
Объем технологических дымовых газов 125 000 Нм³/ч
Номинальная температура дымовых газов 350–420°C
расчетная температура SCR 350 °C (выход из печи, предварительный охладитель)
Температура удаления пыли 200 °C (на входе рукавного фильтра)
температура денитрификации SCR 359°C
Коррозионное вещество в воздухе на входе 30 мг/Нм³ (соли щелочей)

03 — Технические требования

Семь критериев проектирования, определяющих архитектуру среднетемпературного тиристора для данного применения.

Каждое из следующих требований являлось обязательным перед выбором технологии и отражает специфические характеристики отходящих газов печей для выплавки алюминия, работающих на природном газе, которые отличаются от условий электростанций и промышленных котлов, где чаще всего применяется технология SCR.

📊

SCR устанавливается перед системой пылеудаления.

Реактор SCR устанавливается на выходе из печи, перед воздухоохладителем, при температуре газа 350–400 °C, поскольку на этом этапе газ не содержит SO₂, что позволяет использовать катализаторы средней температуры. SCR снижает выбросы NOx до того, как рукавный фильтр удалит твердые частицы, создавая конфигурацию SCR на горячей стороне, которая использует высокотемпературный диапазон до охлаждения газа.

⚙️

Состав катализатора, устойчивого к щелочным металлам

Катализатор должен быть специально разработан и проверен на устойчивость к отравлению солями калия и натрия при входной концентрации соединения щелочного металла 30 мг/Нм³. Обычный ванадиево-титановый катализатор, не обладающий щелочестойкостью, не может обеспечить гарантированный химический срок службы в 24 000 часов в данной среде эксплуатации.

🔥

Архитектура каталитического слоя 3+1

В реакторе SCR используется конструкция с 3+1 каталитическими слоями: 3 активных слоя, обеспечивающих эффективность денитрификации 99,61 TP3T, плюс 1 запасной слой, который можно загрузить, если какой-либо активный слой потребует замены в течение 24 000 часов химического ресурса, что предотвращает перерыв в производстве для замены катализатора.

🛠️

Интеграция системы продувки сажей и контроля температуры.

Система включает в себя автоматизированную продувку сажей с обратной связью по температуре и расходу газа в систему управления. На основе контролируемой температуры газа частота и интенсивность продувки сажей регулируются в режиме реального времени. В систему управления также интегрированы процессы приготовления раствора мочевины и обратная связь по термическому разложению мочевины, с возможностью автоматического перезапуска клапанов и насосов одним нажатием кнопки.

🔊

Проверка распределения давления с помощью моделирования

Распределение общего давления по всей установке SCR проверяется с помощью компьютерного моделирования до начала строительства. Это обеспечивает равномерный поток газа по всему поперечному сечению катализатора, предотвращая образование локальных зон перегрева, которые приводят к преждевременной деактивации катализатора и превышению допустимых значений из-за эффекта каналирования.

🔐

Система реагентов на основе мочевины

В качестве восстановителя SCR используется мочевина (чистота 98%, смещение 5%). Расход мочевины составляет 9,5 кг/ч; система гидролиза мочевины производит аммиак путем термического разложения раствора мочевины, при этом обратная связь по разложению подключена к системе управления. Расход воды для растворения мочевины составляет приблизительно 40 кг/ч.

Мешочный фильтр на выходе для окончательной очистки

Мешочный фильтр расположен после реактора SCR и воздухоохладителя, обрабатывая газ при температуре приблизительно 200 °C. Такое расположение позволяет мешочному фильтру не подвергаться воздействию зоны с самой высокой температурой и, следовательно, использовать стандартные фильтрующие материалы, а также собирать любую каталитическую пыль или побочные продукты в виде солей аммония из стадии SCR перед окончательной выгрузкой из дымовой трубы.

🛡️

Реакция на колебания NOx

Концентрация оксидов азота (NOx) в плавильной печи колеблется в зависимости от настроек горелки, состава шихты и фазы производственного цикла. Система управления подачей мочевины должна динамически реагировать на эти колебания, чтобы поддерживать молярное соотношение NH₃/NOx в пределах целевого диапазона — избыточная подача мочевины приводит к утечке аммиака, а недостаточная подача — к превышению концентрации NOx.


04 — Раствор для лечения

Интегрированная система SCR → Воздушное охлаждение → Обработка с помощью рукавного фильтра

В связи с ужесточением экологических норм существующая конфигурация рукавных фильтров производственной линии перестала соответствовать пределам выбросов NOx. В ходе модернизации была добавлена ​​система денитрификации SCR средней температуры, расположенная на выходе из печи перед воздухоохладителем, где температура газа составляет 350–400 °C — в пределах оптимального рабочего диапазона SCR средней температуры — и где отсутствует SO₂, способный отравлять катализатор. Сжигание природного газа не производит серу, что позволяет использовать катализаторы средней температуры, которые быстро деактивируются SO₂ в угольных электростанциях.

Технологический процесс: от плавильной печи до дымовой трубы со сверхнизким уровнем выбросов.

Плавка
Печь (×2)
+ Удержание (×2)
Реактор SCR ⭐
350–400°C
(3+1 слоя)
Воздушный охладитель
→ 200°C
Мешочный фильтр ⭐
Удаление пыли
Сверхнизкий
Выбросы из дымовой трубы

⭐ В рамках этого проекта используется новое или модернизированное оборудование

Технологическая схема интегрированного процесса пылеудаления и денитрификации SCR для высокоэффективной обработки отходящих газов в плавильной печи для специальных материалов из алюминиевых сплавов, показывающая конфигурацию среднетемпературного SCR-реактора 3+1 слоя, воздухоохладитель и последующий рукавный фильтр.

Проверка распределения давления с помощью CFD-моделирования

Распределение давления по всей установке SCR было подтверждено с помощью компьютерного моделирования до начала строительства. Моделирование подтвердило, что поле газового потока, поступающего в каталитические слои, достаточно однородно, чтобы предотвратить локальные перегрузки по скорости, которые могли бы вызвать преждевременную деактивацию катализатора в газовой среде, богатой щелочными металлами. Падение давления по всей установке SCR было подтверждено на уровне ≤600 Па в условиях работы при полной нагрузке.

Результаты моделирования общего распределения давления в установке SCR для денитрификации в печи для выплавки алюминиевых сплавов показывают равномерность радиального поля давления по всей конфигурации каталитического слоя 3+1, используемой для проверки распределения газового потока перед началом строительства.

Основные технические параметры

Параметр Спецификация
Объем технологических дымовых газов 125 000 Нм³/ч
Стандартный объем 55 000 Нм³/ч
рабочая температура реактора SCR 350°C (расчетная температура); макс. 350°C; мин. 200°C
Конфигурация каталитического слоя 3+1 (3 активных + 1 запасной)
Размер каталитического элемента Сечение 150×150 мм, высота 800 мм (H)
Толщина стенки (внутренняя / внешняя) 1,0 мм внутренний / 1,7 мм внешний
Пористость 72.59%
удельная площадь поверхности катализатора 409 м²/м³
Тип активного компонента V₂O₅ и WO₃ (ванадий/вольфрам)
Материал-носитель TiO₂
Гарантия срока службы катализатора 24 000 ч
Механический срок службы катализатора 10 лет
Гарантия эффективности денитрации ≥88% (начальная активность); ≥24 000 часов работы
коэффициент конверсии SO₂/SO₃ ≤1%
Гарантия от протечки аммиака ≤6 ppm
Падение давления в SCR ≤600 Па
потребление мочевины 9,5 кг/ч (чистота 98%)
потребление воды при гидролизе мочевины ≈40 кг/ч
Максимальная рабочая нагрузка системы Установленная мощность: 196,5 кВт; фактическая мощность в рабочем режиме: 147,5 кВт.
Годовые затраты на электроэнергию (8000 ч/год) Примерно 425 280 евро/год (0,36 эквивалента удельного курса)

Чертеж в разрезе интегрированной системы денитрификации SCR и пылеудаления с рукавным фильтром для высокоэффективной обработки отходящих газов печи для выплавки алюминиевых сплавов, показывающий компоновку среднетемпературного реактора SCR в три слоя (3+1) и конфигурацию рукавного фильтра после него.


05 — Основные преимущества

Почему среднетемпературная система SCR на горячей стороне является подходящей архитектурой для денитрификации в печах для выплавки алюминия?


  • Отсутствие SO₂ на входе в систему SCR позволяет выбирать катализатор при средних температурах: Поскольку плавильные печи работают на природном газе, а не на угле или мазуте, отходящие газы не содержат SO₂. Это является необходимым условием для размещения среднетемпературной системы SCR при температуре 350–400 °C. В системах, работающих на угле, SO₂ при таких температурах вступал бы в реакцию с активными центрами катализатора, образуя отложения сульфата аммония, которые деактивируют катализатор в течение нескольких недель. Отсутствие SO₂ в данной системе, работающей на природном газе, делает возможным использование среднетемпературной системы SCR на горячей стороне, обеспечивая одновременно высокую эффективность удаления NOx, характерную для высокотемпературной работы, без ограничений, связанных с отравлением катализатора SO₂.

  • Катализатор, устойчивый к щелочным металлам, решает уникальную проблему отравления в этой отрасли: Традиционный ванадиево-титановый катализатор, используемый в системах селективного каталитического восстановления (SCR) на электростанциях, постепенно деактивируется под воздействием 30 мг/Нм³ соединений щелочных металлов (NaCl, KCl), содержащихся в отходящих газах алюминиевой плавильной печи. Ионы щелочных металлов вытесняют активные частицы ванадия с кислотных центров поверхности катализатора, снижая скорость реакции NOx-NH₃. Специально разработанный катализатор, используемый в этой установке, обеспечивает гарантированный химический срок службы в 24 000 часов благодаря использованию щелочестойкой архитектуры катализатора, которая поддерживает необходимую плотность активных центров, несмотря на воздействие щелочных металлов — это ключевое техническое новшество данной первой в отрасли системы.

  • 99.6% Эффективность денитрификации подтверждена: выход NOx на выходе 4 мг/Нм³ против предельного значения 50 мг/Нм³: Подтвержденная эффективность денитрификации 99.6% обеспечивает фактическую концентрацию NOx на выходе приблизительно 4 мг/Нм³ по сравнению с проектным пределом 50 мг/Нм³ и нормативным пределом 50 мг/Нм³ — запас соответствия стандарту 92%. Такой уровень превышения требований гарантирует защиту от ужесточения стандартов в будущем и устойчивость к сезонным и межпартийным колебаниям образования NOx в печи.

  • Архитектура каталитического слоя 3+1 обеспечивает непрерывную работу даже при замене катализатора: Наличие запасного четвертого слоя гарантирует, что при необходимости замены любого из трех активных слоев по истечении 24 000 часов химического ресурса, замена может быть произведена из запасного слоя без остановки производственной линии. Эта конструктивная особенность исключает вынужденные остановки производства, которые в противном случае потребовались бы для замены катализатора в одноярусной многопечной системе.

  • Мешочный фильтр, расположенный после фильтра, обеспечивает удаление пыли на уровне 99,81 TP3T при выходе твердых частиц со скоростью 4 мг/Нм³: Размещение рукавного фильтра после реактора SCR и воздухоохладителя означает, что фильтр обрабатывает более холодный газовый поток (приблизительно 200°C вместо 350°C), снижая термическое напряжение ткани рукава и продлевая срок службы фильтрующего рукава. Такое расположение также улавливает любые побочные продукты в виде солей аммония из стадии SCR, предотвращая их выброс в дымовую трубу, и обеспечивает выход твердых частиц приблизительно 4 мг/Нм³ против проектного предела 10 мг/Нм³.

  • Моделирование распределения давления предотвращает неравномерное распределение потока до начала строительства: Моделирование распределения давления с помощью вычислительной гидродинамики подтвердило равномерность потока газа по всему поперечному сечению катализатора еще до изготовления каких-либо стальных конструкций. Это предотвращает образование локальных зон перегрева, которые могли бы вызвать неравномерную скорость деактивации катализатора по всему каталитическому слою, создавая неравномерные схемы выброса NOx, которые трудно диагностировать и устранить после ввода в эксплуатацию.

06 — Результаты оперативной деятельности

Подтвержденные данные о соответствии: все параметры значительно ниже предельных значений, установленных постановлением ЕС о противодействии взрывчатым веществам / голландским постановлением о деятельности.

Система продемонстрировала следующие подтвержденные показатели соответствия требованиям, при этом все фактические концентрации на выходе были существенно ниже как проектных целевых значений, так и нормативных пределов:

4 / 50
мг/Нм³ (фактическое / предельное)
NOx — 92% ниже предела
4 / 10
мг/Нм³ (фактическое / предельное)
PM — 60% ниже предела
2 / 5
мг/Нм³ (фактическое / предельное)
SO₂ — 60% ниже предела
25 / 50
мг/Нм³ (фактическое / предельное)
NOx (целевой показатель)
5 / 5
мг/Нм³ (фактическое / предельное)
ВЧ — на пределе
15 / 15
мг/Нм³ (фактическое / предельное)
HCl — при пределе

Достигнутая эффективность очистки: денитрификация 90% (от 100 до ≤10 мг/Нм³ проектного целевого значения), достигнутая фактическая эффективность 99,6% до 4 мг/Нм³; удаление пыли 99,8% (от 2000 до ≤4 мг/Нм³ фактического значения). Максимальная установленная мощность системы составляет 196,5 кВт, фактическая рабочая мощность — 147,5 кВт. При круглосуточной работе, 8000 часов в год и эквиваленте 0,36 юаней/кВт·ч годовые затраты на электроэнергию составляют приблизительно 425 280 евро. Годовые затраты на воду для растворения мочевины: приблизительно 640 1000 юаней. Годовые затраты на мочевину при потреблении 7,2 кг/ч: приблизительно 633,6 1000 юаней.


07 — Меры предосторожности при внедрении

Важные инженерные и оперативные уроки для применения SCR в алюминиевой плавке

  • ⚠️
    Отравление катализатора SCR щелочными металлами является основным долгосрочным риском для его работы — выбор катализатора нельзя делегировать тому, кто предложит самую низкую цену: Основная проблема при разработке данного катализатора заключается в содержании 30 мг/Нм³ соединений щелочных металлов в отходящих газах плавильной печи. Стандартные катализаторы SCR для электростанций быстро дезактивируются при воздействии такой нагрузки. Спецификация катализатора должна предусматривать подтвержденные испытания на устойчивость к щелочным металлам при фактических концентрациях и видах солей щелочных металлов, присутствующих в отходящих газах, а не общие заявления о «устойчивости к щелочам». Перед принятием любого предложения по поставке катализатора необходимо запросить отчеты независимых лабораторий, демонстрирующие сохранение активности катализатора после моделирования воздействия щелочных металлов.
  • ⚠️
    Высокая концентрация пыли (2000 мг/Нм³), попадающая в систему SCR, приводит к быстрому засорению катализатора без эффективного удаления сажи: Содержание твердых частиц в отходящих газах плавильной печи составляет приблизительно 2000 мг/Нм³, что примерно в 20 раз превышает пылевую нагрузку типичных установок SCR на электростанциях. Отложение пыли в сотовых каналах катализатора постепенно блокирует поток, увеличивает перепад давления и уменьшает эффективную площадь поверхности катализатора, доступную для контакта NOx и NH₃. Автоматизированная система продувки сажи с обратной связью по температуре и расходу должна быть правильно спроектирована, введена в эксплуатацию и обслуживаться как критически важная для производства система, а не как дополнительная вспомогательная. Интервал продувки сажи должен быть откалиброван на основе фактических данных эксплуатации в течение первого месяца работы.
  • ⚠️
    Колебания концентрации оксидов азота и температуры дымовых газов вызывают нестабильность на выходе из системы — впрыск мочевины должен динамически реагировать на эти колебания: Основной документированный риск связан с колебаниями температуры дымовых газов и концентрации NOx, возникающими из-за изменений настроек горелки печи и состава металлической шихты. Система управления впрыском мочевины должна иметь достаточное время отклика датчика для корректировки скорости впрыска в пределах скорости изменения цикла работы печи. Если задержка отклика слишком велика, система SCR переходит в периоды как чрезмерного впрыска (вызывая утечку аммиака), так и недостаточного впрыска (вызывая превышение концентрации NOx) во время каждого перехода между рабочими циклами печи.
  • ⚠️
    Тесная оперативная связь между бригадой, обслуживающей печь, и диспетчерской газоподготовительной установки является функциональным требованием: При обнаружении колебаний температуры или концентрации NOx бригада, отвечающая за эксплуатацию печи, должна заранее уведомить диспетчерскую газоподготовки, прежде чем вносить какие-либо корректировки в работу горелки или шихты. Без такой координации система управления SCR реагирует на изменения концентрации NOx после того, как они уже попали в зону катализатора, что не дает достаточно времени для корректировки подачи мочевины. Простой протокол, требующий предварительного уведомления за 15–30 минут о планируемых изменениях в работе печи, предотвращает большинство случаев превышения допустимых норм в режиме реального времени.
  • ⚠️
    Контроль выбросов аммиака так же важен, как и снижение выбросов оксидов азота — необходимо активно контролировать гарантированный уровень ≤6 ppm: Утечка аммиака на выходе из SCR является регулируемым параметром в соответствии с условиями экологического разрешения ЕС IED и голландского Постановления о деятельности, а также представляет собой проблему, связанную с неприятным запахом, который может привести к жалобам населения и проверкам со стороны регулирующих органов. Гарантия утечки аммиака ≤6 ppm требует непрерывного мониторинга на выходе из SCR и автоматического снижения скорости впрыска мочевины, когда концентрация NH₃ приближается к предельному значению утечки. Включение датчика NH₃, устанавливаемого на месте, в спецификацию CEMS с момента ввода в эксплуатацию является обязательным.
  • ⚠️
    Протокол системы удаления гипса должен соблюдаться даже в том случае, если данное приложение не производит гипс (в отходящих газах природного газа отсутствует SO₂): Данная система не включает в себя мокрую систему десульфуризации дымовых газов, поскольку в ней отсутствует SO₂. Однако, если в будущем в ходе эксплуатационных изменений в печи будет добавлено биомассовое топливо, содержащее SO₂, или дополнительное топливо для совместного сжигания, потребуется стадия мокрой десульфуризации. О любых будущих изменениях типа топлива необходимо уведомить инженера системы газоочистки до их внедрения, поскольку это коренным образом изменит профиль загрязняющих веществ, поступающих в катализатор SCR, и потенциально ускорит отравление сульфатами.

08 — Основные выводы из инженерной практики

Четыре урока, извлеченные из первого применения среднетемпературных систем SCR в алюминиевой выплавке.

  • 1
    Отсутствие SO₂ в алюминиевых печах, работающих на природном газе, является необходимым условием для применения SCR на горячей стороне — это отличительное преимущество должно быть определено на этапе проектирования. Решение разместить SCR перед рукавным фильтром при температуре 350–400 °C стало возможным только потому, что при сгорании природного газа не образуется SO₂. В системах, работающих на угле или мазуте, такое расположение на горячей стороне привело бы к быстрому отравлению катализатора бисульфатом аммония. Тип топлива в печи необходимо подтвердить и задокументировать до принятия какого-либо решения относительно архитектуры SCR.
  • 2
    Отравление катализаторов щелочными металлами — это отраслевая проблема, требующая отраслевого решения — не следует указывать стандартный катализатор электростанции для SCR в плавильных печах. Содержание щелочных металлов в отходящих газах алюминиевых плавильных печей является определяющим отличием от применения SCR на электростанциях и промышленных котлах. Стандартные каталитические составы деактивируются в течение нескольких месяцев при воздействии соли щелочного металла в концентрации 30 мг/Нм³. Достигнутый в этом проекте химический срок службы в 24 000 часов стал прямым результатом использования щелочестойкого каталитического состава — проектное решение, которое незначительно увеличило стоимость закупки катализатора, но предотвратило ситуацию экстренной замены катализатора через 6–12 месяцев.
  • 3
    Достижение эффективности денитрификации 99,6% — концентрация NOx 4 мг/Нм³ против предельного значения 50 мг/Нм³ — создает буфер соответствия, который поглощает как неопределенность измерений, так и будущее ужесточение стандартов. В соответствии с требованиями Европейского соглашения об экологической экспертизе (EU IED) и голландского экологического разрешения, среднечасовые концентрации NOx постоянно контролируются. Система, работающая при концентрации 4 мг/Нм³ против предельного значения 50 мг/Нм³, имеет 8-кратный запас соответствия — достаточный для компенсации дрейфа калибровки системы непрерывного мониторинга выбросов (CEMS), сезонных колебаний концентрации NOx в печи и потенциального будущего пересмотра предельного значения с 50 до 30 мг/Нм³ без необходимости модификации системы. Это правильный ориентир для 10-летнего инвестиционного горизонта в области технологий.
  • 4
    Принцип проектирования каталитического слоя 3+1 должен стать стандартной архитектурой для любой установки SCR с непрерывным режимом работы. Наличие запасного четвертого каталитического слоя в этой установке исключает необходимость остановки производства, которая в противном случае потребовалась бы для плановой замены катализатора при достижении предельного срока службы в 24 000 часов. Для любой установки SCR, где подключенная производственная линия не может быть остановлена ​​для обслуживания катализатора без значительных финансовых затрат, дополнительные затраты на указание одного запасного каталитического слоя на начальном этапе проектирования незначительны по сравнению со стоимостью незапланированной остановки для замены катализатора на более позднем этапе эксплуатации системы.

09 — Часто задаваемые вопросы

Среднетемпературный SCR для печей для выплавки алюминия: ответы на десять вопросов.

Вопросы от специалистов по получению экологических разрешений, инженеров-технологов и сотрудников закупочных отделов предприятий по выплавке алюминия и производству специальных материалов, оценивающих модернизацию систем денитрификации с использованием технологии SCR.

В1. Почему в данном применении среднетемпературный SCR расположен перед рукавным фильтром (горячая сторона), а не после него (холодная сторона)?
Система SCR размещается на выходе из печи (перед воздухоохладителем, при температуре 350–400 °C) по двум причинам: (1) температура газа в этой точке находится в оптимальном диапазоне для среднетемпературных катализаторов SCR, обеспечивая высокую эффективность преобразования NOx; и (2) газ на этом этапе не содержит SO₂ (природный газ не производит серу), что позволяет работать при средних температурах без отложений бисульфата аммония, которые образовались бы в потоках, содержащих SO₂, при этой температуре. Для SCR на холодной стороне (после рукавного фильтра) потребовался бы нагрев газа с 200 °C до 350 °C, что значительно увеличило бы энергозатраты без повышения производительности в этом случае без использования SO₂.
В2. Чем отличается устойчивый к щелочным металлам катализатор от стандартного SCR-катализатора на основе ванадия и диоксида титана?
Стандартные SCR-катализаторы на основе ванадия и диоксида титана используют V₂O₅ в качестве активного компонента на носителе из TiO₂, обладающем кислыми поверхностными центрами, где реагируют NOx и NH₃. Ионы калия и натрия из солей щелочных металлов вытесняют активные частицы ванадия с этих поверхностных кислых центров, постепенно уменьшая доступную активную площадь поверхности и скорость конверсии NOx. Щелочностойкие каталитические составы решают эту проблему за счет: увеличения плотности кислых центров выше уровня, который может быть снижен отравлением щелочными металлами ниже минимального порога; использования промоторов из оксида вольфрама (WO₃), менее подверженных вытеснению щелочными металлами; и структурного упрочнения поверхности катализатора для предотвращения адгезии соединений щелочных металлов. В результате получается катализатор, который сохраняет начальную денитрацию ≥88% в течение 24 000 часов работы при загрузке соли щелочного металла 30 мг/Нм³ в данном применении.
В3. Какова нормативно-правовая база для регулирования выбросов оксидов азота (NOx) от алюминиевых плавильных печей в соответствии с правилами ЕС и Нидерландов?
В соответствии с Директивой ЕС о промышленных выбросах (IED 2010/75/EU) предприятия по выплавке алюминия регулируются как установки в категории цветных металлов. Применимые выводы о наилучших доступных технологиях (BAT) для цветной металлургии устанавливают предельные значения выбросов NOx, пыли и других загрязняющих веществ, которые должны быть отражены в экологическом разрешении предприятия. В Нидерландах экологические разрешения выдаются в соответствии с Указом о деятельности (Activiteitenbesluit milieubeheer) и Законом об охране окружающей среды и планировании (Omgevingswet). Компетентный орган (как правило, провинциальная экологическая служба, Omgevingsdienst) устанавливает предельные значения для каждого предприятия в рамках IED. Предельные значения NOx для печей для выплавки алюминия обычно устанавливаются в диапазоне 50–200 мг/Нм³ в зависимости от типа печи, топлива и производственной мощности. Фактическая концентрация на выходе 4 мг/Нм³, задокументированная в данном исследовании, обеспечивает существенный запас соответствия при всех прогнозируемых сценариях регулирования.
Вопрос 4. Какова годовая стоимость эксплуатации этой интегрированной системы SCR и рукавного фильтра?
Основные годовые эксплуатационные расходы: (1) Электроэнергия: установленная мощность 196,5 кВт (фактическая эксплуатационная мощность 147,5 кВт), 8000 часов в год, приблизительно 425 000 евро в эквиваленте в год по стандартному тарифу; (2) Мочевина: потребление 7,2 кг/ч при удельной стоимости 1100 юаней/т, приблизительно 633 600 евро в эквиваленте в год; (3) Вода для растворения мочевины: приблизительно 40 кг/ч, 640 000 евро в эквиваленте в год при 2 юанях/т. Реагент для удаления SO₂ (известняк или NaOH) не требуется, поскольку природный газ не производит SO₂, что исключает эту статью расходов, которая присутствовала бы в аналогичных угольных электростанциях.
Вопрос 5. Как контролируется и отслеживается утечка аммиака на выходе из SCR-системы?
Основной риск образования побочных продуктов при работе системы SCR — это утечка аммиака. Система гарантирует утечку аммиака ≤6 ppm за счет: (1) модуляции скорости впрыска мочевины в реальном времени на основе измеренной концентрации NOx на входе в систему SCR; (2) анализатора NH₃ на выходе из системы SCR, обеспечивающего обратную связь с контуром управления впрыском; (3) заданного значения аварийного сигнала при высокой концентрации NH₃ на уровне 4 ppm, которое запускает автоматическое снижение скорости впрыска до приближения к пределу в 6 ppm; и (4) перекрестного контроля соотношения NOx на входе и выходе для проверки того, что эффективность денитрификации всегда остается в пределах проектного диапазона. Мониторинг утечки аммиака требуется в соответствии с условиями голландского экологического разрешения и должен быть включен в спецификацию установки CEMS с момента ввода в эксплуатацию.
Вопрос 6. Как долго служит катализатор и когда его необходимо заменять?
Щелочестойкий катализатор в этой установке имеет гарантию химического ресурса в 24 000 часов, что соответствует примерно 3 годам непрерывной круглосуточной работы или примерно 4 годам при типичной для линий по выплавке алюминия интенсивности 6000–7000 часов в год. Архитектура катализатора с 3+1 слоями означает, что когда активный слой достигает конца своего химического ресурса, его можно заменить запасным слоем без остановки SCR-реактора или подключенной производственной линии. Замена катализатора должна планироваться как плановое техническое обслуживание, запланированное заранее в течение ежегодного периода технического обслуживания, а не как реакция на наблюдаемое снижение производительности.
Вопрос 7. Что произойдет, если в качестве топлива для печи заменить природный газ на смесь, включающую твердую биомассу или уголь?
Любое изменение типа топлива в печи, приводящее к попаданию SO₂ в поток отходящих газов, включая совместное сжигание с биомассой, углем или мазутом, коренным образом изменит профиль загрязняющих веществ, поступающих в реактор SCR на горячей стороне. При температуре 350–400 °C в присутствии SO₂ на поверхности катализатора образуются отложения бисульфата аммония (ABS), которые постепенно блокируют поры и уменьшают эффективную площадь поверхности катализатора. Скорость образования отложений ABS быстро возрастает с увеличением концентрации SO₂. Введение любого топлива, содержащего SO₂, в качестве топлива для совместного сжигания без предварительной модернизации катализатора SCR до состава, устойчивого к ABS, или без перемещения SCR в конфигурацию на холодной стороне после мокрого скруббера FGD, значительно сократит срок службы катализатора. О любом изменении типа топлива необходимо сообщить инженеру системы контроля выбросов до его внедрения.
В8. Как система интегрирована с системой непрерывного мониторинга и управления (CEMS) предприятия для отчетности о соответствии требованиям разрешений ЕС?
Система непрерывного мониторинга окружающей среды (CEMS) охватывает следующие параметры: концентрации NOx, пыли (PM), CO, O₂, температуру и расход в виде непрерывных каналов, при этом концентрация NH₃ непрерывно измеряется на выходе из SCR. Также может проводиться мониторинг SO₂ для проверки отсутствия загрязнения топлива. Данные передаются в режиме реального времени в систему экологического менеджмента предприятия и, в соответствии с условиями голландского экологического разрешения, на онлайн-платформу мониторинга компетентного органа. Среднечасовые концентрации автоматически рассчитываются и отмечаются, если они приближаются к предельно допустимым значениям. Система управления SCR SCADA генерирует непрерывный оперативный журнал, который интегрируется с платформой управления данными CEMS для консолидированной ежегодной отчетности о соответствии требованиям разрешения в адрес Omgevingsdienst.
В9. Можно ли применять данную архитектуру системы SCR как в печах вторичной (рециркуляционной) плавки алюминия, так и в печах первичной плавки?
Да, с учетом специфических требований к применению. Печи вторичной выплавки алюминия (переработки лома) обычно генерируют более сложные отходящие газы, чем печи первичной выплавки, включая хлорированные соединения от добавок флюса (MgCl₂, AlCl₃), органические загрязнители от загрязненных покрытий лома и переменное количество NOx в зависимости от состава лома. Архитектура SCR при средних температурах применима к вторичной выплавке, но в спецификации катализатора необходимо учитывать любое содержание хлорсодержащих соединений в отходящих газах (которые могут образовывать хлорированные диоксины на поверхности катализатора при неоптимальных температурах) и более высокую концентрацию щелочных металлов из остатков флюса в ломе. Перед выбором катализатора для применения во вторичной выплавке рекомендуется провести специальное испытание на соответствие катализатора требованиям, предъявляемым к отходящим газам вторичной выплавки.
В10. Есть ли другие типовые установки SCR для выплавки алюминия, доступные для посещения?
Описанная в данном исследовании установка стала первой высокоэффективной системой SCR для среднетемпературных процессов в секторе алюминиевых плавильных печей. Таким образом, она представляет собой основную эталонную установку для данного конкретного применения. После этой первой установки были введены в эксплуатацию дополнительные установки на аналогичных предприятиях. Для квалифицированных потенциальных клиентов может быть организовано посещение эталонных объектов. Пожалуйста, используйте ссылку для связи ниже, чтобы запросить эталонную документацию или организовать посещение аналогичной установки SCR для алюминиевых плавильных печей.

Готовы решить проблему выбросов оксидов азота (NOx) в алюминиевых печах?

Ознакомьтесь с полным спектром решений по контролю промышленных выбросов.

От среднетемпературной SCR-денитрификации для печей выплавки алюминия до регенеративные системы термического окисления для промышленного снижения содержания летучих органических соединений.Наша инженерная команда разрабатывает решения, соответствующие требованиям ЕС по контролю выбросов цветных металлов, для самых сложных задач в этой области.

Данное исследование основано на реальном применении технологии среднетемпературной SCR-денитрификации и пылеудаления с помощью рукавных фильтров на высокопроизводительном предприятии по производству специальных материалов из алюминиевых сплавов. Технические параметры получены из проверенных инженерных документов, результатов компьютерного моделирования и данных мониторинга соответствия. Результаты отдельных проектов могут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации печи на конкретном предприятии, типа топлива, состава металлического сплава и применимой регулирующей юрисдикции. Нормативные предельные значения соответствуют Директиве ЕС о промышленных выбросах 2010/75/ЕС и положениям Указа о деятельности в Нидерландах (Activiteitenbesluit milieubeheer).