1.引言

近年来，在双碳背景下工业烟气污染物排放备受业内关注。以钢铁烧结/焦化烟气为代表的非电行业烟气已对我国大气环境造成了严重危害，其工序多、能耗高、烟气污染物种类多和排放总量大^[1,2]。2021年11月2日《中共中央国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》明确要推进钢铁、水泥、焦化行业企业超低排放改造，重点要大力推进挥发性有机物和氮氧化物协同减排。2024年1月，生态环境部发布《关于推进实施焦化行业超低排放的意见》提出高质量推进焦化行业超低排放改造，要求有组织排放的NO_x排放浓度不高于150mg/m³，非甲烷总烃不高于100mg/m³。因此，开发适用于工业烟气低温多污染物协同脱除技术能够有力支撑我国节能减排目标，实现煤炭高效低碳利用。

目前烟气多污染物控制技术普遍存在常规处理工艺如SCR脱硝催化剂无法同时脱除烟气中VOCs等污染物，现有研究多集中于以VOCs或NO_x为单一目标污染物进行催化脱除研究，对二者的协同研究也仅局限于提高表观脱除效率，对影响协同脱除效率的本质反应缺乏深刻的认识^[3-5]。另一方面常规脱硝催化剂往往需要280-320^oC以上的反应温度^[6,7]，如应用于焦化行业则需要耗能对烟气升温，因此NO_x和VOCs协同催化体系的研发具有较高的技术壁垒，目前国内还没有成熟的应用案例，亟需针对焦炉烟气特性，构建新型催化剂、建立新型多污染物协同控制工艺。

本文提出利用选择性催化还原脱硝（SCR）耦合广谱氧化VOCs的焦化行业烟气协同处理工艺。在该工艺中，烟气经SCR脱硝+催化氧化VOCs后，再通过干法脱硫+除尘，最终实现烟气多污种染物的高效协同脱除。根据催化剂优化和长周期运行效果，实现高强度蜂窝催化剂宏量制备；结合固定床反应器流场多尺度模拟优化反应器结构，最终建成30万Nm³/h焦炉烟气的NOx和VOCs协同脱除工业示范，在排烟温度下NO_x出口浓度低于50mg/Nm³，非甲烷总烃出口浓度低于50mg/Nm³，污染物达到超低排放要求。

2.催化剂制备及数值模拟方法

2.1.催化剂制备

对蜂窝载体进行规整装载后整齐码放至方形的浸渍笼中；根据试生产需要用去离子水配制浸渍液；将浸渍笼通过行车吊装至浸渍槽中，对催化剂载体进行浸渍处理，浸泡时间可做调整。待浸渍完成后，通过行车起吊、沥干明水后放置于隧道煅烧窑入口附近待用；将沥干明水的浸渍体整齐码放于隧道煅烧窑传输链条上，调整链条传输速度控制煅烧时间和升温速率。待催化剂经过降温段通过出口后，即得到所需协同脱除催化剂，将制备好的催化剂进行包装，随机抽取部分样品进行性能评价。

2.2.数据模拟方法

首先，根据初步设计建立反应器烟道、喷氨格栅和整流格栅的三维计算域；其次，通过划分网格将计算域离散化，并设置边界条件；然后将网格导入CFD计算程序进行计算求解，并根据模拟结果设置并调整导流板、喷氨格栅方案和整流格栅等，分析速度场和氨氮混合浓度场直到流场分布情况符合设计要求。

2.2.1 几何模型构建

根据实际工况按1：1比例建立SCR反应器全尺度三维几何模型，包含圆盘涡流混合器、喷氨格栅（AIG）、整流格栅、导流板、催化剂。因为内部支撑结构对数值模拟结果影响较小，建立几何模型时忽略内部支撑结构，最终模型结构如图1所示。

2.2.2 网格划分

使用MESH对几何模型进行网格划分，为了提高网格质量而采用混合网格。对于烟道、脱硝反应器和导流板等形状规则的地方采用非结构化的四面体网格；对于喷氨装置处的喷氨管，由于尺寸小、结构复杂，采用非结构化的四面体网格。通过 INTERFACE将各段网格连接起来。为精确计算烟气流动情况，在烟道壁面和导流板的附近设置边界层，增加网格数量，提高计算精度，网格划分结果如图2所示。

3.结果与讨论

3.1.催化剂稳定运行效果

催化剂的稳定运行不仅是影响化学反应效率的重要因素，也对工业长周期连续生产的反应系统起着至关重要的作用。因此，对制备的催化剂进行了NO_x和VOCs协同脱除的长周期稳定性评价，结果如图3所示。从图中可以看出，NO_x在初始阶段程上升趋势，转化率由95%上升至99%，后随着反应的进行，转化率降至91%，后随着反应的进行趋于稳定。VOCs的脱除率由最初的89%随着反应的进行略有下降后，趋于稳定。总而言之，在稳定运行的500多小时内，NO_x的转化率稳定在90%以上，VOCs的脱除率稳定在80%以上，说明催化剂具有较好的稳定性。

3.2.催化剂稳定批量生产

在前期实验和试生产确定工艺基础上，采购催化剂载体以及活性组分，采用载体浸渍法煅烧法得到多污染物协同脱除催化剂。所采用生产工艺参数为：配置优选比例的组分浸渍液，浸渍时间5h，沥干0.5小时；履带式隧道窑炉煅烧工艺参数为低于150^oC预热3h，煅烧温度340^oC，恒温时间8 h，升温速率50^oC/min，总停留时间24 h。生产流程如图4所示。

按照预定方法调试设备，分别调试生产所使用的溶液配制反应釜、行车、载体运输设施、煅烧炉相关气体输送、温度控制、尾气处理、产品包装等相关环节设备，保证生产顺利进行。完成设备调试后，启动催化剂生产流程。并随后进行了产品检测、运输、安装和检测等。

3.3.反应工艺优化模拟

3.3.1 速度分布

在设计工况下，SCR装置立面、喷氨系统上下游断面、首层催化剂层上游断面的速度分布及烟气流线等如图5。根据模拟结果图片显示，系统烟道内无明显回流区域；首层催化剂层上游的回流基本消除，速度分布均匀性很好（相对标准偏差系数为5.34%），均满足＜±10%的设计要求。

3.3.2 浓度分布

在设计工况下，SCR装置立面、喷氨系统区域、首层催化剂层上游的氨浓度分布情况及氨气流线如图6。结果显示：通过网格法设置喷氨格栅（4×11）网格布置喷氨格栅，进一步增设静态混合器和导流板，SCR系统的流场得到改善，促进了氨气与烟气的混合，从而使得首层催化剂前的氨浓度分布均匀性得到了改善，因此导流板的合理布置对于优化氨浓度均匀分布具有重要作用。在喷氨格栅后增设圆盘混合器，强化了烟气与氨气的混合，促进氨浓度分布均匀。数值模拟得到首层催化剂上游浓度分布的相对标准偏差为2.43%，满足小于5%的设计要求。

3.3.3 温度分布

在设计工况下，首层催化剂层上游温度分布趋势如图7所示。首层催化剂前温度分布均匀，温度偏差在2^oC以内；在氨氮混合过程中会通过热传递吸收烟气中的部分热量，故烟气经过喷氨区域后，烟气的温度会有所下降。

3.3.4首层催化剂烟气入射角

通过在合适的位置设置合理的导流板、整流格栅、AIG和涡流混合圆盘等，使得SCR系统的流场得到了改善，首层催化剂入口速度和浓度分布均匀。在设计工况下进行了速度分布、NH₃浓度分布、入射角、温度分布的CFD数值模拟研究，计算结果满足相关的性能指标。

3.4.工业示范现场建设及稳定运行

根据反应器优化结果，进行了设计变更和建设。建设应用选择在前端设施先进、炉况较好、管理一流的现场实施，华鑫煤焦化集团焦炉炉型为JNDX3-6.78单热式，三段加热、废气循环。项目年产冶金焦180万吨。建设过程如图9顺利进行。伴随着项目的稳定生产，焦炉烟气多种污染物协同脱除装置连续稳定运行2000小时后，催化剂保仍持了良好的性能，结果示于图10。净化后的烟气出口NO_x脱除效率达到92-96%，排放浓度约17-37mg/Nm³, 排放浓度低于50mg/Nm³；VOCs脱除效率为80-93%，非甲烷总体排放浓度为11-50mg/Nm³，排放浓度基本低于50mg/Nm³；各项指标都达到“超低排放”标准。

4.结论

本研究根据催化剂优化和长周期稳定性测试结果，完成催化剂批量生产工作。针对NOx和VOCs协同脱除工艺进行优化设计，利用CFD数值模拟对烟道和单侧SCR反应器结构进行建模仿真，使用Realizable湍流模型模拟脱硝系统的烟气流场，针对流场问题进行分析，优化调整烟道内部导流板以提高流场的均匀性，模拟结果有力支撑了示范现场导流板、喷氨格栅和整流格栅方案的调整，速度场和氨氮混合浓度场流场分布符合设计要求。在此基础上，完成30万Nm³/h烟气NO_x和VOCs协同脱除工业示范工程建设并稳定运行，在排烟温度下实现焦炉烟气的NO_x出口浓度低于50mg/Nm³，非甲烷总烃出口浓度低于50mg/Nm³，实现了超低排放。