多工況脫硝一體化余熱鍋爐設計

解冰川

摘 要：催化裂化裝置余熱鍋爐設計復雜，適應工況多，環保要求高，其排放的氮氧化物會對環境產生不利影響。在某項目220萬噸/年催化裂解裝置中，采用了一種多工況脫硝一體化余熱鍋爐設計。鍋爐結構緊湊，對于煙氣溫度控制準確合理，工況適應性強，保證了脫硝系統在催化裝置不同工況下的穩定運行。

關鍵詞：催化余熱鍋爐；SCR；多工況；煙氣溫度控制

近年來，隨著國家綠色發展理念的提出，對煉廠中余熱鍋爐的排放指標提出了更高的要求。目前，隨著國家對環保要求的日趨嚴格，部分地區更是對國家頒布的《火電廠大氣污染排放標準》（GB13223-2011）的排放限值進行升級，余熱鍋爐增設脫硫脫硝措施已經勢在必行。文章只就余熱鍋爐的脫硝技術進行討論，介紹了對某石化廠催化裂化裝置的余熱鍋爐的多種工況進行了詳細計算，根據計算結果引入了煙氣分流的理念，通過調節煙氣量控制脫硝裝置的入口溫度，適應多種生產工況，達到了節能減排的目的。

1 煙氣脫硝技術簡介[1]及技術選擇

煙氣脫硝技術是一種在燃料基本燃燒完畢后通過還原劑把煙氣中的NOx還原成N2和H2O的一種技術。通用的煙氣脫硝技術包括選擇性催化還原脫硝技術（SCR）和選擇性非催化還原脫硝技術（SNCR）。

1.1 選擇性催化還原脫硝技術（SCR）

SCR其原理是在一定的溫度和催化劑作用下，還原劑有選擇地把煙氣中的NOx還原為無毒無污染的N2和H2O。SCR脫硝技術是目前世界上應用最多，最為成熟有效的一種煙氣脫硝技術，反應溫度一般在300～420℃之間，脫硝效率可達90%，催化劑使用壽命一般為3年。

1.2 選擇性非催化還原脫硝技術（SNCR）

SNCR脫硝技術是把含有HNx基的還原劑（如尿素）噴入爐膛溫度為800～1100℃的區域，該還原劑迅速熱分解成NH3，并與煙氣中的NOx進行反應，生成N2，該方法以爐膛為反應器，可通過對鍋爐進行改造實現。SNCR工藝的NOx脫除效率主要取決于反應溫度，NH3與NOx的化學計量比、混合程度、反應時間等，通常設計合理的SNCR工藝能達到30%～70%的脫硝效率。SNCR技術具有一次性投資少，運行成本低等特點。

本項目的余熱鍋爐，正常工況時，入口高溫煙氣溫度為540℃，經過方案比選，脫硝技術選用SCR工藝。

催化劑是SCR煙氣脫硝的核心部件，性能直接影響整體脫硝效果。而煙氣溫度是影響催化劑運行的重要因素，不僅決定反應物的反應速度，而且決定催化劑的反應活性，決定催化劑的壽命[2]。不同的催化劑具有不同的適宜溫度范圍（稱為溫度窗口）。對于特定的一種催化劑，其溫度窗口是一定的。當反應溫度低于窗口的最低溫度，在催化劑上將出現副反應。氨分子與SO3和H2O反應生成（NH4）2SO4或NH4HSO4，減少了與NOx的反應，生成物附著在催化劑表面，引起污染積灰并堵塞催化劑的通道和微孔，從而降低催化劑的活性。如果工作溫度高于反應溫度窗口，催化劑通道與微孔發生變形，導致有效通道和面積減少，從而使催化劑失活[3]。

在本項目的設計中，根據SCR廠家的要求，SCR催化劑的最佳設計溫度窗口在340±20℃的范圍之間。為了把SCR的操作溫度控制在340±20℃的溫度范圍之內，對于催化余熱鍋爐煙氣引出位置及煙氣溫度的控制，成為了余熱鍋爐脫硝系統的設計要點，同時由于催化裝置的煙氣條件及熱負荷的多變性，在余熱鍋爐的設計中，必須充分考慮其各工況下的特點，保證在任何工況下，進入SCR的煙氣溫度均可控制在合理溫度范圍之內。

2 余熱鍋爐的多工況介紹

催化裝置的生產過程中有大量的余熱產生，除了再生器產生的大量的高溫煙氣進入余熱鍋爐發生蒸汽外，同時裝置中外取熱器和油漿蒸汽發生器也發生了大量的飽和蒸汽，需要進入余熱鍋爐的過熱器中過熱。當催化裝置本身的負荷發生變化，或者外取熱器及油漿蒸汽發生器負荷發生變化時，都會對余熱鍋爐的負荷造成變化。余熱鍋爐的設計必須滿足在任何工況下，保證蒸汽出口參數和SCR入口煙氣溫度的要求。本項目余熱鍋爐的設計共考慮以下9種設計工況，其熱力計算匯總表見表1。

3 余熱鍋爐結構

根據多工況余熱鍋爐熱力計算結果及長周期運行的需要，余熱鍋爐整體呈“π”型，單鍋筒自然循環、微正壓、露天布置、全鋼構架結構，參數為中溫中壓，額定蒸汽壓力3.9MPa（G），額定蒸汽溫度420℃。

如圖1所示，多工況脫硝一體化余熱鍋爐，由進口煙道（1）、旁路煙道（2）、過熱段（3）、1#蒸發段（4）、脫硝裝置入口煙道（5）、2#蒸發段（6）、3#蒸發段（7）、省煤段（8）、出口煙道（9）、煙氣控制蝶閥Ⅰ（10）、煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）、煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）、煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）、煙氣控制蝶閥Ⅴ（14）和汽包（15）組成。

裝置來的高溫再生煙氣依次流經進口煙道、過熱段、1#蒸發段、脫硝裝置、2#蒸發段、3#蒸發段、省煤段、出口煙道。

余熱鍋爐同時設置了三個煙氣入口，一路為煙氣流經進口煙道（1），經過煙氣控制蝶閥Ⅰ（10）進入鍋爐；另一路為煙氣流經旁路煙道（2），經過煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）進入過熱段（3）之后；第三路為煙氣流經旁路煙道（2），經過煙氣控制蝶閥Ⅳ（13），進入1#蒸發段（4）之后。通過調節各煙氣入口的煙氣量，達到在各工況下，滿足蒸汽出口參數和SCR入口煙氣溫度的要求。

4 余熱鍋爐控制

由于外取熱器和油漿蒸汽發生器產生的蒸汽必須在余熱鍋爐內過熱，余熱鍋爐需在任何工況下均保證蒸汽質量和蒸汽參數合格，而脫硝裝置位于1#蒸發段的后面，為了保證脫硝效果必須使得脫硝裝置的入口煙氣溫度控制在340±20℃，這就要求余熱鍋爐的設計必須考慮滿足鍋爐過熱蒸汽出口溫度、脫硝裝置的入口溫度的需要，同時還要合理布置各受熱面。余熱鍋爐的受熱面一旦布置成型就無法更改，但是為了適應這種多樣化、復雜化的煙氣流量的變化，只有通過調節煙氣的分配，去適應煙氣流量及溫度的變化。因此余熱鍋爐的設計引入了煙氣分流理念，通過煙氣控制蝶閥Ⅰ（10）、煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）、煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）、煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）、煙氣控制蝶閥Ⅴ（14）的調節來控制煙氣分配流量，進而保證了余熱鍋爐在各種工況下均能保證脫硝裝置340±20℃的入口溫度。

根據表1的計算結果，現就如下三種典型工況進行詳細說明（見圖2）：

（1）正常工況。由表中計算結果可以看出，在正常工況下，過熱器受熱面積有裕量。倘若所有煙氣均通過過熱器，那么必將引起蒸汽超溫。因此，煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）打開，保證部分高溫煙氣沒有經過過熱器。同時我們看到，1#蒸發段受熱面積同樣有裕量，倘若所有煙氣均經過1#蒸發段，那么1#蒸發段的出口煙氣溫度將低于340℃，無法保證脫硝裝置的正常運行。因此，煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）打開，保證部分高溫煙氣與經過1#蒸發段的低溫煙氣混合，達到合理的溫度。由計算結果可知，工況3、工況4、工況5和工況8與正常工況結論相似。

（2）工況7。由表中計算結果可以看出，此條件下，過熱器受熱面積同樣有裕量。因此，煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）打開，保證部分高溫煙氣沒有經過過熱器。但是我們發現，1#蒸發段受熱面積剛剛好，當所有煙氣均通過1#蒸發段時，才能保證煙氣溫度降到脫硝裝置要求的溫度，因此，煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）必須關閉，保證沒有任何高溫煙氣越過1#蒸發段與經過1#蒸發段的低溫煙氣混合。由計算結果可知，工況2和工況6結論相似。

（3）工況9。由表中計算結果可以看出，此條件下，過熱器受熱面積沒有裕量。若想讓蒸汽出口參數滿足蒸汽參數的要求，必須保證全部高溫煙氣都經過過熱器。因此，煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）必須關閉。同時我們看到，1#蒸發段受熱面積同樣有裕量，倘若所有煙氣均經過1#蒸發段那么出口溫度將低于340℃。因此，煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）打開，保證部分高溫煙氣與經過1#蒸發段的低溫煙氣混合，達到合理的溫度。

由于工況復雜，對于脫硝裝置入口煙氣溫度的合理調節必須依賴通過煙氣控制蝶閥Ⅰ（10）、煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）、煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）、煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）、煙氣控制蝶閥Ⅴ（14）這五個閥門的互相配合，各閥門開度也需要根據實際情況，具體調節。

5 結束語

綜上所述，隨著環保要求的提高，催化余熱鍋爐的設計既要適應裝置參數多工況的變化，又要滿足脫硝裝置溫度的需求，使催化裂化裝置余熱鍋爐煙氣獲得最佳的脫硝效果，從而滿足環保的要求。某廠催化裂化裝置余熱鍋爐的設計結合實際情況，對以上兩種要求作了充分的考慮，引入了煙氣分流的理念，并對各種工況進行了詳細計算和分析對比，采用了通過煙氣的調節來達到控制脫硝裝置入口煙氣溫度的措施。使本余熱鍋爐的設計適應多工況，并保證脫硝工藝合理運行，這樣不但能很好地回收催化裂化裝置的余熱，更達到了脫硝的要求，實現了節能減排的目的，具有很好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

[2]郭永華.煙氣溫度對SCR脫硝催化劑的影響[J].能源研究與利用，2013，4.

[3]周立新.工業脫硫脫硝技術問答[M].北京：化學工業出版社，2006.