SNCR選擇性非催化還原法脫硝技術在重油催化裂化裝置的運用

吳章柱，王 澍，王本玲，戴琴榮，張 磊，于兆臣

(中國石油廣西石化分公司，廣西 欽州 535008)

1 SNCR工藝流程

1.1 SNCR反應原理

選擇性非催化還原(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)工藝以爐膛作為反應器，在800～1 100 ℃的溫度條件下，無催化劑存在的情況下，將還原劑氨(一般是氨或尿素)噴入煙氣中，使NOx還原生成氮氣和水，且無有害副產物生成。SNCR工藝利用爐內的高溫驅動氨與NOx的選擇性還原反應，因此不需要昂貴的催化劑和體積龐大的反應塔，具有投資低、停爐安裝期短的特點，是一種經濟實惠的脫硝技術。

SNCR脫除NOx的機理是利用氨(NH3)等還原劑在注入鍋爐之前霧化或者注入鍋爐后靠爐內的熱量蒸發霧化，在爐內條件下氣相的氨將NOx還原為N2和H2O。在800～1 100 ℃溫度范圍內，NH3還原NOx的主要反應為：

1.2 SNCR工藝流程

圖1為SNCR工藝的流程示意。CO焚燒爐的SNCR脫硝系統以氨水作為反應劑。來自界外的液氨進入聚結器，除去其中的雜質和水后進入液氨儲罐儲存。液氨儲罐中的液氨通過自壓進入氨水制備器與自界外來的除鹽水混合后制成質量分數20%的氨水溶液，制備好的20%氨水進入氨水儲罐儲存，之后通過氨水泵輸送到SNCR脫硝區使用。

由圖1可見，來自氨水儲罐的20%氨水經精確計量后進入氨水混合器中，除鹽水通過除鹽水泵加壓后從除鹽水罐輸送至氨水混合器，混合后的稀氨水進入噴槍。自界外的霧化風減壓后按一定比例進入噴槍，將稀氨水霧化，霧化后的氨水液滴噴射入爐膛，與煙氣中的NOx反應生成N2和H2O。此外，每支噴槍還配有冷卻風系統，防止噴槍因溫度過高而減少使用壽命。

圖1 SNCR工藝流程示意

圖2為SNCR工藝中噴槍位置示意。由圖2可見：系統有2個噴射區域，共12支噴槍；噴射一區位于CO焚燒爐17 500 mm位置，以圓周形式均勻分布6支噴槍；噴射二區位于CO焚燒爐22 500 mm位置，以圓周形式均勻分布6支噴槍。兩個噴射區域用來適應焚燒爐負荷的變化。CO焚燒爐的熱電偶安裝位置位于圖2中火嘴上方煙道水平管。

圖2 SNCR噴槍位置示意

2 結果分析

2.1 CO焚燒爐入口煙氣參數及脫硝操作參數

催化裝置CO焚燒爐通過補燃燃料氣將催化裂化再生煙氣中的CO進行燃燒。CO焚燒爐入口煙氣參數如表1所示。

表1 CO焚燒爐入口煙氣參數

SNCR脫硝單元的操作參數如表2所示。

表2 SNCR脫硝操作參數

2.2 煙氣NOx濃度與爐膛溫度的關系

對于催化裂化工藝，再生溫度一般在700 ℃左右，CO焚燒爐的爐膛溫度一般也僅有900 ℃左右，并非熱力型NOx生成的適宜溫度。瞬時型NOx的生成受溫度影響較小，但其生成效率非常低[2-4]。本套催化裂化裝置為不完全再生型催化裂化裝置。在不完全再生情況下，煙氣中會存在HCN和NH3，煙氣中的HCN和NH3在CO焚燒爐中與O2反應生成NOx，同時不完全再生過程產生的CO也促進NOx進一步轉化為N2[2]。圖3為煙氣中NOx的濃度隨爐膛溫度的變化情況。從圖3可以看出，爐膛溫度越高，NOx的濃度越高，煙氣中NOx的濃度隨爐膛溫度呈線性增長關系。

圖3 煙氣NOx濃度與CO焚燒爐爐膛溫度的關系

2.3 脫硝效率與爐膛溫度的關系

圖4 爐膛溫度與脫硝效率關系趨勢

2.4 脫硝效率與氨水注入量的關系

控制爐膛溫度為脫硝效率最高時的800 ℃，考察氨水注入量從50 kgh增大至280 kgh時脫硝效率的變化情況，結果見圖5。從圖5可以看出：隨著氨水注入量增大，脫硝效率逐漸增大；在氨水注入量為50～160 kgh范圍間，脫硝效率快速增長；當氨水注入量大于160 kgh時，脫硝效率增長變緩。

圖5 脫硝效率與氨水注入量的關系

2.5 脫硝效率與噴射區域的關系

SNCR工藝在設計過程中，根據CO焚燒爐的負荷選擇使用的噴槍。當焚燒爐低負荷運行，爐膛溫度較低時，采用下層噴槍注入氨水。當焚燒爐負荷較高，爐膛溫度較高時，采用上層噴槍注入氨水。在CO焚燒爐負荷為85%～90%，氨水注入量為200 kgh時，測試分別使用上下兩層噴槍的效果，結果如圖6所示。從圖6可以看出，當爐膛負荷較高時采用上層噴槍效率時的脫硝效率比使用下層噴槍時的脫硝效率平均高10%～15%。

2.6 脫硝效率與氨逃逸量的關系

圖7 脫硝效率與氨逃逸量的關系

在脫硝過程中，氣態NH3除了與煙氣中的氮氧化物NOx發生反應，還同時與煙氣中的SO3在低溫下發生副反應，生成硫酸銨和硫酸氫銨。硫酸銨在高溫狀態下易分解為硫酸氫銨。硫酸氫銨呈酸性，腐蝕性極強[5]。SNCR工藝設計氨逃逸量為8 mgm3(標準狀態)，工業實際運轉中，在保證較高脫硝效率的情況下，一般控制較低的氨逃逸率以降低硫酸銨和硫酸氫銨的生成，保證設備長周期運行。另一方面，較高的氨逃逸也會造成煙氣脫硫外排污水的氨氮含量過高。在爐膛溫度795～805 ℃下，逐漸增加氨水注入量，測試了氨逃逸量隨氨水注入量的變化情況，并與脫硝效率隨氨水注入量的變化情況一起繪制于圖7中。從圖7可以看出：隨著氨水注入量增大，脫硝效率增大，氨逃逸量也隨之增大；當脫硝效率低于60%時，氨逃逸量低于3 mgm3(標準狀態)；當脫硝效率高于60%時，隨著氨水注入量增加，氨逃逸速率快速增大；當氨水注入量達到220 kgh時，氨逃逸量達到設計值8 mgm3(標準狀態)，此時脫硝效率為72%。

2.7 SNCR工藝對CO焚燒爐及煙氣脫硫外排污水的影響

SNCR工藝在CO焚燒爐上進行改造，并在運行過程中向CO焚燒爐中噴入少量氨水及除鹽水。當噴入除鹽水的量為1 000 kgh、注入20%氨水的量為200 kgh時，對焚燒爐爐膛溫度、壓力及對煙氣脫硫外排污水的影響見表3。從表3可以看出，爐膛壓力無變化，爐膛溫度下降5 ℃，對CO焚燒爐的操作和煙氣脫硫洗滌塔外排污水的pH及氨氮含量無影響，CO焚燒爐出口煙氣的NOx濃度(標準狀態)由200～400 mgm3降低至70～130 mgm3。

表3 SNCR脫硝投用前后相關參數變化

3 結 論

廣西石化通過對CO焚燒爐進行技術改造，使用SNCR工藝進行煙氣脫硝，將催化裂化裝置出口煙氣中NOx的質量濃度(標準狀態)由改造前的200～400 mgm3降低至改造后的70～130 mgm3，排放值滿足《石油煉制工業污染物排放標準》中大氣污染物NOx排放值不大于200 mgm3(標準狀態)的要求，實現了達標排放，并對催化裂化裝置CO焚燒爐爐膛溫度影響很小，對爐膛壓力及對煙氣脫硫裝置外排污水的pH和氨氮含量無影響。SNCR工藝操作簡單，改造量小，物耗、能耗低，在氨逃逸量小于設計值8 mgm3(標準狀態)的情況下脫硝效率高達72%。

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