液氨制氨水在余熱鍋爐SCR脫硝中的應用

孫多旬(揚子石化-巴斯夫有限責任公司，江蘇 南京 210048)

0 引言

近年來環保要求日益嚴格，根據GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規定燃氣輪機組氮氧化物NOx(以NO2計)排放濃度限值是50mg/m3(基準氧含量為15%，下同)，《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》江蘇省征求意見稿中規定現有燃氣輪機組NOx濃度限值是15mg/m3。該電廠燃氣輪機(燃料為天然氣)排放的NOx濃度不超過30mg/m3，不能滿足地方的標準要求。NOx的治理著手從源頭和尾氣排放末端處理，由于燃機出口的NOx已采用先進的低氮燃燒技術，從源頭改進難以實現，只能從尾氣末端治理，去除煙氣中的NOx含量，目前廣泛應用的脫硝方案主要有選擇性非催化還原脫硝(SNCR)和選擇性催化還原脫硝(SCR)等。SNCR具有無需增加催化劑模塊，占地小，成本低等優點，但對反應溫度要求較高，須為870～1100℃的區域，由于排煙溫度只有603℃不能滿足這一要求；而SCR脫硝能在較低的反應溫度區域適用，本工程采用SCR脫硝工藝。結合企業已有的液氨，將著重介紹液氨制氨水還原劑，以及SCR在現運行余熱鍋爐的實際應用。

1 設計條件和脫硝性能參數

現運行的余熱鍋爐為露天布置、臥式、自然循環、可補燃、雙壓(高壓蒸汽：68t/h，74.5bara，512℃ ；低壓蒸汽：12t/h，8.6bara，224℃)，鍋爐投入使用至今約15年，正常維護，運行狀況良好。燃機進余熱鍋爐的煙氣條件見表1，對脫硝的設計要求見表2。

表1 排煙參數

2 SCR脫硝系統

2.1 SCR脫硝反應機理

SCR脫硝系統是利用催化劑，在260～460℃反應溫度下，煙氣中的NOx與氨氣發生還原反應，生成氮氣和水，從而降低NOx的排放量。其中SCR 反應器中發生反應如下：

表2 脫硝的設計要求

2.2 脫硝催化劑

脫硝催化劑種類繁多，大多數工業SCR催化劑均采用了釩鈦基催化劑，以V2O5為主要活性成份，TiO2為載體，以WO3、MoO3為抗氧化、抗毒化輔助成份。催化劑型式有三種：板式、波紋板式和蜂窩式。

(1)板式。板式催化劑以不銹鋼金屬板壓成的金屬網為基材，將TiO2、V2O5等的混合物黏附在不銹鋼網上，經過壓制、鍛燒后，將催化劑板組裝成催化劑模塊。板式催化劑機械強度高，但有效面積小、體積較大，實際活性物質比蜂窩式少50%，目前使用較少。

(2)波紋板式。波紋板式催化劑的制造工藝一般以用玻璃纖維加強的TiO2為基材，將WO3、V2O5等活性成份浸漬到催化劑的表面，以達到提高催化劑活性、降低SO2氧化率的目的。采用纖維骨架，重量輕，但表面積介于板式和蜂窩式之間，活性物質比蜂窩式少70%，目前波紋板式市場上也得到了廣泛應用，但生產廠家較少。

(3)蜂窩式。蜂窩式催化劑一般為均質催化劑。將TiO2、V2O5、WO3等混合物通過一種陶瓷擠出設備，制成截面積為150×50mm，長度不等的催化劑元件，然后組裝成標準模塊。蜂窩式催化劑表面積大，同等脫硝效率下，需要的催化劑量較少，該催化劑在市場上應用較多，且生產廠家多。由于在現有的余熱鍋爐內改造，內部空間較緊湊，采用蜂窩式催化劑(V2O5-WO3-TiO2)。

2.3 還原劑的選擇

目前脫硝還原劑主要有液氨、尿素以及20%氨水，在這三種還原劑的選擇上其優勢和優劣勢比較如下。

(1)液氨。因電廠空間受限不可設置液氨儲罐，而該化工企業內部罐區有一個500m3液氨儲罐，離電廠有2000m左右的距離，可從該罐區液氨母管處引DN50分支管道供應到電廠脫硝單元。液氨蒸發器可以以母管制連接方式向3臺燃機供應氨氣，氨氣蒸發器與其后續的氨氣緩沖罐以單元方式運行。

GB 50160—2008《石油化工企業設計防火標準》2018版在液化烴、可燃液體的火災危險分類舉例中，將液氨列為乙A類，將其按照可燃液體類考慮，電廠脫硝使用液氨屬于壓縮性液化有毒氣體，歸于爆炸性氣體類，對于液氨的存儲以及相關設備比如液氨蒸發器與其他建構物、儲罐等都有防火間距要求，GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》將氨劃為IIA 級之T1組別，爆炸氣體環境屬于2區。綜上，液氨用于已建成的電廠較為困難，氨氣蒸發器與氨氣緩沖罐與周圍的設施存在防火間距要求，現場物理空間較緊湊難以找出合理的位置放置設施，且現有鍋爐區域電氣設施和儀表為非防爆類別，若引入液氨到鍋爐區意味著電氣和儀表必須要更換為隔爆型或者本質安全型產品，相關控制機柜的布置要遠離爆炸危險區域附加2區，施工難度大。

(2)尿素。尿素作為還原劑分為熱解法和水解法。尿素水溶液熱解溫度在350～650℃，生成氨氣、二氧化碳、水，可利用鍋爐的熱煙氣加熱噴入到煙氣中；尿素水解，先將尿素配置成水溶液，通過水解器生成氨氣、二氧化碳、水，與空氣混合噴入到煙氣中。儲存和溶解尿素的區域，包含尿素儲倉、尿素溶解罐、尿素溶液罐、尿素溶液循環輸送泵等。電廠現場物理空間較緊湊，尿素儲倉屬于新建筑，難以建立尿素卸車場地，投資以及運行成本較高。

(3)液氨配置氨水(20%)。液氨從500m3液氨儲罐通過DN50分支管道輸送至電廠內部，通過氨稀釋器與除鹽水混合稀釋成20%的氨水。氨水危險性比液氨要低，根據現行國家標準GB 12268—2012《危險貨物品名表》中描述“含氨量高于10%，但不超過35%的氨水溶液，屬非易燃無毒氣體，具有輕度危險性”，電廠脫硝用氨水含氨量不超過25%，參照相關標準將氨水的火災危險性按丙類對待，氨水稀釋器以及氨水存儲容器放置在現有拆除的石腦油罐區，防火間距滿足要求。除液氨稀釋器定義成防爆2區，其他氨水設備定義為非防爆區。配置的氨水可供3～5天使用，中間即使液氨斷供，也不受影響，脫硝穩定性好。

2.4 脫硝工藝流程

余熱鍋爐內部高壓蒸發器與高壓省煤器之間煙道空間增加SCR催化劑模塊，本項目采用蜂窩式催化劑(V2O5-WO3-TiO2)，單臺爐總布置20個催化劑模塊；噴氨格柵(AIG)布置鍋爐的SCR上游的兩級蒸發器之間的煙道間隙，留足混合空間。現場設置一個氨水存儲區，公共布置1臺液氨稀釋器、2臺氨水容器、1臺水封容器，3臺余熱鍋爐共享設施，液氨和除鹽水在稀釋器中稀釋成20%濃度的氨水，稀釋熱量通過外部冷卻水移除。配置氨水存儲在氨水存儲容器中，一次配置可供滿足幾天的耗量，氨水通過氨水泵，經氨水母管送往每臺余熱鍋爐的氨水蒸發器。每臺余熱鍋爐附近設置2臺風機，從余熱鍋爐煙道中抽取高溫煙氣，進入氨水蒸發器。氨水蒸發器將氨水蒸發為含5%氨氣進入鍋爐內部的AIG,脫硝系統流程如圖1所示。

圖1 脫硝系統流程

氨水(20%)還原劑耗量按公式(1)計算，氨氮摩爾比按公式(2)計算：

式中：GNH3·H2O為還原劑耗量(kg/h)；Q為折算到標準狀態，干基、15%O2下的煙氣流量(m3/h)；GNOx為折算到標準狀態，干基、15%O2下的SCR入口煙氣中NOx濃度(mg/m3)；n為氨氮摩爾比；CslipNH3為折算到標準狀態，干基、15%O2下的氨逃逸濃度(mg/m3)；ηNOx為脫硝效率(%)。

通過計算得出，三臺鍋爐NOx排放低于相關要求限制，所用氨水總量約82kg/h，平均每臺爐氨水耗量27.33kg/h。

3 結語

該電廠鍋爐煙道SCR脫硝項目，受限于現場空間緊湊，使用液氨制氨水作為脫硝還原劑，整個過程都是在設備和管路封閉系統中進行，自動化程度高，減少操作人員工作負荷和暴露的風險等優點。經過裝置一段時間的穩定運行，氮氧化合物被控制在15 mg/m3以下，氨水無論在安全性、經濟性、穩定性都有不可比擬的優勢。