熱電廠鍋爐生物鈣煙氣脫硝技術(shù)實(shí)踐與應(yīng)用

文_黃美華 韓加友 周紀(jì)平 上海梅山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部

2019年，國(guó)家生態(tài)環(huán)境部出臺(tái)《關(guān)于做好鋼鐵行業(yè)超低排放評(píng)估監(jiān)測(cè)工作的通知》（922號(hào)文），鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)煙氣全流程超低排放已成趨勢(shì)。煙氣中含有大量的氮氧化物（NOx）、煙塵和硫氧化物，這三種物質(zhì)是主要的大氣污染物。本文針對(duì)NOx系統(tǒng)分析了當(dāng)前技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的脫硝技術(shù)。

1 項(xiàng)目背景

上海梅山鋼鐵股份有限公司熱電廠共有6臺(tái)高溫高壓鍋爐，其中1#～3#鍋爐由煤粉摻燒煤氣鍋爐經(jīng)改造為全燒煤氣鍋爐，4#～6#為全燒煤氣鍋爐。在增加SDS脫硫工藝+布袋除塵器后，鍋爐煙氣中的SO2含量與粉塵濃度可滿足超低排放要求，而NOx含量不滿足超低排放要求。煙氣排放情況具體見表1。

若因NOX不滿足排放指標(biāo)而導(dǎo)致公司鍋爐被迫關(guān)停，會(huì)造成40萬～50萬Nm3/h煤氣（折合高爐煤氣）的浪費(fèi)，隨之引發(fā)高爐鼓風(fēng)站汽拖用汽缺口（約340t/h）。這既浪費(fèi)能源，又會(huì)影響后續(xù)工段，還會(huì)造成大氣污染，不符合國(guó)家生態(tài)環(huán)境部環(huán)保要求。因此，梅鋼公司決定對(duì)鍋爐煙氣進(jìn)行脫硝改造。

2 工藝選擇

目前在工業(yè)中應(yīng)用的煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原脫硝法（SCR）、選擇性非催化還原脫硝法（SNCR）、SNCR-SCR混合法及新型高效的生物鈣煙氣脫硝法（B-SNCR）。

2.1 SCR脫硝工藝

選擇性催化還原法是目前世界上最為成熟的脫硝工藝，廣泛應(yīng)用于脫硝效率要求高（大于90%）的工程項(xiàng)目中，其工藝流程圖如圖1。

圖1 SCR脫硝流程框圖

2.1.1 SCR反應(yīng)原理

SCR脫硝技術(shù)的反應(yīng)原理是在有氧狀況與合適的溫度范圍內(nèi)，通過催化劑使煙氣中的NOx與NH3發(fā)生反應(yīng)，生成N2與H2O，從而達(dá)到除去煙氣中的NOx的目的，其基本反應(yīng)方程式為：

SCR脫硝技術(shù)的基本工作流程是在鍋爐適當(dāng)位置噴入還原劑（NH3），還原劑與煙氣均勻混合后通過一個(gè)由催化劑填充的脫氮反應(yīng)器，反應(yīng)器中的催化劑分上下多層（一般為2～4層）有序放置。在催化劑作用下，NOx和NH3發(fā)生還原反應(yīng)，生成N2和H2O。SCR反應(yīng)溫度為300～400℃，催化劑一般選用以TiO2為基體的V2O5/WO3混合物。在一般情況下脫硝效率超過80%。

2.1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：氨利用率高，氨逃逸濃度低；不易造成空氣預(yù)熱器堵塞；SCR煙氣脫硝技術(shù)的脫硝效率高，可達(dá)90%以上；對(duì)煤種的適應(yīng)性較高。

技術(shù)缺點(diǎn)：項(xiàng)目投資高，是SNCR的十幾倍；廢催化劑需要專門有相關(guān)資質(zhì)的公司處理；設(shè)備多、占地面積大；綜合運(yùn)行費(fèi)用高。

SCR工藝盡管非常成熟，在國(guó)外有10多年的應(yīng)用實(shí)踐，工程應(yīng)用案例比較多，但是存在投資大、風(fēng)機(jī)電耗高、催化劑需3年更換，且為危廢、不適合小鍋爐煙氣脫硝等問題。此外，梅鋼NOx入口含量較低，每臺(tái)鍋爐煙氣量低，因此，該工藝不適合用于梅鋼鍋爐煙氣改造工程。

2.2 SNCR（還原劑為氨或者尿素）工藝

選擇性非催化還原技術(shù)是將還原劑（NH3）直接噴入爐膛內(nèi)，與煙氣中的NOx發(fā)生SNCR反應(yīng)，生成N2。由于反應(yīng)過程不存在催化劑，因此爐膛溫度必須為850～1000 ℃。該方法以爐膛為反應(yīng)器，其工藝流程圖如圖2。

圖2 SNCR工藝流程示意圖

2.2.1 反應(yīng)原理

當(dāng)溫度為850～1000 ℃，NOx被NH3還原為N2，主要反應(yīng)為：

當(dāng)溫度高于1000 ℃時(shí)，NH3則會(huì)被氧化為NO，主要反應(yīng)為：

2.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低；系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要對(duì)原機(jī)組進(jìn)行大規(guī)模改造；運(yùn)行費(fèi)用低。

技術(shù)缺點(diǎn)：脫硝效率較低，通常為20%～40%，無法應(yīng)用在對(duì)排放要求較高的場(chǎng)合；常用還原劑為液氨或氨水，屬于重大危險(xiǎn)源，對(duì)運(yùn)輸及儲(chǔ)存的要求特別高，存在安全隱患；NH3逃逸率較高，不僅會(huì)污染大氣，還會(huì)與煙氣中的SO2反應(yīng)生成硫酸氫氨，造成空預(yù)器的變化腐蝕和堵塞；在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率不穩(wěn)定；容易造成噴嘴附近水冷壁的腐蝕。

SNCR脫硝工藝工程業(yè)績(jī)比較多，投資低、運(yùn)行成本低，但氨逃逸高，容易造成空預(yù)器的腐蝕和堵塞，以及噴嘴附近水冷壁的腐蝕，且液氨為重大危險(xiǎn)源（江蘇省政府辦公廳關(guān)于《印發(fā)江蘇省危險(xiǎn)化學(xué)品安全綜合治理方案的通知》中明確要求加強(qiáng)電廠涉危設(shè)施安全監(jiān)管。落實(shí)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)全省燃煤電廠重大危險(xiǎn)源（液氨罐區(qū)）安全風(fēng)險(xiǎn)防控工作的意見》，加快位于化工園區(qū)、人口集中區(qū)和安全距離不符合要求的燃煤電廠液氨罐區(qū)尿素替代改造進(jìn)程）。此外，SNCR脫硝工藝脫硝效率較低，對(duì)鍋爐負(fù)荷適應(yīng)性不強(qiáng)，無法應(yīng)用在較低濃度氮氧化物脫除工況。

2.3 B-SNCR脫硝工藝

B-SNCR脫硝工藝是一項(xiàng)新型的煙氣脫硝技術(shù)，其脫硝原理為：生物質(zhì)脫硝劑在煙氣的溫度區(qū)間為730～950℃時(shí)與煙氣混合，在高溫和鈣離子的催化作用下快速分解，產(chǎn)生大量高活性自由還原基團(tuán)，并與NOx發(fā)生還原反應(yīng)，生成N2、CO2和H2O，不存在其他副反應(yīng)，正常運(yùn)行時(shí)，其脫硝效率最高可達(dá)85%。

2.3.1 反應(yīng)原理

第一步，原料高溫裂解生成還原性自由基團(tuán)：

第二步，還原性自由基團(tuán)分別同NOx反應(yīng)：

綜合反應(yīng)式：

2.3.2 技術(shù)特點(diǎn)分析

該工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資低、脫硝效率高；沒有液氨或氨水運(yùn)輸、儲(chǔ)存等安全問題；脫硝溫度范圍寬（730～950 ℃）、效率高、整個(gè)過程最終產(chǎn)物只有N2、CO2、H2O，不會(huì)造成二次污染；專有脫硝劑呈弱堿性，沒有腐蝕，性質(zhì)穩(wěn)定，本身具有一定熱值，脫硝不損耗熱量；采用分布管設(shè)多個(gè)多口噴射裝置，從而達(dá)到大范圍霧化覆蓋，比傳統(tǒng)噴槍噴射更加均勻，實(shí)現(xiàn)真正的無隙覆蓋。

通過以上對(duì)比可以看出，BSNCR脫硝工藝具有設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便、無重大危險(xiǎn)源儲(chǔ)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)、更無氨逃逸造成的二次污染等優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)可行，可以滿足當(dāng)前及更嚴(yán)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，適合用于梅鋼鍋爐煙氣改造工程。

3 工藝應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)組成

梅鋼B-SNCR脫硝工藝首先在鍋爐煙道上選擇適合生物鈣脫硝劑反應(yīng)的溫度區(qū)間（730～950℃），布置多個(gè)專用高效霧化噴嘴，使生物鈣與煙氣充分混合，實(shí)現(xiàn)脫硝反應(yīng)在煙道內(nèi)的無隙覆蓋。通過輸送泵將儲(chǔ)罐里的生物鈣脫硝劑輸送至計(jì)量分配模塊，再準(zhǔn)確分配到每個(gè)噴射裝置，噴入鍋爐煙道尾部，最終脫除煙氣中的NOx。

生物質(zhì)煙氣脫硝系統(tǒng)主要包括：脫硝劑儲(chǔ)存站、輸送混合模塊、分配噴射模塊、電氣儀表控制及配套管道閥門等。

3.1.1 脫硝劑儲(chǔ)存系統(tǒng)

包含兩套脫硝劑儲(chǔ)存系統(tǒng)，在每個(gè)儲(chǔ)罐分別設(shè)有磁翻板液位計(jì)、溫度計(jì)、電加熱裝置，除鹽水罐設(shè)有磁翻板液位計(jì)。并通過遠(yuǎn)傳DCS畫面實(shí)施監(jiān)控，以便及時(shí)補(bǔ)充脫硝劑和除鹽水。脫硝劑儲(chǔ)罐通過溫度檢測(cè)低于-5℃自動(dòng)加熱，高于5℃自動(dòng)停止，可自行設(shè)定。補(bǔ)充脫硝劑時(shí)，通過罐車運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)，接入現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留卸液接口后，開啟卸液泵，經(jīng)過緩沖裝置和卸液泵輸送至相應(yīng)脫硝劑儲(chǔ)罐中。除鹽水根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供位置連通管道接入除鹽水罐中進(jìn)行補(bǔ)充。

3.1.2 脫硝劑輸送分配系統(tǒng)

脫硝劑輸送分配系統(tǒng)共設(shè)置兩套，每套含有除鹽水泵兩臺(tái)（一用一備）、脫硝劑輸送泵兩臺(tái)（一用一備）、稀釋混合裝罐一個(gè)。其中1#、2#、3#機(jī)組共用一套系統(tǒng)，4#、5#、6#共用一套系統(tǒng)。

1#、2#、3#機(jī)組系統(tǒng)啟動(dòng)后，由脫硝劑輸送泵和除鹽水泵將脫硝劑和除鹽水進(jìn)行加壓，并通過稀釋混合罐將脫硝劑和除鹽水按比例進(jìn)行稀釋混合（接近1：1的比例），然后通過管道將稀釋混合后的脫硝劑輸送至1#、2#、3#機(jī)組鍋爐相應(yīng)的高效噴槍。

4#、5#、6#機(jī)組系統(tǒng)啟動(dòng)后，由脫硝劑輸送泵和除鹽水泵將脫硝劑和除鹽水進(jìn)行加壓，并通過稀釋混合罐將脫硝劑和除鹽水按比例進(jìn)行稀釋混合（接近1：1的比例），然后通過管道將稀釋混合后的脫硝劑接送至1#、2#、3#機(jī)組鍋爐相應(yīng)的高效噴槍。

3.1.3 脫硝劑噴射系統(tǒng)

采用特有的新型專利噴射系統(tǒng)，此噴射系統(tǒng)采用分布管設(shè)多個(gè)多口噴射裝置，從而達(dá)到大范圍霧化覆蓋的目的。該噴射系統(tǒng)比傳統(tǒng)噴槍噴射更加均勻，可以實(shí)現(xiàn)真正的無隙覆蓋。噴槍上設(shè)有多組噴嘴，噴射角度60°～120°，爐內(nèi)反應(yīng)時(shí)間為0.2s。每臺(tái)機(jī)組噴槍采用兩側(cè)水平對(duì)稱布置，噴槍布置在鍋爐屏式過熱器與高溫過熱器的水平煙道處及鍋爐屏式過熱器入口，共兩處，根據(jù)鍋爐生產(chǎn)負(fù)荷情況確定噴射區(qū)域，每側(cè)設(shè)置4支。將現(xiàn)場(chǎng)供給的壓縮空氣接入噴槍接口，對(duì)稀釋混合后的脫硝劑進(jìn)行霧化并噴入鍋爐當(dāng)中與煙氣迅速混合與反應(yīng)。

3.2 應(yīng)用效果

梅鋼熱電廠鍋爐采用生物鈣脫硝技術(shù)，脫硝效果顯著，凈化煙氣中的NOx排放濃度穩(wěn)定在50mg/Nm3以下（見圖3），符合當(dāng)前的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，為梅鋼實(shí)現(xiàn)全流程超低排放奠定了基礎(chǔ)。

圖3 改造后鍋爐煙氣中的NOx排放濃度曲線

4 結(jié)語(yǔ)

生物鈣煙氣脫硝技術(shù)（B-SNCR），采用無氨生物脫硝方式，綠色環(huán)保、無氨運(yùn)行，從源頭上避免了氨逃逸及其不良影響，不存在液氨儲(chǔ)存的安全問題。且當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣也能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放，是一種高效實(shí)用環(huán)保的新型脫硝技術(shù)。

梅鋼熱電廠鍋爐煙氣經(jīng)BSNCR脫硝系統(tǒng)改造后，達(dá)到《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》的要求，即NOx濃度≤50mg/Nm3。NOx年排放量減少1376t，且無固廢、廢水、廢液產(chǎn)生，具有明顯的社會(huì)環(huán)境效益。