B-SNCR脫硝在燃氣鍋爐的應用

潘巖

（梅鋼熱電廠，江蘇 南京 210039）

1 梅鋼全燒煤氣鍋爐簡介

在以高爐煉鐵—煉鋼—軋鋼為流程的鋼鐵生產過程中，在生產鋼鐵產品的同時，也產生了大量的副產品：高爐、焦爐、轉爐煤氣［1］。這些副產品煤氣約占鋼鐵企業總能耗的40%［2］，除供給加熱爐和熱風爐等爐窯用來燃燒外，剩余大部分煤氣資源將輸送到電廠用來燃燒發電［3］。

梅鋼熱電廠屬于鋼鐵企業自備電廠，通過燃燒煉鐵煉鋼焦化工藝產生的高爐轉爐焦爐煤氣對梅鋼內部供電供熱，整個電廠區域布置在煉鐵廠東南角片區域，電廠初期規劃僅3爐2機，預留場地不大，隨著后期擴建，發展到6爐4機，這也導致鍋爐房的最西側及最北側均已和煉鐵廠一墻之隔，鍋爐房東側是電廠唯一的主干道及水處理工藝部門，鍋爐房南側是汽輪機房，因此整個鍋爐區域空間小而緊湊，今后已無法騰出更多的建設施工空間，這也限制了鍋爐區域新建增設占地面積較大設備的可能性。梅鋼熱電廠現有6臺220 t/9.8 MPa型高溫高壓鍋爐，其中1~3號鍋爐原為摻燒30%高爐煤氣的煤粉煤氣混燒鍋爐，4~6號鍋爐為純燒煤氣鍋爐。2012年開始，1~3號鍋爐陸續改為全燒煤氣鍋爐，6臺鍋爐當量高爐煤氣最高處理能力超100萬m3/h，其熱能供應汽輪發電機運行，年發電量超過10億kW·h。隨著工業科技水平的不斷發展，我們也在主動跟進，多次進行設備技改，2019—2020年所有全燒煤氣鍋爐更新布置了碳酸氫鈉干法脫硫和布袋除塵工藝，經處理的鍋爐煙氣SO2小于35 mg/Nm3，煙塵小于5 mg/Nm3，均符合超低排放限值（環大氣〔2019〕35號文件）。在煙氣氮氧化物指標方面，歷年來我們采取相應技術方案和措施，如高焦煤燃燒器低熱負荷、分散布置等降低爐膛峰值溫度以減少熱力型氮氧化物生成的技術，此外全燒煤氣鍋爐的燃燒調整操作上采用錯層、逐級供風等方法，盡可能降低燃燒溫度高所致的氮氧化物生成，通過上述處理，各臺鍋爐煙氣氮氧化物雖然有所下降，但是依然存在峰值高于50 mg/Nm3的時段，也就是說，根據最新環大氣〔2019〕35號文件，我們使用多年的6臺燃氣鍋爐都需要得增設煙氣脫硝處理工藝才能徹底消除部分時段NOx大于50 mg/Nm3的情況，保障全時段穩定運行，因此我們必須考量分析更多的煙氣脫硝方案，從而確定最適合梅鋼電廠燃氣鍋爐的煙氣脫硝工藝，并高效建設投運，促使企業可持續發展。

2 國內現有脫硝工藝情況

煙氣氮氧化物（NOx）脫除工藝，即是煙氣脫硝，現有方法包括SCR、SNCR、氮氧燃燒技術、電子束照射法、臭氧氧化法、吸附法、氧化吸收法等。目前，最主流應用最廣泛的脫硝工藝，分為選擇性催化還原法和選擇性非催化還原法，即SCR脫硝技術和SNCR脫硝技術，SCR法需要使用催化劑，使反應溫度降低，其他反應原理和SNCR相仿，NOx最終被還原成N2和H2O（若以尿素為還原劑，SNCR反應產物還有CO2）。概括而言，國內工廠采用最多的煙氣脫硝工藝技術主要是SCR脫硝和SNCR脫硝兩種，而受限于場地和建設周期及成本控制，此兩種脫硝工藝不是梅鋼熱電廠的首選，我們了解到一種B-SNCR脫硝工藝：一種生物質脫硝劑，在煙氣內650~950℃的溫度區間內通過多個專用高效霧化噴嘴，噴入爐膛，使液體生物脫硝劑與煙氣在爐內充分覆蓋混合，脫硝劑在高溫和鈣離子的作用下快速分解產生大量高活性自由還原基團，與NOx發生還原反應，將NOx還原成N2、CO2和H2O，脫硝綜合反應式：CaTN+NOx+SO2+O2→N2+H2O+CO2+Ca SO4。通過對上述3種脫硝工藝技術的整理歸納，對比如下（見表1）。

表1 3種脫硝工藝對比

3 對比后所采用的脫硝工藝

結合梅鋼熱電廠6臺鍋爐的煙氣特點和廠區實際，從脫硝效率、應用業績、造價投資、占地面積等多個方面對3種擬采用的脫硝工藝進行比較。對比同等級傳統燃煤、燃油等鍋爐，全燒煤氣鍋爐的煙氣量大，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物濃度低，因此傳統技術對全燒煤氣鍋爐的煙氣處理存在一定的局限性。由于梅鋼熱電廠鍋爐區域空間小而緊湊，無法騰出較大建設施工空間，加上SCR脫硝工藝投資費用、溫度區間要求、增設反應塔、催化劑、氨逃逸、反應物易堵塞空預器等原因，故排除SCR工藝。SNCR工藝雖然占地較小，但是脫硝效率僅為30%~50%，也不利于全燒煤氣鍋爐的煙氣處理。此外，煙氣處理過程中產生的固廢、廢水處理及其去向問題也需納入考慮。綜上所述，相對而言，B-SNCR脫硝工藝更適合梅鋼熱電廠的全燒煤氣鍋爐：占地小、投資省、脫硝率＞80%；不需要催化劑、設備簡單且該工藝采用生物復合脫硝劑，據SDS說明書，脫硝劑無毒、無腐蝕，基本滿足全燒高爐煤氣鍋爐超低排放的氮氧化物指標要求，B-SNCR脫硝設備位置示意如圖1所示。

圖1 脫硝設備位置示意

4 應用情況及效果

根據設計，梅鋼熱電廠全燒煤氣鍋爐的煙氣脫硝系統分為2套：1#、2#、3#鍋爐共用一套B-SNCR脫硝系統，4#、5#、6#鍋爐共用另一套系統，每套系統均包含脫硝劑儲罐、除鹽水罐、混合稀釋罐及相關泵與對應的鍋爐側脫硝劑調門、分配箱、脫硝劑霧化噴槍等，兩個脫硝劑儲罐，按照機組平均滿負荷運轉可保證供應7~10 d（見表2、表3）。

表2 主要指標（按NOx平均值80 mg/m3計算）

表3 主要指標（按NOx最高值150 mg/m3計算）

2020年底，根據6臺全燒煤氣鍋爐的生產檢修計劃，相應依次安排停爐后爐膛水冷壁開預留孔，以便后期安裝脫硝噴槍。在前期各項工作完成后，2021年3月開始施工建設，2021年6月23號竣工，7月1日正式投運。投運2個月來，運行情況良好，在燃料高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣比例發生大幅變化期間，能正常作用，鍋爐煙氣NOx全時段穩定控制在50 mg/Nm3以下，脫硝藥劑消耗平均穩定在設計值5~10 t/d，B-SNCR脫硝工藝完全符合梅鋼熱電廠對場地和建設周期及成本控制方面的要求。在煙氣處理方面，B-SNCR脫硝工藝也為我們新增了一項可控選擇的技術方案，今后我們還將在現有基礎上繼續努力，爭取進一步降低成本。

5 部分B-SNCR脫硝工藝經驗

各種煙氣脫硝工藝最終都會體現到工藝效果和藥劑成本兩個方面，為了將成功案例進一步分享，并為其他考慮B-SNCR脫硝工藝的企業提供相關經驗，現就梅鋼熱電廠B-SNCR脫硝工藝應用以來部分特殊時段脫硝劑用量增大的情況作詳細介紹，以供大家參考。

2021年7月，按照超低排放標準，鍋爐煙氣出口NOx濃度控制在50 mg/Nm3以下，部分時段由于全燒煤氣鍋爐的源頭煤氣品質較好，NOx穩定在40 mg/Nm3左右，不需要投用脫硝劑。NOx在40~70 mg/Nm3范圍內時，個別鍋爐未投脫硝劑，部分鍋爐投用少量脫硝劑，3#、5#、6#鍋爐投用了部分短噴槍（見表4），據統計6臺鍋爐7月份的單日脫硝劑總用量在5~10 t。

表4 脫硝噴槍投用數

5.1 源頭煤氣品質對脫硝劑用量的影響

目前，梅鋼熱電廠僅有鍋爐煙氣出口NOx參數，沒有入爐源頭煤氣的品質的參數值，因此相同負荷相同煤氣當量下，由于入爐煤氣品質變化，存在由此導致的脫硝劑用量增大，因此今后在脫硝劑用量增大時，該情況也要列入影響要素。

5.2 極低試驗對脫硝劑用量的影響

2021年8月以來，源頭煤氣品質發生變化，加上極低試驗期間，鍋爐煙氣出口NOx濃度按照小于25 mg/Nm3控制，遠超脫硝系統設計的排放標準（NOx濃度越大越容易脫除，越低則越難以脫除），因此脫硝劑用量明顯增加（表5）。

表5 極低試驗期間脫硝劑用量

5.3 焦煤摻燒量對脫硝劑用量的影響

根據8月21日鍋爐汽機大屏，鍋爐負荷1 161.9 t，滿負荷，其中焦爐煤氣為4.47萬m3。由于1#至6#鍋爐中，焦煤摻燒能力最大的就是3#、4#鍋爐（2~2.5萬m3/h），因此需要多燒焦爐煤氣時，3#、4#鍋爐優先摻燒。摻燒焦煤較多則導致NOx 指標上升，脫硝劑用量同時增加。以4#鍋爐為例，上述時段的焦煤支管調節閥開度14%，NOx瞬時值為34.85 mg/m3，NOx平均值為32.56 mg/m3。8月21日10時30分，將4#鍋爐焦煤支管開度關小到4%后，NOx開始逐步下降，到11時2分，4#爐NOx瞬時值下降到16.92 mg/m3，NOx平均值下降到18.98 mg/m3。脫硝系統投運以前，3#、4#爐NOx在40~50 mg/m3時，摻燒1.5~2 t萬焦煤，20 min內NOx會上升到60~80 mg/m3，也可說明摻焦煤對NOx上升有密切關系。

5.4 表計故障對脫硝劑用量的影響

8月21日20時47分，監測屏上4#爐NOx上升到49.91 mg/m3，4#爐通過降負荷到150 t，焦煤摻燒量降低到0，加大脫硝劑用量均無法使NOx下降，于是聯系校驗表計，校表之后，NOx下降到23.3 mg/m3。發生上述情況時，增加脫硝劑不僅無法降低NOx，而且會增大藥劑用量和成本，類似情況，8月12日也有發生：校表前，6#爐NOx 為38.77 mg/m3，校表后6#爐NOx 為8.87 mg/m3。

5.5 高溫對脫硝劑用量和噴槍的影響

根據4#爐膛CT系統顯示，高負荷時爐膛火焰中心溫度約1 300 ℃，爐膛四周噴槍區域大部分處于950~ 1 000 ℃，而脫硝劑的最佳反應溫度區間在650~950 ℃，因此高負荷工況，尤其摻燒焦煤時，脫硝劑未處于最佳反應區間，部分脫硝劑未能完全反應，也會導致用量明顯增加。此外，若爐膛火焰中心較長時間的偏移也導致個別近距的噴槍頭部損壞。

5.6 長噴槍在脫硝中的使用

由于可供參考的案例有限，為了保障和強化6臺全燒煤氣鍋爐在極端工況下的煙氣覆蓋面和脫硝效果，在東西側爐墻上部，折焰角后的高溫過熱器區域，還布置了數量不一的長噴槍，以便脫硝劑進一步與煙氣反應。根據運行測試，通過增減短噴槍的投用支數，可以完全覆蓋所需處理的鍋爐煙氣，而長噴槍單獨使用時，未能起到明顯效果，故今后對這6臺全燒煤氣鍋爐的煙氣脫硝，還是以短噴槍為主力。

5.7 脫硝投運對脫硫帶來的影響

全燒煤氣鍋爐B-SNCR煙氣脫硝系統投運以來，由于脫硝劑內Ca2+的存在，對脫硫也起到了一定作用，7月脫硫小蘇打用量對比6月減少100 t（6月耗量191 t，7月份耗量90 t），8月份SO2指標按照小于10 mg/m3控制的情況下，小蘇打全月用量為122 t，依然小于6月份的耗量，因此對于上述6臺鍋爐而言，也有利于減少脫硫小蘇打耗量。

6 結語

B-SNCR脫硝在梅鋼熱電廠全燒煤氣鍋爐的煙氣脫硝處理上，效果明顯，但是存在大量摻燒焦煤氣、極低試驗時，脫硝劑用量明顯增大的情況。通過在各臺鍋爐煙氣脫硝過程中所取得的經驗，將繼續做好各臺鍋爐的精準調控操作，以提高資源、能源利用率，進一步提升企業競爭力。