造氣吹風氣脫硝改造運行總結

周 鵬, 寧海文, 吳世家, 王遠強, 何 勇

(山西豐喜華瑞煤化工有限公司 山西運城 043100)

山西豐喜華瑞煤化工有限公司(以下簡稱山西華瑞化工公司)為積極響應國家在京津冀及周邊地區、汾渭平原進行的大氣污染綜合治理攻堅行動,2018 年實施了煙氣脫硫提標改造項目,項目建成后領先同類企業達到超低排放標準[《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271—2014)中特別排放限值規定的SO2≤50 mg/m3(標態)、NOx≤150 mg/m3(標態)、粉塵≤20 mg/m3(標態)]的要求。 山西華瑞化工公司的2 臺35 t/h 循環流化床鍋爐與造氣吹風氣余熱回收裝置的煙氣各自脫除氮氧化物[吹風氣采用選擇性非催化還原(SNCR)技術脫硝,流化床鍋爐排放煙氣采用選擇性催化還原(SCR)+SNCR 技術脫硝]后共同進入脫硫塔,副產硫酸銨作為產品進行銷售。

1 存在的問題及解決思路

山西華瑞化工公司2 臺循環流化床鍋爐原配套造氣吹風氣余熱回收裝置運行,鍋爐的煙氣對造氣吹風氣余熱回收裝置煙氣中的氮氧化物起到稀釋作用。 為降低合成氨生產成本,目前只開1 臺循環流化床鍋爐,蒸汽不足部分由其他公司供應,這直接導致鍋爐煙氣量減少,鍋爐煙氣對氮氧化物的稀釋作用減弱。 同時,造氣吹風氣工段為控制煙氣中氮氧化物含量,不得不增加氨水投加量,造成后工段脫硫溶液的酸度經常大于7.5(工藝要求pH 為5 ～7),影響硫酸銨的生成。 經研究決定,將造氣吹風氣余熱回收裝置中的軟水加熱器和空氣預熱器后移,在熱管蒸發器與軟水加熱器之間增設SCR 脫硝裝置。

2 技術改造

2.1 煙氣脫硝主要參數

造氣吹風氣余熱回收裝置煙氣脫硝主要參數見表1。

表1 造氣吹風氣余熱回收裝置煙氣脫硝主要參數

從日常運行效果來看,SNCR 的脫硝效率只能達到40%,造氣吹風氣余熱回收裝置出口煙氣中的NOx質量濃度為250～300 mg/m3(標態),單純提高SNCR 的脫硝效率無法實現NOx的達標排放,必須通過燃燒爐外脫硝以提高脫硝總體效率。本次改造在燃燒爐外采用SCR 脫硝工藝來提高脫硝效率。

改造前流程:燃燒爐生成的高溫煙氣分別經水管鍋爐、第二空氣預熱器、蒸汽過熱器、熱管蒸發器后降溫至240 ℃,再經軟水加熱器、第一空氣預熱器換熱,最后由引風機抽送至除塵、脫硫段。

分析煙氣流程與鍋爐熱力分布,同時考慮原煙氣中SO2、顆粒物濃度處于中等水平,可以使用中低溫SCR 脫硝催化劑,即在200～300 ℃溫度窗口內布置SCR 脫硝反應器進行脫硝。

考慮熱管蒸發器出煙溫度(軟水加熱器進口煙溫度)為240 ℃,本次改造將軟水加熱器與空氣預熱器后移,在熱管蒸發器與軟水加熱器間引出原煙氣,經SCR 脫硝后,再從該段匯入原煙路;第一空氣預熱器出口煙風管道接引風機入口。

此次改造方案工藝路線為:燃燒爐SNCR 脫硝→水管鍋爐→第二空氣預熱器→蒸汽過熱器→熱管蒸發器→SCR 脫硝→軟水加熱器→第一空氣預熱器→引風機→布袋除塵→氨法脫硫→煙囪排放。

2.2 系統組成與技術要求

2.2.1 設計基本條件

(1)煙氣系統配置1 臺SCR 反應器,煙氣垂直向下通過催化劑床層(2 層)。

(2)SCR 反應器內安裝飛灰吹掃裝置。

(3)SCR 反應器上部催化劑的使用條件見表2。

表2 SCR 反應器上部催化劑的使用條件

2.2.2 對催化劑的要求

(1)催化劑應整體成型,催化劑節距一般應不小于8.2 mm,催化劑壁厚一般不小于0.8 mm。

(2)催化劑模塊為能夠有效防止煙氣短路的密封系統,密封裝置的使用壽命不低于催化劑的使用壽命。 催化劑各層模塊一般規格統一,具有互換性。 在加裝新催化劑前,催化劑體積滿足脫硝效率＞90%、氨逃逸質量濃度＜3 mg/m3(標態)等的要求。

(3)催化劑采用模塊化設計,以減少更換催化劑的時間。 催化劑模塊采用鋼結構框架,以便于運輸。

2.2.3 催化劑的性能

(1)催化劑型號為CO-CH-SCR,蜂窩式,能在造氣吹風氣余熱回收裝置煙氣正常負荷39 000 ～42 000 m3/h(標態)下運行。

(2)催化劑能在煙氣溫度為240 ℃的情況下長期運行,同時能承受運行溫度300 ℃不少于5 h的考驗,不產生任何損壞。 當溫度為20 ～150 ℃時,催化劑應該能適應最小10 ℃/min 的溫升速率;當溫度為150 ～300 ℃時,催化劑應該能適應最小50 ℃/min 的溫升速率。

(3)催化劑化學壽命大于24 000 h,機械壽命大于26 000 h。

(4)催化劑設計時應考慮燃料中含有的微量元素可能導致的催化劑中毒。

(5)在加裝新的催化劑前,催化劑體積能滿足性能保證中關于脫硝效率和氨逃逸率等的要求,同時預留加裝一層催化劑的空間。

2.2.4 吹灰系統

SCR 反應器內配置1 套吹灰系統,每層催化劑上方布置1 臺聲波吹灰器,氣源為壓縮空氣,供應壓力為0.4～0.7 MPa,吹灰系統的控制納入脫硝DCS 系統。 吹灰頻率為10 min 吹灰1 次,單臺1 次運行10 s,結束后另一臺吹灰器投入運行;2 層催化劑對應2 臺聲波吹灰器,依次重復上述運行步驟。

2.2.5 脫硝裝置檢測系統

設置脫硝裝置檢測系統的目的主要是保證SCR 脫硝裝置正常運行,有效控制煙氣總量、NOx濃度、NH3逃逸率。 在進口煙道處設置NOx煙道流速、壓力、溫度測量點,根據各參數對氨水投加量進行自動調節,以達到最優的脫硝效果。 在SCR 反應器上設置壓差儀、溫度測試點,監測箱體內催化劑工作狀況。 在SCR 反應器出口設置NOx、SO2、NH3、溫度、壓力檢測點,檢測催化劑性能,用以分析脫硝數據及運行狀況。

2.2.6 煙道設計要點

催化劑床層總阻力應不大于1 000 Pa,煙道內煙氣流量小于15.0 m/s。 對煙道布置、形狀和內部件(如導流板、轉彎處導向板)等進行優化設計,盡量減小煙道系統的壓降。

2.2.7 寬低溫脫硝技術主要化學反應

寬低溫脫硝主要化學反應:

主要副反應:

硫銨鹽在260 ℃以下黏性較大,沉積在催化劑表面將堵塞催化劑表面的微孔結構,導致催化劑中毒失活。 同時,硫銨鹽具有強腐蝕性,不僅會破壞SCR 催化劑,而且可能因腐蝕影響下游設備,出現空氣預熱器污損、脫硝效率下降、漏風率增大等情況。

3 運行情況

SCR 脫硝裝置投運后,催化劑床層溫度控制在265～290 ℃。 為穩定催化劑床層溫度,從吹風氣余熱回收裝置的燃燒爐出口高溫區向SCR 脫硝催化劑進口配置1 條副線。 SCR 脫硝裝置運行穩定后,經72 h 運行考核,結果合格。 隨后又委托第三方企業對出口煙氣進行監測,結果NOx在基準氧含量(燃氣鍋爐基準氧體積分數為3.5%)條件下排放質量濃度為3 ～8 mg/m3(標態),氨逃逸質量濃度為0 ～1 mg/m3(標態)。 SCR 脫硝裝置不僅運行平穩,而且后工段硫酸銨生產裝置運行穩定,達到了改造目標。

4 結語

造氣吹風氣余熱回收裝置改造后,煙氣中的NOx質量濃度從250 ～300 mg/m3(標態)降至低于20 mg/m3(標態),氨逃逸質量濃度低于3 mg/m3(標態);氨水的消耗量從改造前的0.5 m3/h 降至0.2 m3/h,氨水按最低價550 元/t 計,每年可節省運行費用131 萬元;同時也有利于煙氣脫硫系統溶液酸度的調節(pH 調節范圍為5 ～7),能確保脫硫塔出口煙氣中NOx質量濃度穩定且達到超低排放標準要求。