基于煙氣再循環(huán)技術(shù)的膨脹煙絲焚燒爐排放煙氣治理

黃威 HUANG Wei；張占濤 ZHANG Zhan-tao；王金旺 WANG Jin-wang

（①上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082；②鄭州益盛工程科技有限公司，鄭州 450001；③上海碳索能源服務(wù)股份有限公司，上海 201108）

0 引言

卷煙廠干冰膨脹煙絲生產(chǎn)線熱端的焚燒爐是熱端的重要核心設(shè)備，該設(shè)備既是一臺加熱工藝氣體的熱風(fēng)爐又是焚燒工藝廢氣的焚燒爐。一方面，該焚燒爐以天然氣為燃料燃燒生成的高溫爐氣，通過熱交換器為混合一定量高溫水蒸汽的工藝氣體提供熱量，使工藝氣體達(dá)到規(guī)定溫度，工藝氣體通過循環(huán)工藝風(fēng)機(jī)輸送到升華器，與浸漬過干冰的煙絲快速混合，隨著干冰快速升華，實現(xiàn)了煙絲膨脹的效果；另一方面，煙絲膨脹過程中產(chǎn)生的有害工藝廢氣又作為助燃風(fēng)的一部分，通過廢氣風(fēng)機(jī)送入該焚燒爐燃燒器，在爐內(nèi)燃燒干凈生成高溫爐氣排出。

因工藝廢氣中含有含氮有機(jī)物，以致膨脹煙絲焚燒爐產(chǎn)生的燃燒煙氣中氮氧化物濃度遠(yuǎn)高于常規(guī)天然氣熱風(fēng)爐，且由于排放煙氣含氧量較高，其中氮氧化物濃度高于上海地標(biāo)排放要求，需開展尾氣脫硝治理，而煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術(shù)是一項較佳的節(jié)能減排技術(shù)路線。

1 煙氣再循環(huán)技術(shù)

煙氣再循環(huán)是將部分煙氣通過外部循環(huán)或內(nèi)部循環(huán)的方式，送入爐內(nèi)與燃燒空氣混合后參與燃燒的技術(shù)。煙氣外循環(huán)（FGR）是通過外部煙道，將部分煙囪排放煙氣與助燃空氣混合送入燃燒器參與燃燒的煙氣循環(huán)過程。由于煙氣含氧量和溫度相對皆較低，將其通入爐內(nèi)，可達(dá)到同時降低燃燒氣氛溫度和氧氣含量的目的。經(jīng)驗表明，當(dāng)煙氣再循環(huán)量為15%～20%時，窯爐的NOX排放量可降低25%左右[1]。

1.1 煙氣再循環(huán)協(xié)同治理煙氣中CO 與NOX 的原理

煙氣再循環(huán)的本質(zhì)是通過將燃燒產(chǎn)出的煙氣重新引入燃燒區(qū)域，降低燃燒溫度，從而降低氮氧化物的排放。煙氣主要以兩種途徑降低熱力型氮氧化物的生成，首先煙氣的溫度比火焰溫度要低，而且煙氣不助燃，可被用作稀釋劑吸收火焰中的熱量使火焰溫度降低，另一方面，煙氣能降低反應(yīng)區(qū)內(nèi)的平均氧濃度，避免大量游離的氮原子與氧原子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成NO。

TAUSTER S J 等[2]在1976 年率先提出了CO 選擇性催化還原法（CO-SCR）來進(jìn)行脫硝，國內(nèi)外研究表明貴金屬、Cu 基、過渡金屬氧化物等均可作為催化劑來參與CO催化還原NOX的反應(yīng)。符若文[3]等2001 年采用負(fù)載鈀-銅或鈀金屬的活性碳纖維為吸附催化材料，填充于反應(yīng)器中并控制于預(yù)定溫度，將CO 與NOX混合氣體按一定流速通過反應(yīng)器，NOX即被還原成為O2，CO 即被氧化為CO2。徐瓊[4]等2015 年采用催化劑活性組分為氧化銅或和氧化亞銅，以氧化銅計，活性組分的含量占催化劑總重量的1%～30%；該催化劑能在低溫下單獨或同時高效脫除煙氣中的CO 與NOX，在225℃單獨脫除NOX的脫除率達(dá)到97%，在275℃單獨脫除CO 的脫除率達(dá)到93%，在250℃同時脫除NOX與CO 的脫除率分別達(dá)到94%和88%。

根據(jù)對該焚燒爐排放煙氣的溫度和CO 與NOX濃度比例分析，在焚燒爐煙囪段設(shè)置CO-SCR 裝置，可利用煙氣中CO 還原NOX來進(jìn)行煙氣協(xié)同治理，可同時消除煙氣中CO 和NOX兩種污染物，符合“雙碳”綠色發(fā)展的理念，實現(xiàn)以廢治廢、避免二次污染。

1.2 煙氣再循環(huán)降氮工藝及其要求

1.2.1煙風(fēng)混合于助燃風(fēng)機(jī)前工藝

煙風(fēng)混合于助燃風(fēng)機(jī)前的工藝流程見圖1。工藝要求如下：①FGR 煙氣管道接入到助燃風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)道；②助燃風(fēng)機(jī)入口風(fēng)道安裝助燃空氣流量調(diào)節(jié)閥（煙風(fēng)混合點煙氣側(cè)壓力高于空氣側(cè)壓力時，無需助燃空氣流量調(diào)節(jié)閥）；③助燃風(fēng)機(jī)將FGR 煙氣與空氣充分均勻混合后送至燃燒器參與燃燒反應(yīng)，混合空氣流量通過燃燒器本體的風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)或通過鼓風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)；④在FGR 管道及風(fēng)道的低位安裝冷凝水排水閥。

圖1 煙風(fēng)混合于助燃風(fēng)機(jī)前工藝流程

1.2.2煙風(fēng)混合于助燃風(fēng)機(jī)前工藝（帶循環(huán)風(fēng)機(jī)）

煙風(fēng)混合于助燃風(fēng)機(jī)前工藝流程（帶循環(huán)風(fēng)機(jī)）的工藝流程見圖2。工藝要求如下：①無需助燃空氣流量調(diào)節(jié)閥；②FGR 煙氣管道接入到FGR 風(fēng)機(jī)入口；③FGR 風(fēng)機(jī)出口安裝煙氣流量調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥出口接入到助燃風(fēng)機(jī)入口風(fēng)道；④助燃風(fēng)機(jī)將FGR 煙氣與空氣充分均勻混合后送至燃燒器參與燃燒反應(yīng)，混合空氣流量通過燃燒器本體的風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)或通過鼓風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)；⑤在FGR管道及風(fēng)道的低位安裝冷凝水排水閥。

圖2 煙風(fēng)混合于助燃風(fēng)機(jī)前工藝流程（帶循環(huán)風(fēng)機(jī)）

1.2.3煙風(fēng)混合于助燃風(fēng)機(jī)后工藝

煙風(fēng)混合于助燃風(fēng)機(jī)后工藝流程的工藝流程見圖3。工藝要求如下：①無需助燃空氣流量調(diào)節(jié)閥；②FGR 煙氣管道接入到FGR 風(fēng)機(jī)入口，F(xiàn)GR 風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)；③FGR風(fēng)機(jī)出口安裝煙氣流量調(diào)節(jié)閥，煙氣流量調(diào)節(jié)閥出口接入到鼓風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)道或煙風(fēng)混合器（如需要）；④煙風(fēng)混合器安裝于鼓風(fēng)機(jī)的出口；⑤煙風(fēng)混合器和燃燒器風(fēng)箱留有足夠長度；⑥FGR 煙氣與助燃空氣直接在鼓風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)道內(nèi)混合或在混合器內(nèi)混合后再送至燃燒器參與燃燒反應(yīng)，混合空氣流量通過燃燒器本體的風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)或通過鼓風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)；⑦在FGR 管道及風(fēng)道的低位安裝冷凝水排水閥。

圖3 煙風(fēng)混合于助燃風(fēng)機(jī)后工藝流程（帶循環(huán)風(fēng)機(jī)）

2 煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用

上海卷煙廠某生產(chǎn)車間膨脹煙絲熱端焚燒爐在正常帶料運行情況下，天然氣耗量為約73m3/h，焚燒爐爐溫在700～800℃，煙囪排放煙氣溫度約310℃，煙氣排放量約11000m3/h。由于該焚燒爐助燃風(fēng)的組分比例和引入爐頭方式（見圖4 所示），排放煙氣呈不完全燃燒狀態(tài)。經(jīng)檢測顯示，排放煙氣的含氧量為16%～17%，氮氧化物濃度為65～85mg/Nm3（氮氧化物折算濃度200mg/Nm3以上，基準(zhǔn)氧按9%[1]），特別的是一氧化碳的濃度達(dá)到300mg/Nm3以上。因此該工業(yè)窯爐亟需進(jìn)行技術(shù)升級改造。

圖4 焚燒爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)煙風(fēng)流程圖

如圖5 所示為應(yīng)用煙氣再循環(huán)技術(shù)進(jìn)行低氮燃燒改造的工藝流程，紅色虛線為再循環(huán)煙氣管路，再循環(huán)煙氣由煙囪開口引入至廢氣風(fēng)機(jī)入口的主廢氣管路，在循環(huán)煙氣管路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥。通過煙囪正壓和廢氣風(fēng)機(jī)入口管路負(fù)壓形成的壓差動力而引入來自煙囪的循環(huán)煙氣。圖6 左圖為煙氣再循環(huán)管路實施后的管路連接，右圖為煙氣再循環(huán)管路實施前的鏡像圖。

圖5 煙氣再循環(huán)技術(shù)改造后系統(tǒng)工藝流程

圖6 煙氣再循環(huán)管路實施圖（左圖為實施后，右圖為實施前鏡像圖）

煙氣再循環(huán)管路實施完畢后，分別進(jìn)行了焚燒爐空載和帶負(fù)載運行的試驗測試，試驗結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 空載運行測試數(shù)據(jù)

表2 負(fù)載運行測試數(shù)據(jù)

由表1 知：焚燒爐空載運行時，保證爐溫相對穩(wěn)定條件下，隨著煙氣再循環(huán)管路中的調(diào)節(jié)閥門開度增大（再循環(huán)煙氣量增大），排煙中含氧量逐漸下降、一氧化碳先平穩(wěn)再上升、氮氧化物排量逐漸下降；另隨著調(diào)節(jié)閥門開度增大，排煙溫度上升、排煙量減少、以及天然氣使用量減少；閥門開度由0°開到60°時，氮氧化物排放速率減少了57.4%，天然氣用量減少了9.2%。

表1 試驗測試數(shù)據(jù)表明：焚燒爐空載運行時助燃?xì)怏w為空氣情況下，所產(chǎn)生的NOX主要為熱力型氮氧化物，應(yīng)用煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術(shù)改造后，閥門開度小于60°時，焚燒爐排煙中NOX排放量顯著減少，煙氣再循環(huán)量不宜過大；隨循環(huán)煙氣量增大，CO 含量慢慢有較大增加，一方面可能是含氧量降低后，不完全燃燒增加導(dǎo)致，另一方面可能是含濕量增大后天然氣中的甲烷與水蒸氣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)生成了CO。

由表2 知，焚燒爐帶負(fù)載運行時，保證爐溫相對穩(wěn)定條件下，隨著煙氣再循環(huán)管路中的調(diào)節(jié)閥門開度增大（再循環(huán)煙氣量增大），排煙中含氧量逐漸下降；雖NOX濃度上升，因總排煙量減少，以致排放速率較穩(wěn)定；閥門開度由0°開到45°時，天然氣用量減少了9.3%，一氧化碳含量減少了20%。

表2 試驗測試數(shù)據(jù)表明，焚燒爐帶負(fù)載運行時情況下，助燃?xì)怏w中混合了生產(chǎn)過程中釋放的較多含氮化合物后，應(yīng)用煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術(shù)改造后的焚燒爐排煙中NOX排放濃度是增大的，說明工藝生產(chǎn)過程中釋放的含氮化合物被更徹底的熱分解生成了氮氧化物。

3 結(jié)論

卷煙廠膨脹煙絲熱端焚燒爐排煙經(jīng)煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術(shù)改造后：①干冰膨脹煙絲生產(chǎn)線熱端焚燒爐的節(jié)能減排顯著，天然氣用量減少了9%以上。②煙氣再循環(huán)低氮燃燒脫硝技術(shù)降低了燃燒含氧量和均勻了燃燒溫度，有效降低了熱力型氮氧化物；膨脹煙絲生產(chǎn)線工藝生產(chǎn)過程中釋放的較多含氮化合物經(jīng)煙氣再循環(huán)后被更徹底的進(jìn)行了熱力分解，所生成的燃料型氮氧化物遠(yuǎn)大于因煙氣再循環(huán)低氮燃燒脫硝技術(shù)所降低的熱力型氮氧化物量。③煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用，使得助燃風(fēng)中的含碳化合物充分燃燒，排放尾氣中一氧化碳含量顯著降低。④由于助燃風(fēng)中水蒸氣含量較大，經(jīng)循環(huán)燃燒后排放尾氣中一氧化碳的濃度仍維持在200mg/m3以上，這為煙氣綜合治理，采用SCR 脫硝技術(shù)提供了還原劑條件，可以免去常規(guī)脫銷還原劑氨氣的使用。