自备电站 锅炉烟气 脱硝改造的工艺技术比较 及应用

自备电站 锅炉烟气 脱硝改造的工艺技术比较 及应用

张刚强 李永江

中国石油四川石化有限责任公司 四川 彭州 611930

摘要：鉴于氮氧化物对大气环境的不利影响以及目前氮氧化物排放控制的严峻形势，对烟气的脱硝是非常必要的。根据2015年自备电站锅炉烟气排放的监测数据烟气中的NOx（最大值为295.5mg/m3）的含量超出了《火电厂大气污染物排放标准》GB13223-2011中最高允许排放浓度限值。本文通过对比烟气脱硝改造的工艺技术，最终选择采用选择性催化还原法（SCR）脱硝工艺技术对锅炉进行改造，将单台炉烟气中的NOx含量降低到50mg/Nm3以下。

关键词：锅炉；烟气脱硝；比较；应用

1烟气脱硝工艺技术路线比选

烟气脱硝工艺技术选择原则：NOx排放浓度、排放量满足国家、行业、当地有关部门的环保排放标准要求；符合循环经济和清洁生产的原则；具有较好的技术经济指标；满足锅炉装置的使用条件。

燃料燃烧产生的氮氧化物主要来自两个方面：一是燃烧时空气中带进来的氮，在高温下与氧气反应生成NO，它被称为“热力型NOx”；二是来自燃料中固有的氮化合物，经过复杂的化学反应所生成的氮的氧化物，称为“燃料型NOx”。另外还有一部分是分子氮在火焰前沿的早期阶段，在碳氢化合物的参与影响下，通过中间产物转化的NOx，称为“瞬态型NOx”，这部分数量很少，一般不予考虑。燃料燃烧时NOx生成量主要与如下几个因素有关：燃料中氮化合物的含量越高，“燃料型NOx”生成就越多；火焰温度越高，“热力型NOx”越易生成；燃烧区氧浓度越大，“燃料型NOx”及“热力型NOx”生成量都将增大；此外，NOx的生成还与燃烧方式和燃烧装置形式有很大关系。根据NOx的形成特点，把NOx的控制措施分成燃烧前、燃烧中和燃烧后处理三类。燃烧前脱氮主要将燃料转化低氮燃料，成本较高，在电厂锅炉工程很少应用。燃烧中脱氮主要指各种降低NOx生成量的燃烧技术，投资与运行费用较低。燃烧后脱氮主要指烟气脱硝技术，一种是还原技术，用还原剂把烟气中的NOx还原成N2后排放，该技术在国外发达国家应用广泛；另一类是氧化技术，是用强氧化剂将NOx氧化成高价氮氧化物，再与水反应生成易溶于水的物质，达到脱硝的目的。随着国内对NOx排放浓度控制标准的提高，烟气脱硝技术在国内得到越来越多的应用。

针对本改造项目，可采用的烟气脱硝技术主要有：低氮燃烧器、低氮燃烧器+SCR、选择性催化还原法SCR、选择性非催化还原法SNCR、组合法SNCR+SCR。这几种脱硝技术的对比见表1。

表1几种脱硝技术的对比

从以上的对比分析表中可看出，单从脱硝效率、氮氧化物达标排放指标等数据上分析，低氮燃烧器+SCR（一层脱硝催化剂）、SCR可以满足要求。但结合项目总投资、年总运行成本、技术成熟度等综合分析，最终决定采用SCR工艺技术。具体比较说明如下：本项目中烟气中氮氧化物含量为300mg/Nm3，采用SCR脱硝工艺技术能满足50mg/Nm3氮氧化物排放浓度；SCR脱硝工艺技术具有较高的脱硝效率，并且此工艺技术成熟、运行可靠、适应性强，催化剂和关键设备的制造已经国产化生产。采用低氮燃烧器+SCR组合工艺技术适用于烟气中氮氧化物含量高于600mg/Nm3时，经济比较合理，另本次3#、4#锅炉脱硝改造为油气混烧炉，低氮燃烧器对燃料油作用不明显，只对燃料气或煤有一定的作用，因此本初步设计对低氮燃烧器+SCR组合工艺技术不做推荐。经过比选，最终决定采用选择性催化还原法（SCR）脱硝工艺技术。

2脱硝还原剂和催化剂的选择

SCR脱硝工艺需要NH3作为还原剂来还原烟气中的氮氧化合物，NH3即为脱硝还原剂。一般来说，脱硝剂目前主要有三种来源：液氨，氨水和尿素。液氨法是将液氨在蒸发槽中加热蒸发成氨气，然后与稀释风机的空气混合成氨气体积含量为5%的混合气体后送入烟气系统。纯液氨价格低廉，但对储存设备要求较高；氨水法是将20～25％的氨水溶液通过加热装置使其蒸发成氨气，然后再与稀释风机的空气混合成体积含量为5%的混合气体后送入烟气系统。氨水价格较高，且为有害液体，运输价格高，存储条件较苛刻；尿素法是先将尿素固体颗粒在容器中完全溶解，然后将溶液用泵送到尿素溶液储罐，由喷枪将尿素溶液喷入炉内进行热解，把尿素溶液分解为氨气。尿素虽然价格较高，但是其运输安全性高，存储方便，存储设备安全要求低。

通过比较分析，尿素价格最高，液氨不但价格最低，国内液氨储存技术已经非常成熟，投资最省，因此采用液氨（氨气）作为脱硝剂是最合理的选择。采用锅炉烟温实测值在一级省煤器出口的各工况平均值作脱硝系统进口的设计烟温依据。催化剂的设计温度为~350℃，允许长时间连续运行温度范围为300~420℃。

3主要创新点及效果

工艺路线采用选择性催化还原法（SCR）脱硝工艺。优化设计反应器及烟道系统的流场，合理设计氨/烟气混合系统，脱硝系统采用的还原剂为99.6%液氨，其品质符合国家标准《液体无水氨》GB536-1988技术指标的要求。喷氨量调节阀调节自动控制，采用了自主探究的算法，结合锅炉实际外供负荷百分比，调节准确度高。

在各方的共同努力下，通过对锅炉设备完成脱硝改造后的单台锅炉烟道出口烟气NOx含量控制在了50mg/Nm3以下，脱硝装置的脱硝效率可以达到≥83.3%；氨逃逸率≤3ppm；脱硝装置的SO₂/SO₃转化率≤1%，效果显著。

4现场应用情况

在机关部门的大力支持下，自备电站锅炉SCR脱硝改造方案得到完美实施。锅炉初始NOx为300mg/Nm3，在设计燃料（60%燃油+40%天然气、油气燃料为任意比例）、100%设计烟气量工况下，根据烟气温度、烟气成分、烟气压降、烟气氮氧化物浓度、排放NOx浓度、氨的逃逸浓度、催化剂寿命、SO2/SO3转换率、烟气含尘量和反应器的布置空间等，合理选择催化剂。单台锅炉脱硝效率大于83.33％。出口Nox的浓度不超过50mg/Nm3（标准状态，干基，3％含氧量）。