余仕良

(云南云天化股份有限公司云峰分公司 云南宣威 655413)

0 前言

鍋爐煙氣脫硝是在鍋爐系統(tǒng)加入氨水，使煙氣中的氮氧化物(NOx)轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨?N2)的過程。國家對NOx的排放限制要求越來越嚴(yán)格，而工業(yè)企業(yè)在用的燃煤鍋爐是NOx氣體排放的最主要來源，其減排更是受到格外重視。2014年5月16日，國家環(huán)境保護(hù)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布了新的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13271—2014)代替原標(biāo)準(zhǔn)(GB 13271—2001)。新標(biāo)準(zhǔn)將鍋爐煙氣中的二氧化硫(SO2)排放濃度限值由≤900 mg/m3(標(biāo)態(tài))提高至≤400 mg/m3(標(biāo)態(tài))，煙塵排放濃度限值由≤150 mg/m3(標(biāo)態(tài))提高至≤80 mg/m3(標(biāo)態(tài))，并新增了燃煤鍋爐煙氣中NOx排放濃度限值≤400 mg/m3(標(biāo)態(tài))的指標(biāo)。

為了達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求，在用燃煤鍋爐就必須新增煙氣脫硝系統(tǒng)或?qū)υ械拿摿颉⒊龎m設(shè)施進(jìn)行改造。目前，鍋爐煙氣中NOx的脫除方法主要有：①低氮燃燒技術(shù)，即在燃燒過程中控制氮氧化物的生成，從源頭進(jìn)行控制，適用于大型燃煤鍋爐等，但該技術(shù)只能降低NOx排放值的30%～50%，無法確保達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求；②選擇性催化還原技術(shù)，主要用于大型燃煤鍋爐，投資大、運行費用高；③選擇性非催化還原技術(shù)，主要用于垃圾焚燒廠等中、小型鍋爐，其效率低于選擇性催化還原技術(shù)，但投資省、建設(shè)周期短；④選擇性催化還原技術(shù)+選擇性非催化還原技術(shù)，主要用于大型燃煤鍋爐低NOx排放和場地受限的情況，也比較適合于在用鍋爐大煙氣系統(tǒng)的脫硝改造項目。

選擇性非催化還原技術(shù)不使用催化劑，采用爐膛噴射稀氨水脫硝，脫硝反應(yīng)最佳溫度一般在800～1 050 ℃。稀氨水利用壓縮空氣進(jìn)行霧化，確保與煙氣良好接觸，保證脫硝還原反應(yīng)充分進(jìn)行，故比較適用于對現(xiàn)有中小型燃煤鍋爐的改造。根據(jù)三廢混燃鍋爐溫度分布、煙氣含塵量、脫硝設(shè)施位置布置、改造投資及運行費用等特點，決定采用選擇性非催化還原技術(shù)對云南云天化股份有限公司云峰分公司(以下簡稱云峰分公司)在用的50 t/h三廢混燃鍋爐實施煙氣脫硝改造。

1 在用燃煤鍋爐煙氣脫硝改造方法

1.1 選擇性非催化還原技術(shù)脫硝原理

選擇性非催化還原技術(shù)是將氨水等還原劑直接噴入爐膛內(nèi)，在800～1 050 ℃的高溫下與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和H2O。在無催化劑作用下，氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx，基本上不與煙氣中的O2作用。NH3還原NOx的主要反應(yīng)：4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O。

不同還原劑有不同的反應(yīng)溫度范圍，NH3的反應(yīng)最佳溫度區(qū)間為850～950 ℃。溫度過高時，由于氨的分解會使NOx還原率降低；反應(yīng)溫度過低時，氨逃逸增加，不僅使NOx還原率降低，而且逃逸的氨會造成新的環(huán)境污染。為了確保鍋爐煙氣中NOx的脫除效果,選擇從爐膛的上部出口加入脫硝還原劑。

選擇性非催化還原脫硝主要由稀氨水制備與存儲系統(tǒng)、稀氨水輸送系統(tǒng)、控制分配系統(tǒng)、空氣噴射系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、脫硝反應(yīng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。采用合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的稀氨水或液氨球罐上部的氣氨按相關(guān)安全規(guī)程用冷脫鹽水在稀氨水儲罐內(nèi)配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%的稀氨水作為脫硝還原劑，經(jīng)稀氨水泵加壓后送至氨水噴槍，利用0.5～0.7 MPa的壓縮空氣將稀氨水霧化后噴入鍋爐內(nèi)與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)。

1.2 工藝流程及脫硝設(shè)施

選擇性非催化還原技術(shù)鍋爐煙氣脫硝工藝流程如圖1所示。

圖1 選擇性非催化還原技術(shù)鍋爐煙氣脫硝工藝流程

1.2.1 稀氨水輸送系統(tǒng)

稀氨水輸送系統(tǒng)由稀氨水儲罐(1臺，容積根據(jù)稀氨水用量確定)、稀氨水泵(2臺，1開1備)、自動調(diào)節(jié)閥、測量儀表和噴槍構(gòu)成。噴槍采用不銹鋼材料制造，每支噴槍配有氣動推進(jìn)器，在DCS系統(tǒng)上可實現(xiàn)自動推進(jìn)和退出噴槍的操作。稀氨水泵出口處設(shè)有循環(huán)回路和自動調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)運行要求在DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)稀氨水的壓力和流量。

1.2.2 噴槍布置

在50 t/h三廢混燃鍋爐的上部爐膛出口外側(cè)布置噴槍2支，在爐膛中部布置噴槍2支，共計4支噴槍分上下2層布置。在鍋爐高負(fù)荷運行條件下，投運上層(爐膛出口)噴槍；在低負(fù)荷運行或鍋爐開車的條件下，因此時溫度較低，投運下層(爐膛中部)噴槍。在選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng)投運時，一般投運2支噴槍即可，其余停運噴槍由控制系統(tǒng)控制退出爐膛,以避免噴槍受熱損壞。

1.2.3 爐前噴射設(shè)備

噴槍(含噴嘴)采用不銹鋼制造，包括噴槍本體、噴嘴座、霧化頭、噴嘴罩四大部分。噴槍本體上的稀氨水進(jìn)口和霧化空氣進(jìn)口采用螺紋連接，通過2根金屬軟管分別與稀氨水管路和空氣管路連接。每支噴槍都配有氣動推進(jìn)氣缸及控制器，實現(xiàn)自動推進(jìn)和退出噴槍的操作。推進(jìn)器的位置信號接至DCS控制系統(tǒng)，與開(停)霧化空氣和開(停)稀氨水的閥門動作聯(lián)動，實現(xiàn)整個脫硝系統(tǒng)噴槍的自動運行。

1.2.4 脫硝系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)及控制

稀氨水制備與儲存系統(tǒng)設(shè)置儲罐液位顯示和控制、氨水濃度顯示；稀氨水輸送系統(tǒng)的稀氨水泵采用變頻控制，在DCS控制系統(tǒng)上進(jìn)行控制并顯示流量及泵的運行狀態(tài)等；空氣噴射系統(tǒng)噴槍的推進(jìn)和退出均在DCS控制系統(tǒng)上進(jìn)行自動控制，并顯示噴槍的工作狀態(tài)。為節(jié)省改造投資，脫硝DCS控制系統(tǒng)合并至原鍋爐的DCS控制系統(tǒng)。

1.3 脫硝系統(tǒng)主要指標(biāo)

脫硝系統(tǒng)主要工藝指標(biāo)、脫硝系統(tǒng)投運后技術(shù)指標(biāo)與環(huán)保指標(biāo)對比如表1和表2所示。

表1 脫硝系統(tǒng)主要工藝指標(biāo)

項目指標(biāo)稀氨水儲罐液位/%40～80稀氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%10.0～15.0稀氨水流量/(m3·h-1)0.2～0.4稀氨水壓力/MPa0.2～0.4霧化空氣壓力/MPa0.25～0.40

表2 脫硝系統(tǒng)投運后技術(shù)指標(biāo)與環(huán)保指標(biāo)對比 mg/m3(標(biāo)態(tài))

項目技術(shù)指標(biāo)環(huán)保指標(biāo)煙塵≤60≤80SO2≤350≤400NOx≤350≤400氨的逃逸率≤10

2 煙氣脫硝系統(tǒng)運行情況

2.1 運行效果

煙氣脫硝系統(tǒng)投運后，煙氣中NOx質(zhì)量濃度由500～550 mg/m3(標(biāo)態(tài))降至150～250 mg/m3(標(biāo)態(tài))，NOx脫除率在55%～75%，排放煙氣中的NOx含量遠(yuǎn)低于GB 13271—2014中規(guī)定的指標(biāo)要求。

2.2 運行參數(shù)

在鍋爐運行過程中，脫硝溫度與煙氣中NOx含量的關(guān)系如圖2所示。

圖2 脫硝溫度與煙氣中NOx含量的關(guān)系

從圖2可看出：煙氣中NOx的脫除效果并非溫度越高越好，還原劑加入點的溫度在700～800 ℃范圍內(nèi)的脫硝效果較好，煙氣中NOx脫除率較高，還原劑消耗量和運行成本較低；當(dāng)溫度超過850 ℃時，隨著溫度升高，脫硝后煙氣中NOx含量也升高，NOx脫除率明顯下降，還原劑消耗量升高。因此，脫硝還原劑加入點非常關(guān)鍵，對脫硝還原劑的消耗及運行費用和NOx的脫除率影響較大。

脫硝還原劑的選擇是煙氣脫硝后能否達(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵。云峰分公司曾因生產(chǎn)系統(tǒng)條件改變而不再產(chǎn)生稀氨水，嘗試直接采用氣氨作為脫硝還原劑進(jìn)行煙氣脫硝，結(jié)果NOx的脫除率幾乎為零。

脫硝還原劑加入點選擇在鍋爐爐膛出口，在正常運行狀況下，溫度處于最佳脫硝溫度范圍內(nèi)，但鍋爐開車時鍋爐爐膛出口氣體溫度太低，達(dá)不到還原劑與煙氣中NOx反應(yīng)的要求。為解決此問題，可在爐膛中下部設(shè)置開車脫硝噴槍，即鍋爐開車升溫時，隨著料層溫度升高、NOx產(chǎn)生的同時，利用開車脫硝噴槍噴入還原劑進(jìn)行脫硝，確保開車過程中煙氣達(dá)標(biāo)排放。待運行正常后，停運開車脫硝噴槍并將其退出，以防燒損，同時改用爐膛出口噴槍。

3 運行成本及投資分析

如表3所示，噸蒸汽平均耗氨(折100%)2.33 kg，噸蒸汽的脫硝運行成本一般在5～6元，若利用合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的稀氨水，則運行成本更低。1臺50 t/h三廢混燃鍋爐采用選擇性非催化還原技術(shù)進(jìn)行煙氣脫硝改造，總投資不到50萬元，改造周期1～2個月。

表3 50 t/h三廢混燃鍋爐脫硝系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

稀氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%耗氨量/(kg·d-1)蒸汽產(chǎn)量/(t·d-1)噸蒸汽燃料煤消耗量/kg15.71 420.650414315.71 657.949428315.71 507.252927815.71 356.550226714.81 492.851427214.81 350.752128814.81 137.450825814.81 023.751427314.81 052.150026014.8981.053125414.8966.852526114.8981.051229214.8966.852029015.61 050.352525815.61 050.3538268

4 結(jié)語

實踐證明，云峰分公司采用的選擇性非催化還原煙氣脫硝技術(shù)具有改造工期短、工程量小、系統(tǒng)簡單、投資省、占地面積少、脫硝系統(tǒng)阻力和運行費用低等特點，無需對鍋爐、煙風(fēng)道、引風(fēng)機等進(jìn)行改造，是在運鍋爐進(jìn)行煙氣脫硝改造的理想選擇。