淺談煙氣脫硝在余熱鍋爐上的應用

周 萍

（江蘇科行環保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

引言

隨著中國經濟的日益發展，中國已成為能源消耗和排污大國之一，主要能源燃煤燃燒后會產生二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和顆粒物等多種污染物。這些污染物會在地球外表層形成溫室效應、酸雨，破壞了地球的保護層——臭氧層，以及地球的生態循環鏈等。在這些污染物中，氮氧化物（NOx）對以上三種危害都有影響作用，所以脫氮是目前重要的環保工作之一。

近年來，隨著國家節能減排力度的加大，特別是“十二五”期間，國家對各項排放指標都作了明確和更嚴格的要求。工業和信息化部明確提出要求，到2015年我國單位工業增加值氮氧化物（NOx）的排放量要比“十一五”末降低10%以上。各種針對工業窯爐的節能減排技術也紛紛發展應用。

余熱鍋爐及其煙氣脫硝設備是一種可以實現減排的先進技術?，F一般大型的工業窯爐、鍋爐，如果其煙氣不作后期利用，就要直接對鍋爐配套煙氣氮氧化物脫除（煙氣脫硝）設備。有些對后續煙氣還要進行余熱利用的工業窯爐，一般要在余熱利用中或等到余熱利用完后再進行煙氣治理。這些工業窯爐的后續余熱利用設備統稱為余熱鍋爐。余熱鍋爐由于受到其本身結構差異的影響，其煙氣脫硝設備的結構也各有不同，但是主體工藝結構變化不大。

1 余熱鍋爐煙氣脫硝工藝

1.1 余熱鍋爐的工作原理

余熱鍋爐是利用各種工業過程中的廢氣、廢料或廢液中的余熱及其可燃物質燃燒后產生的熱量，把水加熱到一定溫度工質的鍋爐，高溫煙氣先進入爐膛，再進入前煙箱的余熱回收裝置，接著進入煙火管，最后進入后煙箱煙道內的余熱回收裝置，高溫煙氣變成低溫煙氣后排出。

1.2 余熱鍋爐脫硝工藝類型

由于余熱鍋爐的種類多樣，一般都是由各種工業窯爐直接排入到余熱鍋爐，進入爐內的煙氣溫度區間也各不相同，所以在對其進行煙氣脫硝設備的設計時，需要考慮的因素和所配備的工藝設備也有所區別。現有的脫硝設備種類也很多，主要分濕法和干法兩大類。由于濕法脫硝存在投資較高、設備及工藝過程較復雜、效率一般、會產生大量的廢水和需要二次處理的廢棄物等諸多不利因素，所以通常提倡用干法脫硝。本文就目前常用的干法脫硝方法作重點介紹。

各種冶煉爐和焙燒窯的排煙溫度為650℃～1250℃，這種煙氣溫度比較高的鍋爐，可以采取在爐子的前端（800℃～1100℃溫度段）配置選擇性非催化氧化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR），其工作原理是將含有NHx基的還原劑（一般是氨、尿素或其他氨基）噴入爐膛溫度為800℃～1100℃這一狹窄的溫度范圍，在沒用任何催化劑的情況下，還原劑NHx迅速熱解成NH3并與煙氣中的NOx進行反應，使NOx還原成N2和H2O。而且，NH3具有選擇性，只與NOx發生反應，基本上不與O2發生作用。SNCR脫硝工藝的NOx脫除效率主要取決于反應溫度、NH3與NOx的化學計量比、混合程度及反應時間等，其中它的溫度控制是關鍵因素。若溫度過低，NH3的反應不完全，容易使NH3的逃逸較多；溫度過高，NH3會容易被氧化為NO，抵消了NH3的脫除效果。一般設計合理的SNCR工藝系統的脫硝效率能達到25%～50%。SNCR脫硝工藝的優點是不需要專用的催化劑，投資較少，但是目前此種方法的應用數量并不多，主要是因為其脫硝效率較低，還原劑和運載介質（空氣）的消耗量較大，氨的逃逸量相對較大，其與煙氣中的三氧化硫（SO3）反應后生成(NH4)2SO4和NH4HSO4，會腐蝕和堵塞爐內下游的空氣預熱器、省煤器等設備。

當余熱鍋爐煙氣脫硝要求比較高時，可以考慮使用選擇性催化氧化還原法（Selective Catalytic Reduction,SCR），該方法的原理是指在還原劑（NH3）和催化劑（鐵、釩、鉻、鈷或鉬等金屬氧化物）的作用下，在200℃～450℃的溫度區間內將NOx還原為N2和H2O。在使用此種脫硝方法時，由于煙氣中含有SO2、塵粒和水霧，對催化反應和催化劑都有一些不利影響，故利用此法脫硝時最好首先對煙氣進行除塵和脫硫（有些以天然氣為燃料的煙氣中的二氧化硫SO2含量較低，無需脫硫），或者選用不易受煙氣污染和腐蝕等影響，同時又具有一定活性和耐高溫的催化劑，如以二氧化鈦為基體的金屬氧化物催化劑，其最佳反應溫度為320℃～420℃。目前SCR法脫硝技術已趨于成熟，其優點是：脫硝效率高（可以達到80%以上）、反應溫度低、運行可靠；其缺點是投資和運行費用較大、催化劑易中毒，須定期更換。SCR技術和SNCR技術兩種脫硝方法的對比見下表。

煙氣干法脫硝技術綜合比較表

2 余熱鍋爐煙氣脫硝工藝的發展

以前的余熱鍋爐脫硝工藝中，余熱鍋爐和SCR脫硝設備是分開相對獨立的兩個設備，一般是將余熱鍋爐的煙氣出口與脫硝裝置進口煙道用機械閥門及管道相連，如圖1所示。由于余熱鍋爐中的含塵煙氣經過鍋爐的余熱利用后，除了會沉降一部分灰塵以外還會使煙氣溫度也大幅下降，一般余熱鍋爐的出口溫度為200℃左右。從余熱鍋爐出來的煙氣被送入除塵器除塵后，接著送入脫硝設備。而此時為保證脫硝反應區的溫度能在合適的溫度區間（300℃～420℃），使進入脫硝反應器的煙氣溫度達到要求，就需要給煙氣再加熱，通常在脫硝裝置的進口煙道中設置一個煙氣加熱裝置；待煙氣經過脫硝反應后，為避免高溫煙氣對空氣的熱污染，又要對煙氣進行降溫處理，又在脫硝反應器煙道出口處再設置一個煙氣冷卻器，這樣才能使脫硝順利進行。這樣，在脫硝裝置中設置的加熱器和冷卻裝置會加大額外的能耗和投資，不利于節能環保，同時也增加了企業的運營成本。

圖1 舊式余熱鍋爐脫硝工藝

隨著脫硝技術的發展，現在已開發出了更節能的余熱鍋爐煙氣SCR脫硝工藝（見圖2）。在高溫煙氣進入余熱鍋爐并流經過熱器等裝置后，溫度降到約320℃～420℃時，在鍋爐側面開一個煙道接口，將煙氣引出來進行除塵脫硝處理。由于此時煙氣溫度還比較高，所以選用高溫電除塵器。除塵后將煙氣送去SCR脫硝設備（高溫電除塵和脫硝設備也要都進行保溫處理，以保證煙氣溫度不降），待其脫硝后再將煙氣通過鍋爐另一個側面開的煙氣入口送入到余熱鍋爐里繼續進行余熱利用，等煙氣溫度下降到合適的排煙溫度（120℃～180℃）時，再將煙氣通過煙囪排入大氣。工業爐窯用的余熱鍋爐，一般利用引風機將廢氣排往大氣；動力機械和化工生產過程用的余熱鍋爐，則依靠進氣自身的壓力使之通過余熱鍋爐，并排往大氣或進入下一道工藝裝置。因此余熱鍋爐脫硝工藝既省去了煙氣加熱和降溫的裝置，又能使設備結構更緊湊，從而實現了節能減排的目標。

圖2 近期常用的余熱鍋爐除塵脫硝工藝

3 工程案例

吳江南玻玻璃有限公司天然氣浮法玻璃煙氣脫硝項目，是國內第一個玻璃行業煙氣脫硝項目，項目中包括一條600t/d和一條900t/d特種浮法玻璃生產線、余熱發電及煙氣除塵脫硝裝置。該項目采用高溫除塵+SCR脫硝方式，目前已成功運營，168h調試運行實測結果為：電收塵器出口粉塵濃度4～7mg/Nm3（合同要求≤50mg/Nm3），NOx入口濃度1950～2150mg/Nm，脫硝效率70%～92%（合同要求68%～70%），氨逃逸0～1.7ppm（合同要求＜3ppm）。該項目是中國玻璃行業第一個煙氣脫硝項目，開啟了國內浮法玻璃窯爐脫硝序幕。

4 結語

現有的脫硝技術研發及市場空間都很大，其設備的機械結構及其工藝性還需進一步改進完善。尤其是余熱鍋爐煙氣脫硝設備占地面積比較大、系統工藝不夠完善等。今后可通過優化結構、完善工藝，重點研發SCR煙氣脫硝中的催化劑選型、噴氨系統及氨氮均勻混合系統等核心技術，使煙氣脫硝技術更先進，更經濟。

段傳和，夏懷祥.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術[M].北京：北京電力出版社，2009.