乙烯裝置開工鍋爐煙氣脫硝改造技術淺析

吳錦標

上海石油化工股份有限公司（上海 200540）

節能環保

乙烯裝置開工鍋爐煙氣脫硝改造技術淺析

吳錦標

上海石油化工股份有限公司（上海 200540）

上海石油化工股份有限公司乙烯裝置開工鍋爐必須通過技術改造才能滿足現行NOx排放要求，結合開工鍋爐現狀、NOx排放標準要求，對現有煙氣脫硝技術進行對比分析，確定采用選擇性催化還原（SCR）脫硝技術對開工鍋爐煙氣進行治理改造，以確保NOx達標排放。

開工鍋爐 脫硝技術 達標排放

根據上海市DB31/387—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》和2014年8月19日國家環境保護部下達的環函［2014］179號文“關于部分供熱及發電鍋爐執行大氣污染物排放標準有關問題的復函”，上海石油化工股份有限公司（簡稱“上海石化”）乙烯裝置開工鍋爐從2015年10月1日起需執行大氣污染物環保指標中氮氧化物（NOx）排放限值為100 mg/m3（文中氣體狀態均為標準狀態）的標準。改造前上海石化兩臺開工鍋爐排放煙氣中的NOx質量濃度為350～420 mg/m3，嚴重超標，必須采取適宜的脫硝技術對其進行治理改造，以滿足排放標準、改善大氣環境質量、實現可持續的生產發展。

1 開工鍋爐狀況

上海石化兩臺開工鍋爐是2＃乙烯裝置的重要動力設備，從日本巴布科克日立公司引進。兩臺鍋爐采用母管并列運行，以重油、裂解油、燃料氣為燃料，鍋爐在微正壓下燃燒，每臺鍋爐的最大蒸發量為160 t/h，超高壓蒸汽設計壓力為11.9 MPa、設計溫度為525℃。蒸汽用于乙烯裝置開車和運行，驅動裂解氣壓縮機、丙烯制冷壓縮機，以及加熱再生干燥器。超高壓蒸汽鍋爐為自立式雙汽包鍋爐，爐膛內爐墻為膜式水冷壁結構，鍋爐水自然循環。鍋爐燃燒器為前墻布置，單側墻燃燒，分上下兩層布置，每臺鍋爐配備6個燃油氣燃燒器，均用電點火點燃燃嘴，油嘴為“Y”型蒸汽霧化噴嘴。燃氣燒嘴在開車升壓時使用，油嘴在升壓后期及正常負荷下使用。目前燃料主要為天然氣與乙烯焦油（油氣混燒），天然氣（0.5 MPa）的消耗量為31377 t/a，乙烯焦油的消耗量為102503t/a，霧化蒸汽（1.6MPa）的消耗量為10500t/a。

這兩臺開工鍋爐均為微正壓爐，各配備一臺送風機。助燃風設計壓力為8.24 kPa，設計煙氣量為20×104m3/h，滿負荷工況下爐膛壓力為2.94 kPa。送風機出口的空氣首先經蒸汽預熱器加熱到20℃，再經回轉式空氣預熱器加熱到250℃，熱風通過鍋爐底部的風道進入爐前風箱，并通過6個調風器與燃料混合后進入爐內。空氣與燃料混合燃燒后的煙氣從爐膛上部的出口煙囪進入高溫過熱器，對高溫過熱器進行橫向沖刷，然后自上而下流動，對低溫過熱器作斜向沖刷。煙氣從下部進入高溫對流豎井中，自下而上流動，斜向沖刷對流管束；之后從高溫豎井的上部進入低溫豎井的上部，自上而下對對流管束進行斜向沖刷；然后從低溫豎井的下部進入回轉式預熱器。煙氣在沿途將熱量分別傳給水冷壁、過熱器和對流管束，從而在進入回轉式空氣預熱器時使溫度降到350～400℃。煙氣在預熱器中將其余熱傳給冷空氣，將空氣加熱至250℃，而煙氣溫度降至185℃，再經余熱回收系統回收熱量后，最終將排煙溫度降至105～115℃，由引風機加壓后引入脫硫系統脫除二氧化硫和煙塵，最后經150 m的煙囪排到大氣中。

2 開工鍋爐煙氣脫硝技術比選

2.1 煙氣脫硝技術現狀

目前世界各國研究開發的煙氣脫硝技術有多種，已經工業化的煙氣脫硝技術主要有低NOx燃燒技術、選擇性非催化還原（SNCR）技術、選擇性催化還原（SCR）技術及臭氧脫硝技術。

（1）低NOx燃燒技術

目前脫硝應用比較普遍的是低NOx燃燒技術。利用NOx的形成和破壞機理，通過控制火焰溫度峰值、限制在火焰峰和反應區內的氧含量或NO的再燃燒來減少NOx生成量。對于燃燒鍋爐而言，由此產生許多低NOx燃燒方法（如空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、排煙再循環等），低NOx燃燒器（如混合促進型、多股燃燒型、階段燃燒型、噴水燃燒型等）和低NOx爐膛（如燃燒室大型化、分割燃燒室、切線燃燒室等）等。

（2）SNCR煙氣脫硝技術

SNCR煙氣脫硝技術于20世紀70年代中期開始在日本的一些燃油、燃氣鍋爐上得到應用，20世紀90年代初，逐漸應用于西方國家燃煤鍋爐的煙氣處理。該技術把還原劑（如氨水、純氨或尿素）噴入爐膛溫度為800～1100℃的區域，該還原劑迅速熱分解，生成氨氣并與煙氣中的NOx進行反應生成氮氣和水。該方法以爐膛為反應器，不需要催化劑，但脫硝效率低，一般為30%～50%，同時高溫噴射對鍋爐受熱面的安全有一定的影響。

（3）SCR煙氣脫硝技術

SCR煙氣脫硝技術在20世紀80年代初開始逐漸用于燃煤鍋爐煙氣脫除NOx，目前國內外的燃煤鍋爐廣泛采用該技術。SCR技術是指在催化劑的作用下，利用還原劑（如氨水、純氨或尿素）與煙氣中的NOx反應并生成無毒無污染的氮氣和水。由于還原劑具有選擇性，只與NOx發生反應，基本不與氧氣反應，故稱選擇性催化還原脫硝。SCR系統一般由氨氣制備系統、SCR脫硝反應系統兩部分組成，SCR反應器大多安裝在鍋爐內300～400℃溫度段，因為該溫度區間剛好適合SCR脫硝還原反應進行，氨則噴射于SCR反應器之前煙道內的適當位置，使其與煙氣混合后于反應器內在催化劑的作用下與NOx進行反應，從而將NOx脫除。

SCR脫硝技術適應性強，適用于對煙氣NOx排放質量濃度要求很嚴格的區域。SCR技術脫硝效率較高，一般在70%以上，最高可達90%；該技術工藝成熟、操作簡單、設備緊湊、維護方便、應用廣泛、運行成本較低。

在SCR技術中，脫硝催化劑的投資約占整個SCR投資的30%～40%。反應采用中溫催化劑，反應溫度一般為300～400℃，催化劑以TiO2為載體，主要活性成分為V2O5-WO3（MoO3）等金屬氧化物。催化劑具有較高的選擇性，保證壽命一般為3年，而實際運行中催化劑壽命一般大于3年。催化劑性能降低或失效后，需要對其進行再生處理。再生處理主要是將重金屬從催化劑中溶出，以恢復催化劑活性。另外，SCR法脫硝催化劑可將二氧化硫轉化率控制在1%以內。

還原劑在工藝系統中會產生少量的氨氣逃逸，氨氣的逃逸量一般可控制在3 mg/m3以下，不會對下游的空氣預熱器的安全運行和環境空氣帶來不利影響。另外，脫硝裝置需要布置催化劑床層，每層催化劑床層的阻力降約為250 Pa。

（4）臭氧脫硝技術

臭氧脫硝主要是利用臭氧的強氧化性將難溶于水的NO氧化成易溶于水的NO2，N2O3，N2O5等高價態NOx，然后在洗滌塔內將NOx吸收轉化為溶于水的物質，達到脫除NOx的目的。

該技術將臭氧通入煙氣中對NO進行氧化，然后采用堿液進行吸收，最終將NOx轉化為硝酸鹽和氮氣，因而外排廢水中總氮質量濃度較高。該技術的NOx脫除率較高，為70%～90%。

2.2 開工鍋爐煙氣脫硝技術選擇

本開工鍋爐燃油氣燃燒器分上下兩層布置，每層各3臺，共6臺，每層左右兩邊的燃燒器與中間燃燒器的距離為1500 mm。若要改為低NOx燃燒，需將左右兩邊的燃燒器分別向外移約300 mm，這樣就需要較大程度地改造鍋爐水冷壁，對鍋爐現有結構破壞較大，進而會對鍋爐效率產生負面影響；另外，低NOx燃燒器通常在較低溫度條件下運行，開工鍋爐改用低NOx燃燒器后會改變鍋爐熱量分布現狀，降低開工鍋爐運行負荷，無法滿足乙烯裝置的生產需要。因此，該形式鍋爐不適宜采用低NOx燃燒技術進行改造。

SNCR脫硝工藝技術也不適用于本工程，原因有：（1）該開工鍋爐爐膛上下空間較小，意味著煙氣停留時間短，脫硝還原劑不能與NOx充分進行反應；（2）開工鍋爐前后空間較大，會造成脫硝還原劑與煙氣混合不均勻，達不到較好的脫硝效果；（3）SNCR技術的脫硝效率一般低于50%，鍋爐工況不理想時脫硝效率會更低，很難將NOx排放質量濃度從350～420 mg/m3降到100 mg/m3以下。另外，同等脫硝效率的情況下，該工藝的氨氣消耗量要高于SCR工藝，從而使氨氣的逃逸量增加。

臭氧脫硝技術采用臭氧作為脫硝劑，臭氧一般由臭氧發生器制得。盡管該技術在國外已經進行了產業化應用，但是由于臭氧的制備電耗較大，導致費用較高，因而其推廣應用受到制約。同時，由于在我國脫硝技術中臭氧脫硝技術還不成熟，需引進專利技術，而專利費用較高，故不推薦采用該技術。

SCR脫硝技術是國內外應用最多、技術最成熟的煙氣脫硝技術，具有脫硝效率高、工藝設備緊湊、反應溫度適中（一般為300～400℃）等特點，而開工鍋爐煙氣NOx排放質量濃度較高（350～420 mg/m3），只需在煙氣對流管束出口處（溫度約350～400℃）通過新增煙道將其引入新增的脫硝反應器（以下簡稱SCR反應器），經脫硝反應凈化后的煙氣再經脫硝反應器出口新增的煙道回到開工鍋爐空氣預熱器進行熱量回收，隨后即可排出。采用SCR技術對現有裝置進行脫硝局部改造，NOx排放質量濃度可降至100 mg/m3以下，故SCR脫硝技術是最佳選擇。

通過上述比選，上海石化開工鍋爐煙氣脫硝改造確定采用SCR脫硝技術。

3 SCR脫硝工藝技術說明

3.1 工藝原理

SCR脫硝技術是利用還原劑（如氨）在催化劑作用下有選擇性地與煙氣中的NOx發生化學反應，生成氮氣和水的技術，其有效反應溫度范圍較低，在300～400℃之間，反應式為：

SCR工藝的核心設備是SCR反應器，主要的運行工藝參數包括煙氣溫度、煙氣流速、氧氣含量、水蒸氣含量、催化劑活性和氨氣逃逸量等。

本項目SCR脫硝煙氣需要從開工鍋爐對流段出口處引出，經SCR進口煙道進入SCR反應器進行脫硝反應，凈化后的煙氣再經SCR出口煙道回到開工鍋爐空氣預熱器。

3.2 工藝流程簡述

SCR脫硝工藝主要由氨氣制備系統及SCR脫硝反應系統組成。圖1為SCR脫硝技術工藝流程示意圖。

圖1 SCR脫硝技術工藝流程示意圖

氨氣制備系統的主要流程為：來自液氨儲罐的液氨經管道輸送到液氨蒸發器，在其內蒸發為氨氣，經氨氣緩沖罐向SCR反應系統提供壓力及流量較穩定的氨氣。

SCR脫硝反應系統的主要流程為：溫度為300～420℃的煙氣經新增煙道進入SCR反應器；利用氨流量控制系統使氨制備系統輸送來的氨氣中氨的體積分數降到5%以下，并經過計算將一定量的稀釋氨氣輸送到噴氨格柵；噴氨格柵將稀釋氨氣均勻地噴入SCR反應器中，使氨氣在整個SCR反應器橫截面上與煙氣均勻混合；混合均勻的氨氣-煙氣最后豎直向下經過SCR催化劑，在催化劑作用下，氨氣與NOx發生還原反應，生成無污染的水和氮氣，從而使煙氣得到凈化。

4 結論

通過對幾種已經工業化的煙氣脫硝技術進行對比分析，確定采用SCR脫硝工藝技術對上海石化開工鍋爐煙氣進行治理改造，以確保排放煙氣中NOx的質量濃度可降至100 mg/m3以下，實現NOx的達標排放。

漢高在可持續發展評估中獲高度認可

新年伊始，漢高憑借其在可持續發展方面取得的卓越表現，榮獲四項獎項的認可：在“全球最具可持續性企業百強”榜單(Global 100 Index)中名列第15位；獲得評級機構Sustainalytics行業最高評分；榮獲RobecoSAM頒發的“可持續發展成就金獎”以及“行業推進者”殊榮。此外，漢高還連續16年入選富時社會責任指數榜。

躋身“全球可持續發展企業100強”前列

漢高再次入選由多倫多媒體和投資顧問公司《企業爵士》(CorporateKnights)評選出的“全球可持續發展企業100 強”排行榜，位列第15 名。該排行榜囊括了在各自行業領域中，綜合可持續績效的佼佼者。評選范圍涵蓋4 000 多家市值高于20 億元美元的企業。

在Sustainalytics評級中名列前茅

Sustainalytics將漢高評為“家庭與個人用品”領域的領導者。2016年12月，漢高在環境、社會責任及管理(ESG)方面獲得了87分（滿分100）的高分，位列40家參評企業之首。Sustainalytics是一家全球責任投資研究機構，專注于企業ESG表現的研究和分析。

獲RobecoSAM“可持續發展成就金獎”及“行業推進者”認可

漢高入選《2017年可持續發展年鑒》，并憑借其卓越的可持續績效榮獲“可持續發展成就金獎”及“行業推進者”兩項殊榮。

RobecoSAM年度企業可持續評估基于100余項標準，選出全球各個行業中在可持續發展方面表現最佳的公司，錄入年鑒。每年，有超過3 000家全球最大企業受邀參加此項評估。

再次入選富時社會責任指數

漢高連續16年入選富時社會責任指數榜。該指數評選出在環境、社會和管理風險方面表現最佳的企業，并為投資者在決策制定過程中提供ESG因素方面的參考。

這些獎項彰顯了漢高在可持續方面的堅實基礎，肯定了其在該領域中所取得的成功。進一步擴大可持續發展領導地位的雄心，深植于漢高企業價值觀中。漢高將與合作伙伴攜手，為可持續發展開拓更多全新的解決方案，更負責地運營企業，同時創造更多經濟效益。

（Grace）

Brief Analysis on Flue Gas Denitrification Transformation Technology of Start-up Boilers for Ethylene Unit

Wu Jinbiao

The two start-up boilers for ethylene unit of Sinopec Shanghai Petrochemical Company Limited must be transformed to meet the current requirements of NOxemission.Combined with the status of the two boilers and the NOxemission standards,the existing flue gas denitrification technologies were compared and analyzed,and the selective catalytic reduction(SCR)of NOxwas applied to the treatment of the flue gas so as to ensure the compliant emission of NOx.

Start-up boiler;Denitrification technology;Compliant emission

X383

2017年1月

吳錦標男1964年生碩士高級工程師主要從事企業固定資產投資可行性研究報告審查、技術方案認證和投資效益分析等工作