含硫天然氣凈化廠動力鍋爐氮氧化物減排研究

余松濤

摘 要：文章以中國石化西南石油公司及其凈化分公司作為研究對象，對工廠內氮氧化物排放現狀進行分析討論，并提出一系列切實可行的減排技術及設備改造方案。這樣，可以保證污染物排量大幅降低，實現高效保護生態環境的目標，達到降低企業投資概算的目的，并以此推動相關行業維持可持續化發展模式，促進社會經濟進一步增長。

關鍵詞：含硫天然氣;動力鍋爐;氮氧化物

中圖分類號：TK16 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.011

氮氧化物是指由氮、氧元素組成的化合物，其本身存在一定程度的毒性，不僅會影響人體健康，還會嚴重破壞生態平衡，是酸雨與化學煙霧的重要組成成分[1]。因此，為了降低其破壞程度，亟需相關企業加強氮氧化物的防治、減排工作，從而保證生態穩定。若想保證減排措施更具有針對性，首先要對含硫天然氣凈化廠動力鍋爐氮氧化物的排放情況進行深入了解。

1 含硫天然氣凈化廠動力鍋爐氮氧化物排放現狀

當前，西南油氣凈化公司動力站設有兩臺中壓鍋爐，采取一用一備的管理模式，保證最少有一臺設備能夠穩定運行。在正常使用過程中，單個中壓爐平均負荷保持在50 T/H左右，如果在應急狀態，比如暴雨或停工造成的蒸汽需求量大幅提升，此時鍋爐負荷可達65 T/H。根據實際調查可知，當負荷在50 T/H時，氮氧化物的排放量大約在100 mg/m3～120 mg/m3;而在應急狀態下，氮氧化物的排放量可達160 mg/m3以上，明顯不符合污染防治方案中將氮氧化物濃度控制在50 mg/m3以下的要求。因此，凈化公司需盡快開展污染整治項目，切實滿足相關安全標準條例，消除對周邊居民與環境的實際影響。

鍋爐燃燒生成的氮氧化物量計算公式如下：

GNOX=1.63B（β·n+10-6Vy·CNOX）

在上述公式中，燃料燃燒生成的氮氧化合物由GNOX表示;煤或重油消耗量由B表示;氮在燃料中的含量由n表示;燃料生成的煙氣量由Vy表示。

2 含硫天然氣凈化廠動力鍋爐氮氧化物減排技術探究

當前，減少氮氧化物排放的工藝技術種類相對較多，依照燃燒前、燃燒中、燃燒后脫氮，基本可分為外煙氣再循環燃燒技術、內煙氣再循環燃燒技術、空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術、濃淡偏差燃燒技術、低氮氧化物旋流燃燒技術、無焰燃燒技術、選擇性催化還原、SNCR、富氧燃燒技術等十種方法，文章將以其中最有效的煙氣外循環與SCR兩種方法進行深入討論。

2.1 低氮燃燒器+煙氣外循環

低氮燃燒器即是在以往的燃燒器中添加引風機、變頻器，通過集成多個電路與控制閥，實現燃料與空氣的分段式混合燃燒，以此避免燃燒當量比與實際理論出現誤差，從而達到減少氮氧化物生成的目的。而煙氣外循環是指在燃燒器外將燃燒后的尾部煙氣輸送到燃燒器入口完成與空氣的充分混合，之后將混合后的氣體與燃料進行二次燃燒，這樣不僅能切實降低爐膛溫度，還能減少鍋爐內的氧含量，從而達到抑制熱力型、快速型氮氧化物生成的目的，保證燃料被徹底燃盡。

其涉及的化學公式主要為：

N2+O=N+NO

O2+N=O+NO

N+OH=NO+H

該方法的優點在于操作步驟便捷，適用于改造項目與改造方式相對簡易的工廠，能夠與其他燃燒技術有效結合，最高可實現60%左右的降氮效果，但同時也存在燃燒穩定性相對較低、對鍋爐效率造成一定影響的不足之處。

2.2 活性炭纖維法脫硝

活性炭纖維干法脫硝技術是利用液氨進行催化還原反應，處理煙氣中的氮氧化物，這種方法可以將脫硝效率保持在70%左右，所需材料為活性炭和液氨。反應不產生廢水廢渣，系統運行簡單，且運行成本較低。目前，此方法多用在電廠鍋爐煙氣、有色冶煉煙氣等大中型工業鍋爐廠。該技術按照10萬千瓦的機組鍋爐煙氣計算，投資費用約需人民幣3 500萬元，年產硫酸3萬噸以上。僅僅是在高硫煤電廠的脫酸，每年都可以減少約240噸的二氧化氮排放，并生產360噸的硫酸，產值可以達到數十億元。此技術已經獲得了國家發明專利，并被列入國家高新技術產業化項目指南。

2.3 SDA半干法脫硝

SDA半干法脫硝是利用碳酸鈣（石灰石）作為脫硝劑，將霧化形態的碳酸鈣漿液與煙氣充分接觸，進而吸收二氧化氮，同時副產物硫酸鈣也快速干燥，隨氣流一同進入除塵器中進行處理。

脫硝后的煙氣在經過升溫之后進入低溫SCR脫硝反應器，在催化劑的輔助下，生成水和氮氣隨煙氣一同排出。此項技術的脫硝率在93%以上，所需材料為細生石灰石粉、低溫SCR催化劑、液氨氨水、一定量的工藝水以及所需反應的高溫度環境。產生物為硫酸鈣等廢渣固體和大量干態廢渣。該技術需要各個工藝相互串聯，流程相對復雜，系統容易被大量殘渣堵塞、磨損。

在冬天，脫硝煙氣的溫度下降30 ℃～40 ℃后，增加了SCR脫硝煙氣升溫所需要的煤氣量，同時半干法脫硝的副產物處理，現階段并沒有良好的解決方法，無害化處理成本較高。

2.4 氨法脫硝+臭氧氧化尿素還原脫硝

此項技術是利用氮氧化物和氨在常溫下反應生成次硫酸氫氨，然后進一步氧化生成硫酸氫氨，進而對煙氣中的氮氧化物進行處理。用臭氧氧化尿素還原法脫硝，首先利用臭氧將煙氣中大量一氧化氮進行氧化，生成二氧化氮，之后在脫硝器皿中將兩種物質和尿素溶液進行還原反應，生成的氮氣和二氧化碳和水可直接進行排放。該技術操作室溫度保持較低，不能滿足動力鍋爐設備的熱要求，且處理方法對管道腐蝕效果較強，相比較于其他方法，可用性不強。

2.5 電子束輻射法煙氣脫硝

電子束輻射法脫硝是一種脫硝技術的最新發展，通過二十多年的不斷探索，經過不斷優化，該技術已逐步走向工業化。其主要特點為：干式處理方法，不產生廢水廢渣;能同時脫硫脫硝，脫硫脫硝率較高，脫硫率在90%以上，脫硝率在80%以上;系統簡單，操作方便，流程易于控制;產生廢棄物為硫酸銨和硝酸銨混合物，可用作化肥。煙氣經除塵后，在高溫下進行反應。在煙氣進入反應器之前，注入適量的氨氣。

在反應器內，煙氣受高能電子束照射，煙氣中的氮氣、氧氣和水蒸氣等發生輻射反應，生成大量的活性物質，它們將煙氣中的二氧化硫和氮化物氧化為三氧化硫和二氧化氮。硫氧化物和氮氧化物與水蒸氣發生化學反應生成霧狀的硫酸和硝酸，再與反應器的氨反應，生成硫酸銨和硝酸銨。最后用靜電除塵器收集氣溶膠狀的硫酸銨和硝酸銨，凈化后的煙氣可直接排放。該技術相比較于之前的幾種脫硝方法較為新穎，實驗數據較少，所需工藝步驟較為繁瑣，脫硝效率相比較于SDA干法脫硝尚有差距，能否在后續中進一步廣泛應用，還需更多的實驗與研究。

2.6 軟錳礦法煙氣脫硝技術

二氧化錳是一種良好的脫硝劑，在水溶液中，二氧化錳與氮氧化物發生氧化還原反應，生成了硫酸錳。軟錳礦法煙氣脫硝法以此原理為核心，使用軟錳礦漿液作為吸收劑，漿液與煙氣中的二氧化氮進行充分接觸吸收，生成工業硫酸錳。

軟錳礦法煙氣脫硝技術的脫硝率達到90%，產品硫酸錳達到工業硫酸錳要求標準。常規生產硫酸錳方法是將軟錳礦粉與硫酸和硫精沙混合反應，將反應物凈化得到硫酸錳。

由于我國的軟錳礦品位不高，硫酸消耗量需要相對增高，成本支出占比也要相應加大。軟錳礦法煙氣脫硝技術原料軟錳礦價格較低，每噸大約200元～300元，預計需要五年左右可收回成本。此項脫硝技術不但治理了動力鍋爐污染物，處理了制酸廢水，并且回收了硫酸錳產品，具有明顯的社會環境和經濟效益，具有極高的參考價值。

2.7 選擇性催化還原

選擇性催化還原又稱SCR脫硝技術，是將氨氣作為還原劑，將其噴入高溫煙氣催化設備當中，并在催化劑作用下，使其與氮氧化物進行還原脫除反應，形成氮氣與水分子的技術，其可以無害化處理污染物。該方法所采用的催化劑為TIO2、還原劑為尿素，兩者均屬于無害化合物，并且反應過程中生成的SO3含量極低，不會對空氣環境造成影響，而逃逸的氨氣濃度低于3PPM，滿足安全排放標準，具有較高的實用性[2]。

經過選擇性催化還原處理后的氮氧化物含量基本低于5%，足以證明其良好的脫除效果。通過將此技術投入使用并進行實際調研分析可知：SCR脫硝系統占地面積約為8 m3左右;最大煙氣處理量為13×100 NM3/H，能夠保證年工作時長超過8 750小時;其催化劑床層體積約為60 m3，分為三層分布于煙道當中;在運行過程中所造成的壓損值為1 500 Pa左右，脫氮效率基本維持在85%左右。

雖然根據上述數據反映，選擇性催化還原的應用效果相對良好，但也存在以下問題：如凈化公司鍋爐的排煙溫度通常為160 ℃左右，難以達到催化反應最低反應溫度300 ℃的實際要求。雖然可通過將催化設備放置在省煤器前、增添補償裝置、更換低溫催化劑等方法解決溫度問題，但不免會產生限制煙道空間、占用過大的空間面積等不良后果。同時，在反應完成后還要切實考慮含鹽廢液的處理問題。

因此，該方法與低氮燃燒器+煙氣外循環相比，雖然能夠保證較高的脫氮率，且污染物產量較低，但在投資成本上相對高昂，且運行能耗偏大，維護、改造工作難度較高，往往會涉及土建的改動，需要研究人員進一步對其進行優化與創新，才能保證該技術得到有效推廣[3]。

3 含硫天然氣凈化廠動力鍋爐氮氧化物減排設備改造方案分析

3.1 改造鍋爐結構

通過以上討論可知，當前實用性最好的減排技術為低氮燃燒器+煙氣外循環，其對相應的運行設備進行適當改造與更換，以此達到降低能源消耗、提高燃燒效率的目的。

首先，要進行鍋爐參數與結構尺寸設計。同樣以凈化公司的兩臺中壓鍋爐作為分析對象，其型號可選擇強制通風的D型爐，額定風量為75 T/H，蒸汽壓力為1.25 MPa，蒸汽溫度為250 ℃，給水溫度為104 ℃，工況設計效率高于90%，負荷范圍在25%～100%，爐膛尺寸為8×3.5×8.2，燃料為天然氣。基于以上設計參數，能夠保證中壓鍋爐的氮氧化物排放量低于50 mg/m3的排放要求。

其次，要對鍋爐結構進行改造。改造內容大致分為：低氮燃燒器，需要將原有的燃燒器更換為具有深度燃料分級燃燒功能的低氮燃燒器，并保證設備喉口大小滿足相應孔徑要求，且耐火材料需要進行澆筑處理;煙氣外循環改造，一是要增設風機，實現煙氣的抽取、分離，通過循環煙道與換風機引入到鼓風裝置，從而確保混合的充分進行并送入到爐膛內完成燃燒工作。二是煙道改造，即在風道添加空氣混合箱，并設置導流板，用以強化煙氣與空氣的混合，同時每臺燃燒器需配置風量調節系統，實現風量的精準把控。此外，為了避免煙道積液產生，還需在煙道混合段設置排凝點。

3.2 升級控制系統

控制系統的升級改造，需要實現根據鍋爐蒸汽負荷大小完成燃燒過程的自動調節，以及依照蒸汽壓力數值進行燃燒自動控制等兩種運行模式。可通過在系統內添加控制位點信號的方式，實現系統的CCS功能，確保燃燒器系統在改造后能夠滿足中聯鎖、熄火安全時間、點火安全時間等要求。

3.3 優化電氣使用

第一，電氣改造范圍需要遵從工藝改造資料的相關要求，將配電、防靜電接地、照明燈改造項目劃入到改造范圍內，確保中壓鍋爐加設循環風機后，使電機的額定功率保持在75 kW左右。同時，要確保生產環境遠離爆炸危險區，要求電氣設備具有較高的防爆等級。

第二，要設計詳細的供電方案。一是要明確供電電源，原有的380 V低壓開關柜計算負荷需調整為1 005 kW，且變壓器的負荷率要控制在40%左右。二是要制定供配電方案，供配電電壓、配電電壓應為110 KVAC，160 kW以上的電動機配電電壓則為6 000 VAC。若功率低于160 kW，則配電電壓為380 KVAC，且照明配電電壓應為220 VAC。

第三，安裝繼電保護裝置，在電機出線時需安裝空氣斷路器，確保出現跳閘、短路時，能夠保障電動機的安全性。同時，還要進行微機自動化處理，確保監控系統能夠全面監察各項設備的運行狀況。

第四，配電電纜應鋪設在電纜橋架上，并確保電纜橋架沿管架安裝，能夠保持良好的穩定性，新增的照明設備則需應用照明配電箱的備用回路。

第五，要做好接地、防雷工作，在電氣設備內均采用公共接地網，要求電阻值小于4Ω，且電氣設備本身不附帶金屬外殼與框架，相應的裝置入口處要設置防靜電接地，防止靜電現象對設備造成破壞。

第六，要做好節能措施，不僅要選用高效的節能電機，保證燈具皆為節能設備，所用電器均屬于新型節能裝置，還要合理設計配電線路，確保線路損耗降到最低。

第七，設計標準規范，要求相關改造內容滿足建筑照明設計標準，低壓配電設計規范，電熱設備電力裝置設計規范，電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范，電力工程電纜設計標準，公共電網諧波電動機能效限定值及能效等級等實際要求。

4 結語

綜上所述，筆者通過對含硫天然氣凈化廠動力鍋爐氮氧化物排放現狀進行分析討論，闡述了當前應用相對廣泛的低氮燃燒器+煙氣外循環、選擇性催化還原等減排技術，提出了改造鍋爐結構、升級控制系統、優化電氣使用等設備改造方案，從而確保污染物排量符合安全排放標準，切實保護工廠周邊生態環境，推動相關企業進一步發展，實現經濟效益的大幅增長。

參考文獻

[1] 李國亮.氮氧化物對環境的危害及污染控制技術[J].山西化工，2019，39（5）：123-124，135.

[2] 毛洪鈞，李悅寧，林應超.生物質鍋爐氮氧化物排放控制技術研究進展[J].工程科學學報，2019，41（1）：1-11.

[3] 刁貝娣，曾克峰，蘇攀達.中國工業氮氧化物排放的時空分布特征及驅動因素分析[J].資源科學，2019，38（9）：1768-1779.