SCR煙氣脫硝技術在油氣混燒鍋爐上的應用

孫江虎

(中國石油四川石化有限責任公司 成都 611930)

0 引言

國家《“十三五”節能減排綜合工作方案》明確指出,要深化主要污染物減排，改變單純以行政區域為單元分解控制總量指標的方式，通過實施排污許可制度，建立健全企事業單位總量控制制度，其中氮氧化物排放總量要求控制在1 574萬t以內。按照《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)的要求，在重點地區以燃油或燃氣為燃料時，氮氧化物最高允許排放質量濃度限值控制在100 mg/m3以內。

隨著國家環境保護和節能減排工作力度的不斷加大，鑒于氮氧化物對大氣環境的不利影響以及目前氮氧化物排放控制的嚴峻形勢，石油化工企業自備電廠現有鍋爐建設煙氣脫硝設施勢在必行。

1 鍋爐運行現狀

煉化企業蒸汽系統的特點是汽源多元，要求穩定可靠，以自備電站作為最后的供汽保障。某煉化一體化企業自備電站設計規模為4爐4機(4×420 t/h+4×50 MW)，運行原則為以汽定電、供汽為主、發電為輔，運行方式為3開1備。由于全廠蒸汽負荷不高且外界負荷多變，3臺鍋爐運行時整體負荷不高，平均負荷約80%，爐膛溫度在800～1 100 ℃波動。該自備電站1、2號鍋爐為油氣混燒鍋爐，燃料為乙烯裝置產生的焦油和全廠的燃料氣(氣態烴類和天然氣的混合氣)，如表1、表2所示。鍋爐運行時煙氣NOx排放質量濃度最大值達到295.50 mg/m3，超出了100 mg/m3的排放限值要求。

表1 乙烯焦油成分 %

表2 全廠燃料氣和天然氣混合氣成分 %

2 脫硝技術路線

2.1 脫硝性能要求

根據1、2號鍋爐原設計條件、現燃料組分特點和煙氣監測結果，1、2號鍋爐脫硝設施按照376 200 m3/h(單臺，干基，3%O2)，煙氣進脫硝反應器溫度350～380 ℃，壓力-500 Pa設計，煙氣中NOx、SO2、粉塵質量濃度分別按300、30、15 mg/m3選用脫硝設施，操作彈性滿足鍋爐40%～100%BMCR負荷下，煙氣凈化后NOx質量濃度≤50 mg/m3、氨逃逸率<3.0×10-6、總脫硝效率≥84%的要求,煙氣排放滿足GB 13223—2011中的以燃油或燃氣為燃料時NOx排放質量濃度≤100 mg/m3的指標。

2.2 脫硝工藝選擇

燃燒產生的氮氧化物主要來自兩個方面：一是燃燒時空氣中帶進來的氮，稱為“熱力型NOx”；二是來自燃料中固有的氮化合物，稱為“燃料型NOx”。根據NOx的形成特點，分成燃燒前、燃燒中和燃燒后等3類處理。燃燒后脫氮主要指煙氣脫硝技術，一種是還原技術，另一種是氧化技術。按照NOx排放濃度、排放量滿足國家環保排放標準的要求，在符合企業清潔生產的情況下，結合鍋爐實際運行工況，經過比選后，采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝技術，該技術脫硝效率最高可達90%，具有工藝技術成熟、運行可靠、適應性強、應用廣泛等特點，其中催化劑的生產和關鍵設備的制造已經實現國產化。

2.3 脫硝影響因素分析

(1)溫度對催化反應過程的影響。SCR脫硝工藝有一個催化反應的最佳溫度,直接影響反應進行的程度。溫度升高，NOx還原反應速度加快,NOx脫除效率上升；但隨著溫度的升高，NH3開始發生氧化反應生成NOx，使NOx脫除效率下降。如果反應溫度太低，催化劑的活性下降，脫硝效率也會隨之降低，同時也增加了催化劑永久性失效的風險。

(2)煙氣流速對催化劑性能的影響。煙氣流速是SCR脫硝工藝中一個重要的過程參數，它是標準狀態下的濕煙氣體積流量與裝填催化劑體積的比值，反映了煙氣在SCR反應器中停留的時間。一般煙氣的脫硝效率會隨著停留時間的增加而上升，反之亦然。莊建華[1]對工程案例的研究表明，當煙氣的停留時間達到200 ms時,NOx脫除效率達到最大值。

(3)NH3與NOx物質的量之比對NOx轉化率的影響。根據NOx脫除化學反應動態平衡方程式可知，脫除1 mol的NOx需要消耗1 mol的NH3，NOx脫除效率隨著NH3與NOx物質的量之比的增大而上升。但在實際應用中，若NH3投入量過高, NH3的副反應速度加快,既會影響NOx脫除效率，又會給環境造成二次污染。黃榮捷[2]指出，NH3與NOx物質的量之比一般控制在0.8～1.2為最佳。

(4)催化劑的選擇對SCR脫硝性能的影響。催化劑是SCR脫硝工藝中的重要組成部分。張道軍等[3]研究指出，催化劑的選擇不僅要考慮溫度、壓降、布置等因素的影響，還要考慮催化劑自身性能和煙氣中H2O、SO2等物質對脫硝反應行為的影響。

3 脫硝改造方案

3.1 脫硝工藝組成

SCR脫硝工藝系統由還原劑儲存系統、噴氨系統、SCR反應器系統、監測控制系統等組成。其中，還原劑儲存采用液氨氣化方式，主要設備包括液氨儲罐、液氨蒸發槽、卸氨壓縮機及氨輸送管道等，同時配有氮氣吹掃系統，如表3所示。噴氨系統是SCR反應器的重要組成部分，其作用是實現還原劑NH3和煙氣中NOx的充分混合，SCR反應器操作溫度在300～400 ℃。苑廣存[4]研究指出，合理的噴氨系統設計和設備選型，有利于提高SCR脫除效率、降低投資和減少運營管理成本。為了使氨在煙氣中均勻分布，在進口煙道上的合適位置設置了噴氨格柵，便于調整反應器中第一層催化劑上方煙氣的NH3與NOx物質的量之比，加入隔板式靜態混合器，強化湍流擴散，提高NOx去除效率。

表3 主要設備選型

3.2 催化劑選型

催化劑技術參數如表4所示。反應器采用高溫催化劑，左右各一組，層數按“2+1”(其中1層為備用層)設計，煙氣垂直向下通過催化劑模塊層。同時針對該自備電站鍋爐特點，催化劑采用了多孔蜂窩式、模塊化、標準化設計，各層模塊規格統一，具有互換性和能防止煙氣短路的密封系統。催化劑的投資約占整個投資的30%～40%。

表4 催化劑技術規格

3.3 SCR反應器布置

SCR 反應器主要包括氨噴射格柵、靜態混合器、兩層催化劑、蒸汽吹灰器及內部支撐結構等。電廠SCR反應器大多安裝在鍋爐省煤器與空氣預熱器之間，因為此區間的煙氣溫度為 300～400 ℃，剛好適合SCR脫硝還原反應，氨則噴射于省煤器與SCR反應器之間煙道內的適當位置，使其與煙氣混合后在反應器內與NOx反應。而該自備電站鍋爐在實際運行狀況下，煙氣在經過省煤器后溫度已經降至300 ℃以下，不能滿足SCR工藝技術要求。

此次改造將二級過熱器由原標高21 400～23 400 mm上移至標高23 400～25 400 mm處；原上級省煤器由原標高18 500～20 895 mm上移至標高21 300～23 400 mm處，利用原省煤器蛇形管上組管組，橫向排數為149.5排，縱向排數為29排。考慮到煙道空間大小，下級省煤器移至標高12 500 mm處的水平煙道和空預器之間，并將原省煤器光管管排全部改為H型鰭片管以節約空間，管組采用順列、逆流布置，規格采用φ32×4，材質選用20G，整體懸吊在新建的脫硝鋼結構框架上，在尾部豎向煙道標高14 800～22 800 mm之間預留出SCR反應器的位置。通過對鍋爐尾部的改造，使得改造后進入SCR的煙氣溫度滿足催化劑的反應溫度在300～420 ℃的要求，以保證脫硝效果，工藝流程如圖1所示。

圖1 鍋爐SCR脫硝工藝流程

3.4 煙氣監測和控制

(1)煙氣監測分析。煙氣連續監測裝置采用直接抽取法原理的測量儀表，測量系統由取樣、檢測、校準標定、數據采集等部分構成，完成對進入和排出反應器的NOx、O2以及NH3逃逸的測量，測量結果送至DCS系統用于反應器的監視和控制。

(2)反應器氨氣流量的控制。煙氣脫硝氨氣流量控制系統利用固定的NH3與NOx物質的量之比來提供所需要的氨氣流量，反應器進口的NOx質量濃度乘以煙氣流量得到NOx信號，該信號乘以一定的NH3與NOx物質的量之比得到基本氨氣流量信號，此信號作為給定值輸入DCS系統與實測的氨氣流量信號比較，由DCS系統經運算后發出調節信號，控制反應器進口氨氣流量。

(3)泄漏檢測與報警聯鎖。氨氣在空氣中的爆炸極限為16%～25%(體積分數)，同時也是一種無色、具有強烈刺激性臭味的有毒氣體。在SCR反應區和液氨儲存區均設置了氨氣泄漏檢測器，采用獨立的DCS系統控制節點進行數據采集，當氨氣檢測報警器發生報警時，操作人員立即切斷氨氣供應系統。

4 運行情況及經濟分析

4.1 運行情況

1號鍋爐于2017年8月停爐進行脫硝改造，2018年4月開工調試，在168 h試運行期間，SCR入口NOx質量濃度為198～236 mg/m3，出口NOx質量濃度為28～30 mg/m3，脫硝效率為85.85%～87.28%，氨逃逸率<1.0×10-6，SCR反應器阻力降為608～706 Pa。2號鍋爐于2018年4月停爐進行脫硝改造，2018年11月開工調試，在168 h試運行期間，SCR入口NOx質量濃度為215～253 mg/m3，出口NOx質量濃度為21～32 mg/m3，脫硝效率為87.35%～90.23%，氨逃逸率為0.5×10-6～1.3×10-6，SCR反應器阻力為729～787 Pa。從1、2號爐日常80%運行負荷工況來看，脫硝系統各項指標均達到了設計要求。

目前，脫硝系統已連續安全運行2年，脫硝效率穩定在85%以上，氨逃逸率控制在1.5×10-6以下，高于行業平均水平[5]，SO2/SO3轉化率<0.7%，煙氣NOx質量濃度控制在30 mg/m3以下，結合行業SCR脫硝優化運行經驗[6]，通過2年多不斷優化運行方式，該自備電站油氣混燒鍋爐運行穩定，環保效益顯著。

4.2 經濟分析

該自備電站的SCR脫硝設施處理費用包括建設費用和運行費用。其中，建設費用包含脫硝設施首次新建的設備、安裝等工程費用；運行費用主要包含脫硝設施運行的能耗物耗費用, 具體包括設施維護費用、電耗、輔助材料消耗、液氨消耗、儀表風消耗、水耗、蒸汽消耗、氮氣消耗以及“三廢”排放費用等，年均總費用為602.07萬元，如表5所示。

表5 經濟分析統計

5 結論

(1)鍋爐脫硝設施建設投資5 188萬元，年處理煙氣6.59×109m3，按NOx從 230 mg/m3降至30 mg/m3計算，每年削減NOx超過1 300 t，NOx處理成本約4 560元/t。油氣混燒鍋爐采用成熟、環保的選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝技術，具有顯著的環境效益，對實現可持續發展和建設創新、環境友好型企業具有重要意義。

(2)當鍋爐運行負荷低時，進入空氣預熱器的煙氣溫度較低，容易在催化劑上發生副反應,生成硫酸銨或硫酸氫銨,堵塞催化劑的通道和微孔,降低催化劑的活性，同時也易吸附到下級省煤器、空預器表面，造成換熱器的堵塞。因此，需加強運行管理以延長催化劑的使用壽命，同時需加強對氨氣逃逸率的控制，以保證設備設施長期、穩定、高效地運行。

(3)定期開展維護、保養、校驗與檢修工作，定期檢查整個系統是否存在泄漏，特別是涉及到氨氣的設備和管道，如有泄漏應及時處理。重點監視反應器進出口壓降、空氣預熱器進出口壓降、反應器出口各煙氣分析儀、液氨存儲罐的壓力和溫度等重點參數，若發現異常應及時分析原因并排除隱患。