熱電廠鍋爐生物鈣煙氣脫硝技術實踐與應用

文_黃美華 韓加友 周紀平 上海梅山鋼鐵股份有限公司能源環保部

2019年，國家生態環境部出臺《關于做好鋼鐵行業超低排放評估監測工作的通知》（922號文），鋼鐵行業實現煙氣全流程超低排放已成趨勢。煙氣中含有大量的氮氧化物（NOx）、煙塵和硫氧化物，這三種物質是主要的大氣污染物。本文針對NOx系統分析了當前技術成熟、應用廣泛的脫硝技術。

1 項目背景

上海梅山鋼鐵股份有限公司熱電廠共有6臺高溫高壓鍋爐，其中1#～3#鍋爐由煤粉摻燒煤氣鍋爐經改造為全燒煤氣鍋爐，4#～6#為全燒煤氣鍋爐。在增加SDS脫硫工藝+布袋除塵器后，鍋爐煙氣中的SO2含量與粉塵濃度可滿足超低排放要求，而NOx含量不滿足超低排放要求。煙氣排放情況具體見表1。

若因NOX不滿足排放指標而導致公司鍋爐被迫關停，會造成40萬～50萬Nm3/h煤氣（折合高爐煤氣）的浪費，隨之引發高爐鼓風站汽拖用汽缺口（約340t/h）。這既浪費能源，又會影響后續工段，還會造成大氣污染，不符合國家生態環境部環保要求。因此，梅鋼公司決定對鍋爐煙氣進行脫硝改造。

2 工藝選擇

目前在工業中應用的煙氣脫硝技術主要有選擇性催化還原脫硝法（SCR）、選擇性非催化還原脫硝法（SNCR）、SNCR-SCR混合法及新型高效的生物鈣煙氣脫硝法（B-SNCR）。

2.1 SCR脫硝工藝

選擇性催化還原法是目前世界上最為成熟的脫硝工藝，廣泛應用于脫硝效率要求高（大于90%）的工程項目中，其工藝流程圖如圖1。

圖1 SCR脫硝流程框圖

2.1.1 SCR反應原理

SCR脫硝技術的反應原理是在有氧狀況與合適的溫度范圍內，通過催化劑使煙氣中的NOx與NH3發生反應，生成N2與H2O，從而達到除去煙氣中的NOx的目的，其基本反應方程式為：

SCR脫硝技術的基本工作流程是在鍋爐適當位置噴入還原劑（NH3），還原劑與煙氣均勻混合后通過一個由催化劑填充的脫氮反應器，反應器中的催化劑分上下多層（一般為2～4層）有序放置。在催化劑作用下，NOx和NH3發生還原反應，生成N2和H2O。SCR反應溫度為300～400℃，催化劑一般選用以TiO2為基體的V2O5/WO3混合物。在一般情況下脫硝效率超過80%。

2.1.2 優缺點分析

技術優點：氨利用率高，氨逃逸濃度低；不易造成空氣預熱器堵塞；SCR煙氣脫硝技術的脫硝效率高，可達90%以上；對煤種的適應性較高。

技術缺點：項目投資高，是SNCR的十幾倍；廢催化劑需要專門有相關資質的公司處理；設備多、占地面積大；綜合運行費用高。

SCR工藝盡管非常成熟，在國外有10多年的應用實踐，工程應用案例比較多，但是存在投資大、風機電耗高、催化劑需3年更換，且為危廢、不適合小鍋爐煙氣脫硝等問題。此外，梅鋼NOx入口含量較低，每臺鍋爐煙氣量低，因此，該工藝不適合用于梅鋼鍋爐煙氣改造工程。

2.2 SNCR（還原劑為氨或者尿素）工藝

選擇性非催化還原技術是將還原劑（NH3）直接噴入爐膛內，與煙氣中的NOx發生SNCR反應，生成N2。由于反應過程不存在催化劑，因此爐膛溫度必須為850～1000 ℃。該方法以爐膛為反應器，其工藝流程圖如圖2。

圖2 SNCR工藝流程示意圖

2.2.1 反應原理

當溫度為850～1000 ℃，NOx被NH3還原為N2，主要反應為：

當溫度高于1000 ℃時，NH3則會被氧化為NO，主要反應為：

2.2.2 優缺點分析

技術優點：造價低；系統簡單，不需要對原機組進行大規模改造；運行費用低。

技術缺點：脫硝效率較低，通常為20%～40%，無法應用在對排放要求較高的場合；常用還原劑為液氨或氨水，屬于重大危險源，對運輸及儲存的要求特別高，存在安全隱患；NH3逃逸率較高，不僅會污染大氣，還會與煙氣中的SO2反應生成硫酸氫氨，造成空預器的變化腐蝕和堵塞；在機組變負荷運行時效率不穩定；容易造成噴嘴附近水冷壁的腐蝕。

SNCR脫硝工藝工程業績比較多，投資低、運行成本低，但氨逃逸高，容易造成空預器的腐蝕和堵塞，以及噴嘴附近水冷壁的腐蝕，且液氨為重大危險源（江蘇省政府辦公廳關于《印發江蘇省危險化學品安全綜合治理方案的通知》中明確要求加強電廠涉危設施安全監管。落實《關于進一步加強全省燃煤電廠重大危險源（液氨罐區）安全風險防控工作的意見》，加快位于化工園區、人口集中區和安全距離不符合要求的燃煤電廠液氨罐區尿素替代改造進程）。此外，SNCR脫硝工藝脫硝效率較低，對鍋爐負荷適應性不強，無法應用在較低濃度氮氧化物脫除工況。

2.3 B-SNCR脫硝工藝

B-SNCR脫硝工藝是一項新型的煙氣脫硝技術，其脫硝原理為：生物質脫硝劑在煙氣的溫度區間為730～950℃時與煙氣混合，在高溫和鈣離子的催化作用下快速分解，產生大量高活性自由還原基團，并與NOx發生還原反應，生成N2、CO2和H2O，不存在其他副反應，正常運行時，其脫硝效率最高可達85%。

2.3.1 反應原理

第一步，原料高溫裂解生成還原性自由基團：

第二步，還原性自由基團分別同NOx反應：

綜合反應式：

2.3.2 技術特點分析

該工藝系統簡單，投資低、脫硝效率高；沒有液氨或氨水運輸、儲存等安全問題；脫硝溫度范圍寬（730～950 ℃）、效率高、整個過程最終產物只有N2、CO2、H2O，不會造成二次污染；專有脫硝劑呈弱堿性，沒有腐蝕，性質穩定，本身具有一定熱值，脫硝不損耗熱量；采用分布管設多個多口噴射裝置，從而達到大范圍霧化覆蓋，比傳統噴槍噴射更加均勻，實現真正的無隙覆蓋。

通過以上對比可以看出，BSNCR脫硝工藝具有設備簡單、運行維護方便、無重大危險源儲運風險、更無氨逃逸造成的二次污染等優勢，經濟可行，可以滿足當前及更嚴的環保標準要求，適合用于梅鋼鍋爐煙氣改造工程。

3 工藝應用

3.1 系統組成

梅鋼B-SNCR脫硝工藝首先在鍋爐煙道上選擇適合生物鈣脫硝劑反應的溫度區間（730～950℃），布置多個專用高效霧化噴嘴，使生物鈣與煙氣充分混合，實現脫硝反應在煙道內的無隙覆蓋。通過輸送泵將儲罐里的生物鈣脫硝劑輸送至計量分配模塊，再準確分配到每個噴射裝置，噴入鍋爐煙道尾部，最終脫除煙氣中的NOx。

生物質煙氣脫硝系統主要包括：脫硝劑儲存站、輸送混合模塊、分配噴射模塊、電氣儀表控制及配套管道閥門等。

3.1.1 脫硝劑儲存系統

包含兩套脫硝劑儲存系統，在每個儲罐分別設有磁翻板液位計、溫度計、電加熱裝置，除鹽水罐設有磁翻板液位計。并通過遠傳DCS畫面實施監控，以便及時補充脫硝劑和除鹽水。脫硝劑儲罐通過溫度檢測低于-5℃自動加熱，高于5℃自動停止，可自行設定。補充脫硝劑時，通過罐車運送至現場，接入現場預留卸液接口后，開啟卸液泵，經過緩沖裝置和卸液泵輸送至相應脫硝劑儲罐中。除鹽水根據現場提供位置連通管道接入除鹽水罐中進行補充。

3.1.2 脫硝劑輸送分配系統

脫硝劑輸送分配系統共設置兩套，每套含有除鹽水泵兩臺（一用一備）、脫硝劑輸送泵兩臺（一用一備）、稀釋混合裝罐一個。其中1#、2#、3#機組共用一套系統，4#、5#、6#共用一套系統。

1#、2#、3#機組系統啟動后，由脫硝劑輸送泵和除鹽水泵將脫硝劑和除鹽水進行加壓，并通過稀釋混合罐將脫硝劑和除鹽水按比例進行稀釋混合（接近1：1的比例），然后通過管道將稀釋混合后的脫硝劑輸送至1#、2#、3#機組鍋爐相應的高效噴槍。

4#、5#、6#機組系統啟動后，由脫硝劑輸送泵和除鹽水泵將脫硝劑和除鹽水進行加壓，并通過稀釋混合罐將脫硝劑和除鹽水按比例進行稀釋混合（接近1：1的比例），然后通過管道將稀釋混合后的脫硝劑接送至1#、2#、3#機組鍋爐相應的高效噴槍。

3.1.3 脫硝劑噴射系統

采用特有的新型專利噴射系統，此噴射系統采用分布管設多個多口噴射裝置，從而達到大范圍霧化覆蓋的目的。該噴射系統比傳統噴槍噴射更加均勻，可以實現真正的無隙覆蓋。噴槍上設有多組噴嘴，噴射角度60°～120°，爐內反應時間為0.2s。每臺機組噴槍采用兩側水平對稱布置，噴槍布置在鍋爐屏式過熱器與高溫過熱器的水平煙道處及鍋爐屏式過熱器入口，共兩處，根據鍋爐生產負荷情況確定噴射區域，每側設置4支。將現場供給的壓縮空氣接入噴槍接口，對稀釋混合后的脫硝劑進行霧化并噴入鍋爐當中與煙氣迅速混合與反應。

3.2 應用效果

梅鋼熱電廠鍋爐采用生物鈣脫硝技術，脫硝效果顯著，凈化煙氣中的NOx排放濃度穩定在50mg/Nm3以下（見圖3），符合當前的環保標準要求，為梅鋼實現全流程超低排放奠定了基礎。

圖3 改造后鍋爐煙氣中的NOx排放濃度曲線

4 結語

生物鈣煙氣脫硝技術（B-SNCR），采用無氨生物脫硝方式，綠色環保、無氨運行，從源頭上避免了氨逃逸及其不良影響，不存在液氨儲存的安全問題。且當鍋爐低負荷運行時，煙氣也能夠實現超低排放，是一種高效實用環保的新型脫硝技術。

梅鋼熱電廠鍋爐煙氣經BSNCR脫硝系統改造后，達到《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》的要求，即NOx濃度≤50mg/Nm3。NOx年排放量減少1376t，且無固廢、廢水、廢液產生，具有明顯的社會環境效益。