淺談煙氣脫硝在余熱鍋爐上的應(yīng)用

周 萍

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，中國(guó)已成為能源消耗和排污大國(guó)之一，主要能源燃煤燃燒后會(huì)產(chǎn)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(huì)在地球外表層形成溫室效應(yīng)、酸雨，破壞了地球的保護(hù)層——臭氧層，以及地球的生態(tài)循環(huán)鏈等。在這些污染物中，氮氧化物（NOx）對(duì)以上三種危害都有影響作用，所以脫氮是目前重要的環(huán)保工作之一。

近年來，隨著國(guó)家節(jié)能減排力度的加大，特別是“十二五”期間，國(guó)家對(duì)各項(xiàng)排放指標(biāo)都作了明確和更嚴(yán)格的要求。工業(yè)和信息化部明確提出要求，到2015年我國(guó)單位工業(yè)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(duì)工業(yè)窯爐的節(jié)能減排技術(shù)也紛紛發(fā)展應(yīng)用。

余熱鍋爐及其煙氣脫硝設(shè)備是一種可以實(shí)現(xiàn)減排的先進(jìn)技術(shù)。現(xiàn)一般大型的工業(yè)窯爐、鍋爐，如果其煙氣不作后期利用，就要直接對(duì)鍋爐配套煙氣氮氧化物脫除（煙氣脫硝）設(shè)備。有些對(duì)后續(xù)煙氣還要進(jìn)行余熱利用的工業(yè)窯爐，一般要在余熱利用中或等到余熱利用完后再進(jìn)行煙氣治理。這些工業(yè)窯爐的后續(xù)余熱利用設(shè)備統(tǒng)稱為余熱鍋爐。余熱鍋爐由于受到其本身結(jié)構(gòu)差異的影響，其煙氣脫硝設(shè)備的結(jié)構(gòu)也各有不同，但是主體工藝結(jié)構(gòu)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(yè)過程中的廢氣、廢料或廢液中的余熱及其可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量，把水加熱到一定溫度工質(zhì)的鍋爐，高溫?zé)煔庀冗M(jìn)入爐膛，再進(jìn)入前煙箱的余熱回收裝置，接著進(jìn)入煙火管，最后進(jìn)入后煙箱煙道內(nèi)的余熱回收裝置，高溫?zé)煔庾兂傻蜏責(zé)煔夂笈懦觥?/p>

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(yè)窯爐直接排入到余熱鍋爐，進(jìn)入爐內(nèi)的煙氣溫度區(qū)間也各不相同，所以在對(duì)其進(jìn)行煙氣脫硝設(shè)備的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的因素和所配備的工藝設(shè)備也有所區(qū)別?，F(xiàn)有的脫硝設(shè)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(shè)備及工藝過程較復(fù)雜、效率一般、會(huì)產(chǎn)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(diǎn)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(jìn)行反應(yīng)，使NOx還原成N2和H2O。而且，NH3具有選擇性，只與NOx發(fā)生反應(yīng)，基本上不與O2發(fā)生作用。SNCR脫硝工藝的NOx脫除效率主要取決于反應(yīng)溫度、NH3與NOx的化學(xué)計(jì)量比、混合程度及反應(yīng)時(shí)間等，其中它的溫度控制是關(guān)鍵因素。若溫度過低，NH3的反應(yīng)不完全，容易使NH3的逃逸較多；溫度過高，NH3會(huì)容易被氧化為NO，抵消了NH3的脫除效果。一般設(shè)計(jì)合理的SNCR工藝系統(tǒng)的脫硝效率能達(dá)到25%～50%。SNCR脫硝工藝的優(yōu)點(diǎn)是不需要專用的催化劑，投資較少，但是目前此種方法的應(yīng)用數(shù)量并不多，主要是因?yàn)槠涿撓跣瘦^低，還原劑和運(yùn)載介質(zhì)（空氣）的消耗量較大，氨的逃逸量相對(duì)較大，其與煙氣中的三氧化硫（SO3）反應(yīng)后生成(NH4)2SO4和NH4HSO4，會(huì)腐蝕和堵塞爐內(nèi)下游的空氣預(yù)熱器、省煤器等設(shè)備。

當(dāng)余熱鍋爐煙氣脫硝要求比較高時(shí)，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(qū)間內(nèi)將NOx還原為N2和H2O。在使用此種脫硝方法時(shí)，由于煙氣中含有SO2、塵粒和水霧，對(duì)催化反應(yīng)和催化劑都有一些不利影響，故利用此法脫硝時(shí)最好首先對(duì)煙氣進(jìn)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(wú)需脫硫），或者選用不易受煙氣污染和腐蝕等影響，同時(shí)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(yīng)溫度為320℃～420℃。目前SCR法脫硝技術(shù)已趨于成熟，其優(yōu)點(diǎn)是：脫硝效率高（可以達(dá)到80%以上）、反應(yīng)溫度低、運(yùn)行可靠；其缺點(diǎn)是投資和運(yùn)行費(fèi)用較大、催化劑易中毒，須定期更換。SCR技術(shù)和SNCR技術(shù)兩種脫硝方法的對(duì)比見下表。

煙氣干法脫硝技術(shù)綜合比較表

2 余熱鍋爐煙氣脫硝工藝的發(fā)展

以前的余熱鍋爐脫硝工藝中，余熱鍋爐和SCR脫硝設(shè)備是分開相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)設(shè)備，一般是將余熱鍋爐的煙氣出口與脫硝裝置進(jìn)口煙道用機(jī)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(jīng)過鍋爐的余熱利用后，除了會(huì)沉降一部分灰塵以外還會(huì)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(shè)備。而此時(shí)為保證脫硝反應(yīng)區(qū)的溫度能在合適的溫度區(qū)間（300℃～420℃），使進(jìn)入脫硝反應(yīng)器的煙氣溫度達(dá)到要求，就需要給煙氣再加熱，通常在脫硝裝置的進(jìn)口煙道中設(shè)置一個(gè)煙氣加熱裝置；待煙氣經(jīng)過脫硝反應(yīng)后，為避免高溫?zé)煔鈱?duì)空氣的熱污染，又要對(duì)煙氣進(jìn)行降溫處理，又在脫硝反應(yīng)器煙道出口處再設(shè)置一個(gè)煙氣冷卻器，這樣才能使脫硝順利進(jìn)行。這樣，在脫硝裝置中設(shè)置的加熱器和冷卻裝置會(huì)加大額外的能耗和投資，不利于節(jié)能環(huán)保，同時(shí)也增加了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

圖1 舊式余熱鍋爐脫硝工藝

隨著脫硝技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已開發(fā)出了更節(jié)能的余熱鍋爐煙氣SCR脫硝工藝（見圖2）。在高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐并流經(jīng)過熱器等裝置后，溫度降到約320℃～420℃時(shí)，在鍋爐側(cè)面開一個(gè)煙道接口，將煙氣引出來進(jìn)行除塵脫硝處理。由于此時(shí)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(shè)備（高溫電除塵和脫硝設(shè)備也要都進(jìn)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(gè)側(cè)面開的煙氣入口送入到余熱鍋爐里繼續(xù)進(jìn)行余熱利用，等煙氣溫度下降到合適的排煙溫度（120℃～180℃）時(shí)，再將煙氣通過煙囪排入大氣。工業(yè)爐窯用的余熱鍋爐，一般利用引風(fēng)機(jī)將廢氣排往大氣；動(dòng)力機(jī)械和化工生產(chǎn)過程用的余熱鍋爐，則依靠進(jìn)氣自身的壓力使之通過余熱鍋爐，并排往大氣或進(jìn)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(shè)備結(jié)構(gòu)更緊湊，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)。

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(xiàng)目，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)玻璃行業(yè)煙氣脫硝項(xiàng)目，項(xiàng)目中包括一條600t/d和一條900t/d特種浮法玻璃生產(chǎn)線、余熱發(fā)電及煙氣除塵脫硝裝置。該項(xiàng)目采用高溫除塵+SCR脫硝方式，目前已成功運(yùn)營(yíng)，168h調(diào)試運(yùn)行實(shí)測(cè)結(jié)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(xiàng)目是中國(guó)玻璃行業(yè)第一個(gè)煙氣脫硝項(xiàng)目，開啟了國(guó)內(nèi)浮法玻璃窯爐脫硝序幕。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的脫硝技術(shù)研發(fā)及市場(chǎng)空間都很大，其設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其工藝性還需進(jìn)一步改進(jìn)完善。尤其是余熱鍋爐煙氣脫硝設(shè)備占地面積比較大、系統(tǒng)工藝不夠完善等。今后可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、完善工藝，重點(diǎn)研發(fā)SCR煙氣脫硝中的催化劑選型、噴氨系統(tǒng)及氨氮均勻混合系統(tǒng)等核心技術(shù)，使煙氣脫硝技術(shù)更先進(jìn)，更經(jīng)濟(jì)。

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