多工況脫硝一體化余熱鍋爐設(shè)計(jì)

解冰川

摘 要：催化裂化裝置余熱鍋爐設(shè)計(jì)復(fù)雜，適應(yīng)工況多，環(huán)保要求高，其排放的氮氧化物會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。在某項(xiàng)目220萬噸/年催化裂解裝置中，采用了一種多工況脫硝一體化余熱鍋爐設(shè)計(jì)。鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，對于煙氣溫度控制準(zhǔn)確合理，工況適應(yīng)性強(qiáng)，保證了脫硝系統(tǒng)在催化裝置不同工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：催化余熱鍋爐；SCR；多工況；煙氣溫度控制

近年來，隨著國家綠色發(fā)展理念的提出，對煉廠中余熱鍋爐的排放指標(biāo)提出了更高的要求。目前，隨著國家對環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，部分地區(qū)更是對國家頒布的《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）的排放限值進(jìn)行升級，余熱鍋爐增設(shè)脫硫脫硝措施已經(jīng)勢在必行。文章只就余熱鍋爐的脫硝技術(shù)進(jìn)行討論，介紹了對某石化廠催化裂化裝置的余熱鍋爐的多種工況進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果引入了煙氣分流的理念，通過調(diào)節(jié)煙氣量控制脫硝裝置的入口溫度，適應(yīng)多種生產(chǎn)工況，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

1 煙氣脫硝技術(shù)簡介[1]及技術(shù)選擇

煙氣脫硝技術(shù)是一種在燃料基本燃燒完畢后通過還原劑把煙氣中的NOx還原成N2和H2O的一種技術(shù)。通用的煙氣脫硝技術(shù)包括選擇性催化還原脫硝技術(shù)（SCR）和選擇性非催化還原脫硝技術(shù)（SNCR）。

1.1 選擇性催化還原脫硝技術(shù)（SCR）

SCR其原理是在一定的溫度和催化劑作用下，還原劑有選擇地把煙氣中的NOx還原為無毒無污染的N2和H2O。SCR脫硝技術(shù)是目前世界上應(yīng)用最多，最為成熟有效的一種煙氣脫硝技術(shù)，反應(yīng)溫度一般在300～420℃之間，脫硝效率可達(dá)90%，催化劑使用壽命一般為3年。

1.2 選擇性非催化還原脫硝技術(shù)（SNCR）

SNCR脫硝技術(shù)是把含有HNx基的還原劑（如尿素）噴入爐膛溫度為800～1100℃的區(qū)域，該還原劑迅速熱分解成NH3，并與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)，生成N2，該方法以爐膛為反應(yīng)器，可通過對鍋爐進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)。SNCR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、反應(yīng)時(shí)間等，通常設(shè)計(jì)合理的SNCR工藝能達(dá)到30%～70%的脫硝效率。SNCR技術(shù)具有一次性投資少，運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。

本項(xiàng)目的余熱鍋爐，正常工況時(shí)，入口高溫?zé)煔鉁囟葹?40℃，經(jīng)過方案比選，脫硝技術(shù)選用SCR工藝。

催化劑是SCR煙氣脫硝的核心部件，性能直接影響整體脫硝效果。而煙氣溫度是影響催化劑運(yùn)行的重要因素，不僅決定反應(yīng)物的反應(yīng)速度，而且決定催化劑的反應(yīng)活性，決定催化劑的壽命[2]。不同的催化劑具有不同的適宜溫度范圍（稱為溫度窗口）。對于特定的一種催化劑，其溫度窗口是一定的。當(dāng)反應(yīng)溫度低于窗口的最低溫度，在催化劑上將出現(xiàn)副反應(yīng)。氨分子與SO3和H2O反應(yīng)生成（NH4）2SO4或NH4HSO4，減少了與NOx的反應(yīng)，生成物附著在催化劑表面，引起污染積灰并堵塞催化劑的通道和微孔，從而降低催化劑的活性。如果工作溫度高于反應(yīng)溫度窗口，催化劑通道與微孔發(fā)生變形，導(dǎo)致有效通道和面積減少，從而使催化劑失活[3]。

在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，根據(jù)SCR廠家的要求，SCR催化劑的最佳設(shè)計(jì)溫度窗口在340±20℃的范圍之間。為了把SCR的操作溫度控制在340±20℃的溫度范圍之內(nèi)，對于催化余熱鍋爐煙氣引出位置及煙氣溫度的控制，成為了余熱鍋爐脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)由于催化裝置的煙氣條件及熱負(fù)荷的多變性，在余熱鍋爐的設(shè)計(jì)中，必須充分考慮其各工況下的特點(diǎn)，保證在任何工況下，進(jìn)入SCR的煙氣溫度均可控制在合理溫度范圍之內(nèi)。

2 余熱鍋爐的多工況介紹

催化裝置的生產(chǎn)過程中有大量的余熱產(chǎn)生，除了再生器產(chǎn)生的大量的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐發(fā)生蒸汽外，同時(shí)裝置中外取熱器和油漿蒸汽發(fā)生器也發(fā)生了大量的飽和蒸汽，需要進(jìn)入余熱鍋爐的過熱器中過熱。當(dāng)催化裝置本身的負(fù)荷發(fā)生變化，或者外取熱器及油漿蒸汽發(fā)生器負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)對余熱鍋爐的負(fù)荷造成變化。余熱鍋爐的設(shè)計(jì)必須滿足在任何工況下，保證蒸汽出口參數(shù)和SCR入口煙氣溫度的要求。本項(xiàng)目余熱鍋爐的設(shè)計(jì)共考慮以下9種設(shè)計(jì)工況，其熱力計(jì)算匯總表見表1。

3 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

根據(jù)多工況余熱鍋爐熱力計(jì)算結(jié)果及長周期運(yùn)行的需要，余熱鍋爐整體呈“π”型，單鍋筒自然循環(huán)、微正壓、露天布置、全鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)，參數(shù)為中溫中壓，額定蒸汽壓力3.9MPa（G），額定蒸汽溫度420℃。

如圖1所示，多工況脫硝一體化余熱鍋爐，由進(jìn)口煙道（1）、旁路煙道（2）、過熱段（3）、1#蒸發(fā)段（4）、脫硝裝置入口煙道（5）、2#蒸發(fā)段（6）、3#蒸發(fā)段（7）、省煤段（8）、出口煙道（9）、煙氣控制蝶閥Ⅰ（10）、煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）、煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）、煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）、煙氣控制蝶閥Ⅴ（14）和汽包（15）組成。

裝置來的高溫再生煙氣依次流經(jīng)進(jìn)口煙道、過熱段、1#蒸發(fā)段、脫硝裝置、2#蒸發(fā)段、3#蒸發(fā)段、省煤段、出口煙道。

余熱鍋爐同時(shí)設(shè)置了三個(gè)煙氣入口，一路為煙氣流經(jīng)進(jìn)口煙道（1），經(jīng)過煙氣控制蝶閥Ⅰ（10）進(jìn)入鍋爐；另一路為煙氣流經(jīng)旁路煙道（2），經(jīng)過煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）進(jìn)入過熱段（3）之后；第三路為煙氣流經(jīng)旁路煙道（2），經(jīng)過煙氣控制蝶閥Ⅳ（13），進(jìn)入1#蒸發(fā)段（4）之后。通過調(diào)節(jié)各煙氣入口的煙氣量，達(dá)到在各工況下，滿足蒸汽出口參數(shù)和SCR入口煙氣溫度的要求。

4 余熱鍋爐控制

由于外取熱器和油漿蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽必須在余熱鍋爐內(nèi)過熱，余熱鍋爐需在任何工況下均保證蒸汽質(zhì)量和蒸汽參數(shù)合格，而脫硝裝置位于1#蒸發(fā)段的后面，為了保證脫硝效果必須使得脫硝裝置的入口煙氣溫度控制在340±20℃，這就要求余熱鍋爐的設(shè)計(jì)必須考慮滿足鍋爐過熱蒸汽出口溫度、脫硝裝置的入口溫度的需要，同時(shí)還要合理布置各受熱面。余熱鍋爐的受熱面一旦布置成型就無法更改，但是為了適應(yīng)這種多樣化、復(fù)雜化的煙氣流量的變化，只有通過調(diào)節(jié)煙氣的分配，去適應(yīng)煙氣流量及溫度的變化。因此余熱鍋爐的設(shè)計(jì)引入了煙氣分流理念，通過煙氣控制蝶閥Ⅰ（10）、煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）、煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）、煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）、煙氣控制蝶閥Ⅴ（14）的調(diào)節(jié)來控制煙氣分配流量，進(jìn)而保證了余熱鍋爐在各種工況下均能保證脫硝裝置340±20℃的入口溫度。

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)就如下三種典型工況進(jìn)行詳細(xì)說明（見圖2）：

（1）正常工況。由表中計(jì)算結(jié)果可以看出，在正常工況下，過熱器受熱面積有裕量。倘若所有煙氣均通過過熱器，那么必將引起蒸汽超溫。因此，煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）打開，保證部分高溫?zé)煔鉀]有經(jīng)過過熱器。同時(shí)我們看到，1#蒸發(fā)段受熱面積同樣有裕量，倘若所有煙氣均經(jīng)過1#蒸發(fā)段，那么1#蒸發(fā)段的出口煙氣溫度將低于340℃，無法保證脫硝裝置的正常運(yùn)行。因此，煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）打開，保證部分高溫?zé)煔馀c經(jīng)過1#蒸發(fā)段的低溫?zé)煔饣旌希_(dá)到合理的溫度。由計(jì)算結(jié)果可知，工況3、工況4、工況5和工況8與正常工況結(jié)論相似。

（2）工況7。由表中計(jì)算結(jié)果可以看出，此條件下，過熱器受熱面積同樣有裕量。因此，煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）打開，保證部分高溫?zé)煔鉀]有經(jīng)過過熱器。但是我們發(fā)現(xiàn)，1#蒸發(fā)段受熱面積剛剛好，當(dāng)所有煙氣均通過1#蒸發(fā)段時(shí)，才能保證煙氣溫度降到脫硝裝置要求的溫度，因此，煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）必須關(guān)閉，保證沒有任何高溫?zé)煔庠竭^1#蒸發(fā)段與經(jīng)過1#蒸發(fā)段的低溫?zé)煔饣旌?。由?jì)算結(jié)果可知，工況2和工況6結(jié)論相似。

（3）工況9。由表中計(jì)算結(jié)果可以看出，此條件下，過熱器受熱面積沒有裕量。若想讓蒸汽出口參數(shù)滿足蒸汽參數(shù)的要求，必須保證全部高溫?zé)煔舛冀?jīng)過過熱器。因此，煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）必須關(guān)閉。同時(shí)我們看到，1#蒸發(fā)段受熱面積同樣有裕量，倘若所有煙氣均經(jīng)過1#蒸發(fā)段那么出口溫度將低于340℃。因此，煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）打開，保證部分高溫?zé)煔馀c經(jīng)過1#蒸發(fā)段的低溫?zé)煔饣旌?，達(dá)到合理的溫度。

由于工況復(fù)雜，對于脫硝裝置入口煙氣溫度的合理調(diào)節(jié)必須依賴通過煙氣控制蝶閥Ⅰ（10）、煙氣控制蝶閥Ⅱ（11）、煙氣控制蝶閥Ⅲ（12）、煙氣控制蝶閥Ⅳ（13）、煙氣控制蝶閥Ⅴ（14）這五個(gè)閥門的互相配合，各閥門開度也需要根據(jù)實(shí)際情況，具體調(diào)節(jié)。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著環(huán)保要求的提高，催化余熱鍋爐的設(shè)計(jì)既要適應(yīng)裝置參數(shù)多工況的變化，又要滿足脫硝裝置溫度的需求，使催化裂化裝置余熱鍋爐煙氣獲得最佳的脫硝效果，從而滿足環(huán)保的要求。某廠催化裂化裝置余熱鍋爐的設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際情況，對以上兩種要求作了充分的考慮，引入了煙氣分流的理念，并對各種工況進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和分析對比，采用了通過煙氣的調(diào)節(jié)來達(dá)到控制脫硝裝置入口煙氣溫度的措施。使本余熱鍋爐的設(shè)計(jì)適應(yīng)多工況，并保證脫硝工藝合理運(yùn)行，這樣不但能很好地回收催化裂化裝置的余熱，更達(dá)到了脫硝的要求，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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