改良型SNCR脫硝技術(shù)在炭素煅燒爐中的應(yīng)用

鐘學(xué)進(jìn) 姜樹偉

摘要：炭素行業(yè)煅燒爐出口煙氣的NOx濃度大多處于超標(biāo)排放的狀態(tài)，須進(jìn)行脫硝處理。常用的SCR脫硝技術(shù)效率較高，但投資較大，占地大，不是目前排放標(biāo)準(zhǔn)下煅燒爐煙氣中NOx處理的最佳選擇。相比較而言，效率稍低、投資更省、運(yùn)行維護(hù)更簡(jiǎn)單、在電力行業(yè)廣為使用的SNCR脫硝技術(shù)是一種較為合理的處理工藝。本文通過(guò)一個(gè)在炭素煅燒系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的改良SNCR脫硝技術(shù)實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹該工藝的原理、特點(diǎn)及運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞：炭素;煅燒;SNCR;環(huán)保

引言

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，各行業(yè)都陸續(xù)出臺(tái)細(xì)化了污染物治理要求及排放標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中陸續(xù)增加了特殊時(shí)間及特定時(shí)段的污染物特別排放值限制，且特別限值有常態(tài)化趨勢(shì)?！朵X工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB25465-2010）及2014修改單中對(duì)鋁用炭素廠石油焦煅燒爐顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定，分別為：10mg/Nm3、100mg/Nm3、100mg/Nm3。

目前石油焦煅燒爐出口NOx的排放濃度大部分在100～150 mg/Nm3這個(gè)范圍（少部分高濃度達(dá)到200 mg/Nm3以上），須進(jìn)行必要的脫硝處理后才能滿足NOx濃度排放的要求。根據(jù)煅燒爐的特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及脫硝效率要求不高的特點(diǎn)，采用SNCR脫硝工藝是目前煅燒爐煙氣脫硝的優(yōu)先方案，該工藝廣泛應(yīng)用于燃煤鍋爐及工業(yè)窯爐中的煙氣脫硝。

多年來(lái)，我司對(duì)已運(yùn)行煅燒爐煙氣參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，建立有自己的數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)炭素?zé)煔鈹?shù)據(jù)庫(kù)的有關(guān)參數(shù)的對(duì)比分析，對(duì)常規(guī)的SCR和SNCR脫硝技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化改良，能更好的適用于煅燒爐煙氣脫硝工藝。在某500kt/y炭素廠進(jìn)行了改良型SNCR技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用， NOx排放濃度脫硝前為100～140mg/Nm3，脫硝后降為45～60mg/Nm3，脫硝效率達(dá)到50%以上，脫硝效果明顯，系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)用很成功。

1. SNCR脫硝主要原理

選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)是把含有NHx基的還原劑（如氨氣、氨水或者尿素等）噴入到煙氣溫度為800℃～1100℃的區(qū)域，使該還原劑中分解出的NH3與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)而生成無(wú)污染的N2和H2O，從而達(dá)到脫除NOx的效果。

NHx基還原NOx的化學(xué)反應(yīng)方程式主要為：

影響SNCR脫硝技術(shù)的關(guān)鍵是還原劑噴入點(diǎn)處的煙氣溫度即所謂的“溫度窗口”。一般認(rèn)為理想的“溫度窗口”為800℃～1100℃，其隨著加入還原劑類型的不同而變化;“溫度窗口”會(huì)升高或降低，會(huì)變寬或收窄。

SNCR脫硝反應(yīng)在低于“溫度窗口”時(shí)NH3的還原反應(yīng)發(fā)生速率降低，脫硝效率下降，氨逃逸增大。在高于“溫度窗口”時(shí)，NH3的氧化反應(yīng)速率增大，NH3被氧化并生成NO，達(dá)不到脫除NOx的效果，還有可能造成NOx排放濃度升高。

SNCR脫硝反應(yīng)是NH3的還原與氧化反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)、共同作用的結(jié)果。所以，合適 “溫度窗口”的選擇，是SNCR脫硝技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.SNCR系統(tǒng)在炭素行業(yè)的改良

2.1 溫度窗的選擇

炭素煅燒爐出口匯總煙道煙溫一般在900-1050℃，部分老爐子因漏焦等原因煙道內(nèi)再次燃燒情況時(shí)有發(fā)生，其溫度可到1150℃以上。而煅燒爐煙道內(nèi)的溫度分布受到爐況、排焦時(shí)間、焦種等多種因素的影響，最佳“溫度窗口”位置會(huì)隨之而移動(dòng)。

根據(jù)煅燒爐燃燒特性、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型分析，煅燒爐最佳的“溫度窗口”通常出現(xiàn)在末級(jí)火道與高溫余熱鍋爐之間的匯總聯(lián)通煙道內(nèi)，需選擇在此處合適位置加入還原劑。

2.2 還原劑停留時(shí)間的確定

一般認(rèn)為還原劑NH3在 “溫度窗口”處達(dá)到0.3 s～0.4 s以上的停留時(shí)間可以達(dá)到較好的脫除NOx的效果。

炭素廠建成時(shí)間一般較早，設(shè)備布置緊張，煅燒爐出口匯總煙道到余熱鍋爐的聯(lián)通煙道普遍很短，且不存在類似循環(huán)流化床鍋爐的煙氣返混現(xiàn)象，因此絕大部分煙氣脫硝的還原劑在此處的停留時(shí)間都達(dá)不到0.3s。為彌補(bǔ)時(shí)間上的不足，需進(jìn)行還原劑加入點(diǎn)及加入方式的優(yōu)化。

2.3 還原劑加入方式

通常情況下，SNCR采用直接噴入液體或固體還原劑，即以氣液或氣固的雙相反應(yīng)方式，在足夠長(zhǎng)的反應(yīng)空間內(nèi)完成NOx的還原反應(yīng)。但受限于2.2的原因，該方式在煅燒爐上不宜直接采用。為確保反應(yīng)的充分，需要加大原煙氣與還原劑的混合均勻度，以實(shí)現(xiàn)快速均勻反應(yīng)的需要。為此，我們進(jìn)行了加入方式的優(yōu)化：

1）通過(guò)有關(guān)模擬及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的噴入格柵，選擇了一種特定的噴槍，以確保加入還原劑后能在加入斷面處快速均勻分布。

2）還原劑經(jīng)過(guò)加熱、蒸發(fā)成氣態(tài)，在脫硝區(qū)域進(jìn)行氣氣反應(yīng)，盡可能增加反應(yīng)進(jìn)行需要的時(shí)間。

3.工程實(shí)際應(yīng)用

某500kt/y炭素廠建有多臺(tái)32罐煅燒爐，每臺(tái)煅燒爐后配置1臺(tái)余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收利用。余熱鍋爐入口煙氣溫度850～1100℃，各煅燒爐煙氣匯總后直接進(jìn)余熱鍋爐，余熱鍋爐入口的聯(lián)通煙道長(zhǎng)度約3m。NOx排放濃度在脫硝前為100～140mg/Nm3，采用20%濃度的氨水作為脫硝還原劑，保證脫硝效率不低于50%。

根據(jù)本煅燒爐的特點(diǎn)，其末級(jí)火道出口的匯總段煙道長(zhǎng)約20m，連接余熱鍋爐和旁路煙道兩個(gè)出口。與余熱鍋爐的聯(lián)通煙道只有約3m長(zhǎng)，且設(shè)置有1臺(tái)插板門，此處煙氣壓力約-180Pa，煙氣溫度約850～1050℃。根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，還原劑加入點(diǎn)設(shè)置在煅燒爐末級(jí)火道出口的匯總煙道上，每臺(tái)煅燒爐需要設(shè)置4個(gè)還原劑噴入點(diǎn)以保證煅燒爐煙氣不低于50%的脫硝效率。

根據(jù)計(jì)算，1臺(tái)32罐煅燒爐使用20%氨水的消耗量約8.5kg/h（約9L/h），如按照常規(guī)的SNCR工藝，直接噴射稀釋后的氨水，每支雙流體噴槍液體最小流量20L/h計(jì)算，則至少需要增加約71L/h工藝水，至少60m3/h的壓縮空氣。這樣的工藝增加了煙氣中的含水量，同時(shí)由于氨水消耗量非常小，負(fù)荷波動(dòng)需要調(diào)整是時(shí)，不利于調(diào)節(jié)閥的選型與流量的精確控制，增加了運(yùn)行操作的難度，降低了系統(tǒng)的安全可靠性。

根據(jù)以上問(wèn)題，我司另辟蹊徑，摸索出一套新的SNCR脫硝方法，避免了上述問(wèn)題的發(fā)生。

我司采用在SCR脫硝工藝中常用的氨水蒸發(fā)器的方法，將濃度為20%的氨水蒸發(fā)產(chǎn)生氨/蒸汽混合氣，再將混合氣與經(jīng)過(guò)加熱后的200℃的熱風(fēng)混合，生成含氨量小于3%的氨/空氣混合物，再利用噴槍將氨/空氣混合物加入到對(duì)應(yīng)的煙道噴入點(diǎn)中參與脫硝反應(yīng)。這樣既不增加還原劑噴入煙道中水的含量，同時(shí)稀釋了還原劑的濃度，增大了系統(tǒng)控制的還原劑的流量。這樣設(shè)備選型，控制操作等就可以按照常規(guī)的SNCR脫硝技術(shù)進(jìn)行，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

目前，經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，該脫硝裝置運(yùn)行正常，出口NOx濃度控制在45～60 mg/Nm3，優(yōu)于設(shè)計(jì)值，出口氨逃逸小于8ppm。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)下圖。

4.改良型SNCR脫硝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)工程實(shí)踐，本改良型選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）系統(tǒng)簡(jiǎn)單：不需要改變現(xiàn)有煅燒爐及余熱鍋爐的設(shè)備設(shè)置，而只需在現(xiàn)有的煅燒爐廠房的基礎(chǔ)上增加還原劑的存儲(chǔ)、制備分配裝置及其噴入裝置即可，且還原劑存儲(chǔ)及制備裝置占地較小。非常適用于目前占地緊張的煅燒爐廠區(qū)的脫硝改造工程。

2）投資?。合鄬?duì)于SCR脫硝的催化劑及反應(yīng)器裝置的高昂造價(jià)，SNCR總投資約為SCR脫硝的1/3～1/2;同時(shí)還不需要改造現(xiàn)有余熱鍋爐。

3）阻力?。夯旧喜辉黾蝇F(xiàn)有煙風(fēng)系統(tǒng)阻力及風(fēng)量，不需要對(duì)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。

4）不積灰：由于在煙道中不增加設(shè)備，不用擔(dān)心出現(xiàn)SCR脫硝工藝中催化劑等設(shè)備經(jīng)常積灰而影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行的情況。

5）對(duì)余熱鍋爐影響低：通過(guò)還原劑加入方式的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了其正常的利用率，大大延緩了其他方法因過(guò)量加入還原劑生成NH4HSO3、（NH4）2SO4導(dǎo)致余熱鍋爐積灰腐蝕的現(xiàn)象。

6）系統(tǒng)穩(wěn)定：對(duì)于一般炭素行業(yè)煅燒爐，可以穩(wěn)定達(dá)到目前執(zhí)行的NOx排放濃度小于100 mg/Nm3的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

7）施工簡(jiǎn)單：不需要停爐改造，工期短，一般2個(gè)月內(nèi)即可改造完成。

5.總結(jié)

本改良型SNCR脫硝工藝從炭素煅燒爐實(shí)際特點(diǎn)出發(fā)，集合了SNCR脫硝工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資少、占地少、性能可靠的特點(diǎn)，在炭素行業(yè)煅燒爐中進(jìn)行了成功的應(yīng)用，穩(wěn)定達(dá)到目前執(zhí)行的NOx排放濃度小于100 mg/Nm3的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的脫硝技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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