常溫液態(tài)催化脫硝工藝在某取暖鍋爐煙氣脫硝改造中的應用

李春元 雷 明 溫占軍 楊 軍

(1.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦，河北 遵化 064200;2. 河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

鍋爐是氮氧化物排放的固定污染源之一，對區(qū)域環(huán)境內(nèi)“霧霾”的形成具有促進作用，隨著國家不斷提高工業(yè)污染源氮氧化物的排放標準，鍋爐煙氣脫硝是國家環(huán)保發(fā)展的大趨勢。以天然氣、醇基燃料為燃燒介質(zhì)的鍋爐煙氣污染物中，氮氧化物是一項主要的污染因子。唐山市要求相關單位于2019年9月底前完成20蒸噸/小時以下天然氣、燃油(醇基燃料)鍋爐完成低氮燃燒改造。要求鍋爐煙氣中氮氧化物污染物分別達到80mg/m3的排放要求。河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦有冬季取暖醇基燃料鍋爐7臺套?；谝陨媳尘埃摰V采用了LCR常溫液態(tài)催化劑脫硝工藝技術改造了6t醇基燃料鍋爐，成功實現(xiàn)了醇基燃料鍋爐煙氣的氮氧化物排放濃度小于30mg/m3，并且運行穩(wěn)定，工藝操作簡單，有一定的借鑒意義。

表1 鍋爐WNS4.2-1.0/95/70-YQ(6/h)參數(shù)

1 醇基燃料鍋爐現(xiàn)狀

某礦山企業(yè)現(xiàn)有鍋爐房兩座共計7臺套醇基燃料鍋爐，

其中北廠區(qū)供暖鍋爐4臺套，南山生活區(qū)共有供暖鍋爐3臺套，每臺鍋爐獨立運行，煙氣直接排放，原氮氧化物排放執(zhí)行標準為NOX<200mg/m3，鍋爐型號為:WNS4.2-1.0/95/70-YQ(6/h)。鍋爐相關設備參數(shù)見表1，鍋爐煙氣相關參數(shù)見表2，醇基燃料檢測參數(shù)見表3。

表2 鍋爐煙氣相關參數(shù)

表3 醇基燃料檢測參數(shù)

2 LCR脫硝工藝技術的選取

通過技術市場考察，鍋爐煙氣氮氧化物的減排治理措施有燃燒前處理措施。燃燒前處理的措施為降低火焰中心溫度及降低供風系統(tǒng)中氧氣含量。工藝原理為通過降低火焰中心溫度，減少燃燒過程中N2與O2反應，生成NO;通過降低供風系統(tǒng)氧含量比例，降低燃燒區(qū)域的氧濃度，以此降低NO與O2在富燃條件下再次反應再次生成中間產(chǎn)物NOX。其中降低火焰中心溫度(降低峰值火焰溫度)，主要技術為改變火焰形狀(直火焰改變?yōu)樾鹧?，技術改造措施為優(yōu)化燃燒機機頭噴嘴結構。降低供風系統(tǒng)中氧氣含量，主要技術措施為將鍋爐煙氣通過管道循環(huán)至供風系統(tǒng)，將煙氣有比例的和新鮮空氣混合后進入燃燒機。上述燃燒前處理工藝，技術市場可選取低氮燃燒器等相關裝備，脫硝率在20%～30%之間。

該單位醇基燃料鍋爐的燃燒機噴嘴結構為10個直噴噴嘴，由于醇基燃料的物質(zhì)組成的多樣性，每批次的相對成分不穩(wěn)定，對醇基燃料鍋爐的點火系統(tǒng)技術要求較為復雜，既要保證燃燒機點火的成功率，又要保證燃燒過程中醇基燃料的充分燃燒，減少鍋爐燃燒管路內(nèi)部的積碳。改變?nèi)紵龣C的噴嘴結構即改變了醇基燃料鍋爐的燃燒系統(tǒng)，不可避免的將會在調(diào)試點火過程中，出現(xiàn)不燃、爆燃、炸膛的安全隱患。在以后的使用過程中，需要崗位人員具備較為豐富的技術經(jīng)驗，否則容易出現(xiàn)安全事故。因此從安全角度出發(fā)，燃燒前處理工藝措施，不適應于該單位的鍋爐煙氣脫氮治理。

燃燒后的處理主要為鍋爐煙氣脫硝技術。技術市場較為成熟的技術有選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)[1]。SCR脫硝技術需要在煙氣主管道合適位置增設SCR催化反應器，反應器的工作溫度為250℃～420℃之間，需要催化劑發(fā)生器，還原劑主要有液氨、氨水、尿素等介質(zhì)[2]。SNCR又稱噴氨法，該項工藝的工況溫度為950℃～1 050℃之間，將液氨噴入煙氣中反應。其中SCR法脫硝率為70%～90%，SNCR法脫硝率約為50%。

SCR脫硝技術需要價值較為昂貴的催化劑發(fā)生器。該單位鍋爐為取暖鍋爐，只在冬季使用，在非取暖季節(jié)需要加強對催化劑發(fā)生器的防護，防止催化劑發(fā)生器中毒，減少使用壽命。SNCR脫硝技術需要較高的工況溫度，增加一定的電量消耗。

通過技術對比，該單位選取了常溫液態(tài)催化脫硝工藝，以下簡稱LCR。LCR工藝在不改變現(xiàn)有鍋爐燃燒的工況條件下，實施煙氣后處理技術。該工藝針對鍋爐廢氣排放后所含物質(zhì)，使用脫硝塔進行整體綜合治理，液態(tài)催化劑基本原理與SCR相似。需要兩種藥劑(A劑、B劑)，其中A劑對NOX催化反應生成N2和H2O，B劑為助催化劑，調(diào)整A劑對不同溫度的適應性，在溫度15℃～500℃的范圍內(nèi)均可實現(xiàn)催化反應，LCR催化反應原理為：

2NO+LCR(H)=N2+2H2O

2NO2+2LCR(H)=N2+4H2O

煙氣通過常溫液態(tài)催化反應后，有效降低了氮氧化物的濃度，氮氧化物的去除效率在80%以上，污染物NOX達到超低排放標準，可徹底解決鍋爐煙氣排放的問題，避免后期再次進行提標改造發(fā)生費用。

3 技術改造內(nèi)容

該脫硝工藝技術項目改造主要包括煙氣管道排放系統(tǒng)，脫硝劑的制備、儲存、供給系統(tǒng)，脫硝塔煙氣吸收循環(huán)系統(tǒng)等相關設備主體配置詳見表4。

——煙氣系統(tǒng)：鍋爐煙道進行管路改造，植入一套脫硝系統(tǒng)(脫硝塔)，煙道設計能夠承受煙道自重、風雪荷載、地震荷載和保溫層的重量等技術要求。煙道內(nèi)煙氣流速不超過15m/s，重點關注煙氣排放管路系統(tǒng)的熱膨脹，需要考慮增設熱膨脹節(jié)進行調(diào)節(jié)補償。

——催化劑的制備供給系統(tǒng)：該套系統(tǒng)主要設施有：A、B藥劑儲罐、配藥罐、藥劑供應泵、成品藥液供應泵。配藥罐設置1臺攪拌器(需要對A、B藥劑進行配置)。主要技術要求：攪拌器確保在工作容量范圍內(nèi)和最大含固量的藥液條件下，能夠安全穩(wěn)定運行。

——LCR脫硝循環(huán)系統(tǒng)：該套系統(tǒng)主要設施為脫硝塔。配置好的藥液打入脫硝塔內(nèi)，塔內(nèi)藥液通過噴淋層與煙氣中的NOX進行反應。通過噴淋層噴頭的分布設置，正常工況下開啟即可實現(xiàn)對煙氣的200%覆蓋，實現(xiàn)煙氣中的NOX充分反應。煙氣進行脫硝塔的巡回區(qū)，塔內(nèi)反應層采用一級填料噴淋，噴出的液滴與氣流相對運動，進行催化反應，生成N2和水，催化反應后的液態(tài)介質(zhì)流入塔底循環(huán)漿液池中，再重新泵出送進噴淋層，不斷循環(huán)往復進行催化反應。脫硝處理后煙氣，經(jīng)過塔頂除霧層后，通過煙道排出。脫硝后的煙氣夾帶的液滴可在脫硝塔出口的除霧器中收集。

表4 脫硝工藝主體設備

4 經(jīng)濟技術優(yōu)勢

——運營成本： 物料消耗量見表5，物料消耗成本見表6。

表5 物料消耗量

表6 物料消耗成本

——技術優(yōu)勢：與傳統(tǒng)的SNCR、SCR技術相比，LCR技術無專用催化反應裝置，規(guī)避了在非取暖季需傳統(tǒng)脫硝技術需對催化反應裝置的防護保養(yǎng)問題，無高溫條件反應的限制，可以做到常溫液態(tài)催化。該項工藝關鍵技術為催化反應過程中的液態(tài)游離的H離子。該項技術改造投資成本不高，占有場地較少；運行成本相對較低，企業(yè)主體能夠承受；崗位工操作簡單，日常點火運行不受影響，較為安全；沒有中間危險廢物的產(chǎn)生，無需關注次生污染問題的發(fā)生。

5 脫硝效果

表7 煙氣脫硝系統(tǒng)主要技術性能指標

由表7可見，通過此次項目改造，不僅有效解決了鍋爐煙氣氮氧化物的超低排放問題，同時對二氧化硫的超低排放，鍋爐煙塵的超低排放同樣起到了積極的效果。NOX處理前濃度170～180余mg/m3，去除效率大于83%，NOX出口濃度小于30mg/m3，按照年供暖期120天計算，兩座鍋爐房直接減排NOX總量約17.3t。

6 結語

LCR脫硝技術在醇基燃料鍋爐煙氣治理的應用，實現(xiàn)了醇基燃料鍋爐尾氣中各項污染物的超低排放，鍋爐房的結構布局不受影響，集成自動化操作，為醇基燃料鍋爐煙氣脫硝治理方面提供了一定的借鑒。同時，該項技術可以應用到以天然氣為燃燒介質(zhì)的鍋爐煙氣治理項目中；也可應用到冬季取暖燃煤鍋爐的煙氣綜合治理中，從減少總量排放的角度，減少了污染物的排放，對企業(yè)清潔生產(chǎn)的向好型發(fā)展，起到了積極的促進作用。