液氨制氨水在余熱鍋爐SCR脫硝中的應(yīng)用

孫多旬(揚(yáng)子石化-巴斯夫有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210048)

0 引言

近年來環(huán)保要求日益嚴(yán)格，根據(jù)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定燃?xì)廨啓C(jī)組氮氧化物NOx(以NO2計)排放濃度限值是50mg/m3(基準(zhǔn)氧含量為15%，下同)，《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》江蘇省征求意見稿中規(guī)定現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)組NOx濃度限值是15mg/m3。該電廠燃?xì)廨啓C(jī)(燃料為天然氣)排放的NOx濃度不超過30mg/m3，不能滿足地方的標(biāo)準(zhǔn)要求。NOx的治理著手從源頭和尾氣排放末端處理，由于燃機(jī)出口的NOx已采用先進(jìn)的低氮燃燒技術(shù)，從源頭改進(jìn)難以實現(xiàn)，只能從尾氣末端治理，去除煙氣中的NOx含量，目前廣泛應(yīng)用的脫硝方案主要有選擇性非催化還原脫硝(SNCR)和選擇性催化還原脫硝(SCR)等。SNCR具有無需增加催化劑模塊，占地小，成本低等優(yōu)點，但對反應(yīng)溫度要求較高，須為870～1100℃的區(qū)域，由于排煙溫度只有603℃不能滿足這一要求；而SCR脫硝能在較低的反應(yīng)溫度區(qū)域適用，本工程采用SCR脫硝工藝。結(jié)合企業(yè)已有的液氨，將著重介紹液氨制氨水還原劑，以及SCR在現(xiàn)運(yùn)行余熱鍋爐的實際應(yīng)用。

1 設(shè)計條件和脫硝性能參數(shù)

現(xiàn)運(yùn)行的余熱鍋爐為露天布置、臥式、自然循環(huán)、可補(bǔ)燃、雙壓(高壓蒸汽：68t/h，74.5bara，512℃ ；低壓蒸汽：12t/h，8.6bara，224℃)，鍋爐投入使用至今約15年，正常維護(hù)，運(yùn)行狀況良好。燃機(jī)進(jìn)余熱鍋爐的煙氣條件見表1，對脫硝的設(shè)計要求見表2。

表1 排煙參數(shù)

2 SCR脫硝系統(tǒng)

2.1 SCR脫硝反應(yīng)機(jī)理

SCR脫硝系統(tǒng)是利用催化劑，在260～460℃反應(yīng)溫度下，煙氣中的NOx與氨氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成氮氣和水，從而降低NOx的排放量。其中SCR 反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)如下：

表2 脫硝的設(shè)計要求

2.2 脫硝催化劑

脫硝催化劑種類繁多，大多數(shù)工業(yè)SCR催化劑均采用了釩鈦基催化劑，以V2O5為主要活性成份，TiO2為載體，以WO3、MoO3為抗氧化、抗毒化輔助成份。催化劑型式有三種：板式、波紋板式和蜂窩式。

(1)板式。板式催化劑以不銹鋼金屬板壓成的金屬網(wǎng)為基材，將TiO2、V2O5等的混合物黏附在不銹鋼網(wǎng)上，經(jīng)過壓制、鍛燒后，將催化劑板組裝成催化劑模塊。板式催化劑機(jī)械強(qiáng)度高，但有效面積小、體積較大，實際活性物質(zhì)比蜂窩式少50%，目前使用較少。

(2)波紋板式。波紋板式催化劑的制造工藝一般以用玻璃纖維加強(qiáng)的TiO2為基材，將WO3、V2O5等活性成份浸漬到催化劑的表面，以達(dá)到提高催化劑活性、降低SO2氧化率的目的。采用纖維骨架，重量輕，但表面積介于板式和蜂窩式之間，活性物質(zhì)比蜂窩式少70%，目前波紋板式市場上也得到了廣泛應(yīng)用，但生產(chǎn)廠家較少。

(3)蜂窩式。蜂窩式催化劑一般為均質(zhì)催化劑。將TiO2、V2O5、WO3等混合物通過一種陶瓷擠出設(shè)備，制成截面積為150×50mm，長度不等的催化劑元件，然后組裝成標(biāo)準(zhǔn)模塊。蜂窩式催化劑表面積大，同等脫硝效率下，需要的催化劑量較少，該催化劑在市場上應(yīng)用較多，且生產(chǎn)廠家多。由于在現(xiàn)有的余熱鍋爐內(nèi)改造，內(nèi)部空間較緊湊，采用蜂窩式催化劑(V2O5-WO3-TiO2)。

2.3 還原劑的選擇

目前脫硝還原劑主要有液氨、尿素以及20%氨水，在這三種還原劑的選擇上其優(yōu)勢和優(yōu)劣勢比較如下。

(1)液氨。因電廠空間受限不可設(shè)置液氨儲罐，而該化工企業(yè)內(nèi)部罐區(qū)有一個500m3液氨儲罐，離電廠有2000m左右的距離，可從該罐區(qū)液氨母管處引DN50分支管道供應(yīng)到電廠脫硝單元。液氨蒸發(fā)器可以以母管制連接方式向3臺燃機(jī)供應(yīng)氨氣，氨氣蒸發(fā)器與其后續(xù)的氨氣緩沖罐以單元方式運(yùn)行。

GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》2018版在液化烴、可燃液體的火災(zāi)危險分類舉例中，將液氨列為乙A類，將其按照可燃液體類考慮，電廠脫硝使用液氨屬于壓縮性液化有毒氣體，歸于爆炸性氣體類，對于液氨的存儲以及相關(guān)設(shè)備比如液氨蒸發(fā)器與其他建構(gòu)物、儲罐等都有防火間距要求，GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》將氨劃為IIA 級之T1組別，爆炸氣體環(huán)境屬于2區(qū)。綜上，液氨用于已建成的電廠較為困難，氨氣蒸發(fā)器與氨氣緩沖罐與周圍的設(shè)施存在防火間距要求，現(xiàn)場物理空間較緊湊難以找出合理的位置放置設(shè)施，且現(xiàn)有鍋爐區(qū)域電氣設(shè)施和儀表為非防爆類別，若引入液氨到鍋爐區(qū)意味著電氣和儀表必須要更換為隔爆型或者本質(zhì)安全型產(chǎn)品，相關(guān)控制機(jī)柜的布置要遠(yuǎn)離爆炸危險區(qū)域附加2區(qū)，施工難度大。

(2)尿素。尿素作為還原劑分為熱解法和水解法。尿素水溶液熱解溫度在350～650℃，生成氨氣、二氧化碳、水，可利用鍋爐的熱煙氣加熱噴入到煙氣中；尿素水解，先將尿素配置成水溶液，通過水解器生成氨氣、二氧化碳、水，與空氣混合噴入到煙氣中。儲存和溶解尿素的區(qū)域，包含尿素儲倉、尿素溶解罐、尿素溶液罐、尿素溶液循環(huán)輸送泵等。電廠現(xiàn)場物理空間較緊湊，尿素儲倉屬于新建筑，難以建立尿素卸車場地，投資以及運(yùn)行成本較高。

(3)液氨配置氨水(20%)。液氨從500m3液氨儲罐通過DN50分支管道輸送至電廠內(nèi)部，通過氨稀釋器與除鹽水混合稀釋成20%的氨水。氨水危險性比液氨要低，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12268—2012《危險貨物品名表》中描述“含氨量高于10%，但不超過35%的氨水溶液，屬非易燃無毒氣體，具有輕度危險性”，電廠脫硝用氨水含氨量不超過25%，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將氨水的火災(zāi)危險性按丙類對待，氨水稀釋器以及氨水存儲容器放置在現(xiàn)有拆除的石腦油罐區(qū)，防火間距滿足要求。除液氨稀釋器定義成防爆2區(qū)，其他氨水設(shè)備定義為非防爆區(qū)。配置的氨水可供3～5天使用，中間即使液氨斷供，也不受影響，脫硝穩(wěn)定性好。

2.4 脫硝工藝流程

余熱鍋爐內(nèi)部高壓蒸發(fā)器與高壓省煤器之間煙道空間增加SCR催化劑模塊，本項目采用蜂窩式催化劑(V2O5-WO3-TiO2)，單臺爐總布置20個催化劑模塊；噴氨格柵(AIG)布置鍋爐的SCR上游的兩級蒸發(fā)器之間的煙道間隙，留足混合空間?，F(xiàn)場設(shè)置一個氨水存儲區(qū)，公共布置1臺液氨稀釋器、2臺氨水容器、1臺水封容器，3臺余熱鍋爐共享設(shè)施，液氨和除鹽水在稀釋器中稀釋成20%濃度的氨水，稀釋熱量通過外部冷卻水移除。配置氨水存儲在氨水存儲容器中，一次配置可供滿足幾天的耗量，氨水通過氨水泵，經(jīng)氨水母管送往每臺余熱鍋爐的氨水蒸發(fā)器。每臺余熱鍋爐附近設(shè)置2臺風(fēng)機(jī)，從余熱鍋爐煙道中抽取高溫?zé)煔?，進(jìn)入氨水蒸發(fā)器。氨水蒸發(fā)器將氨水蒸發(fā)為含5%氨氣進(jìn)入鍋爐內(nèi)部的AIG,脫硝系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 脫硝系統(tǒng)流程

氨水(20%)還原劑耗量按公式(1)計算，氨氮摩爾比按公式(2)計算：

式中：GNH3·H2O為還原劑耗量(kg/h)；Q為折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基、15%O2下的煙氣流量(m3/h)；GNOx為折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基、15%O2下的SCR入口煙氣中NOx濃度(mg/m3)；n為氨氮摩爾比；CslipNH3為折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基、15%O2下的氨逃逸濃度(mg/m3)；ηNOx為脫硝效率(%)。

通過計算得出，三臺鍋爐NOx排放低于相關(guān)要求限制，所用氨水總量約82kg/h，平均每臺爐氨水耗量27.33kg/h。

3 結(jié)語

該電廠鍋爐煙道SCR脫硝項目，受限于現(xiàn)場空間緊湊，使用液氨制氨水作為脫硝還原劑，整個過程都是在設(shè)備和管路封閉系統(tǒng)中進(jìn)行，自動化程度高，減少操作人員工作負(fù)荷和暴露的風(fēng)險等優(yōu)點。經(jīng)過裝置一段時間的穩(wěn)定運(yùn)行，氮氧化合物被控制在15 mg/m3以下，氨水無論在安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性都有不可比擬的優(yōu)勢。