燃煤鍋爐SNCR與臭氧脫硝工藝的比較研究

＊何飛玲

（中海石油舟山石化有限公司 浙江 316015）

前言

舟山石化廠內(nèi)自建有動(dòng)力站，設(shè)有3臺(tái)130t/h循環(huán)流化床鍋爐（正常工況下2用1備）、1臺(tái)15MW的背壓發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)6MW凝汽式發(fā)電機(jī)組，擔(dān)負(fù)著全廠各生產(chǎn)裝置運(yùn)行時(shí)的蒸汽與電力供應(yīng)任務(wù)。從2013年舟山石化就著重研究燃煤鍋爐煙氣脫硫、脫硝、除塵設(shè)施的建設(shè)，本文以舟山石化采用的兩種脫硝設(shè)施的運(yùn)行效果為重點(diǎn)，分析SNCR脫硝設(shè)施與臭氧脫硝設(shè)施的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.脫硝工藝介紹

(1)SNCR脫硝設(shè)施項(xiàng)目設(shè)計(jì)

舟山石化自備電廠在當(dāng)時(shí)是要執(zhí)行“GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、HJ563-2010《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范選擇性非催化還原法》等國(guó)家有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這些要求，自備電廠脫硝工程采用成熟的SNCR脫硝工藝，還原劑采用氨水，濃度為20%。NOx排放濃度按＜100mg/Nm3設(shè)計(jì)，脫硝效率要求≥50%。設(shè)計(jì)前，NOx實(shí)際排放濃度在160-180mg/Nm3。

(2)SNCR工藝技術(shù)簡(jiǎn)介

選擇性非催化還原技術(shù)在國(guó)內(nèi)是一種普遍的，比較成熟的NOx控制處理技術(shù)。本項(xiàng)目采用氨水作為還原劑，濃度為20%。該方法主要在燃煤鍋爐爐膛溫度850～1050℃下，將還原劑氨水噴入貧燃煙氣中，將NOx還原，從而生成氮?dú)夂退?/p>

此設(shè)計(jì)為3臺(tái)循環(huán)流化床脫硝，采用3臺(tái)爐脫硝公用系統(tǒng)集中布置方式。

脫硝裝置設(shè)氨水溶液循環(huán)輸送模塊1個(gè)（3爐共用）；工藝（稀釋?zhuān)┧斔湍K1個(gè)（3爐共用）；稀釋模塊、計(jì)量模塊、分配模塊每臺(tái)爐1個(gè)；噴射（噴槍?zhuān)﹩卧颗_(tái)爐設(shè)置6個(gè)；控制系統(tǒng)模塊1套（3爐共用）；電氣供配電模塊（配電柜）1套（3爐共用）。在該方法運(yùn)行過(guò)程中，合適的燃燒溫度與氨逃逸量成為SNCR技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

(3)SNCR技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

SNCR作為選擇性非催化劑還原技術(shù)，其在進(jìn)行脫硝處理的過(guò)程中，通常選擇氨、尿素以及各種銨鹽含氮物質(zhì)作為還原劑，舟山石化選用20%的氨水作為還原劑。在850-1100℃的溫度環(huán)境下，借助于NOx還原的方式，進(jìn)行氮氧元素的無(wú)害化處理。由于反應(yīng)溫度必須達(dá)到850℃以上，脫硝效率才能達(dá)到25%-40%，小型燃煤機(jī)組則高達(dá)80%。但是由于舟山石化鍋爐負(fù)荷偏低，造成鍋爐床層溫度偏低，從而導(dǎo)致?tīng)t膛出口溫度偏低，爐膛出口溫度維持在700℃左右，氨水不能有效進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致其脫硝效率偏低。

圖1 SNCR工藝流程簡(jiǎn)圖

經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的調(diào)節(jié)，鍋爐煙氣中NOx基本可以控制在75-95mg/Nm3之間，可滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）中表1排放濃度限值100mg/Nm3要求。

表1 深度脫硝處理設(shè)施各項(xiàng)參數(shù)和要求

圖2 SNCR投用后煙氣NOx排放濃度趨勢(shì)

相比于選擇性催化還原技術(shù)SCR，SNCR脫硝工程硬件設(shè)備成本造價(jià)較低，所需空間小。脫硝效果還與鍋爐設(shè)計(jì)的噴嘴有很大的關(guān)系，通過(guò)上圖顯示，利用SNCR工藝，最低能把NOx降至60mg/Nm3左右，但還不能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，這個(gè)還跟氨逃逸量有關(guān)，并不是說(shuō)注入的氨水越多越好。

2.臭氧脫硝工藝

(1)臭氧脫硝項(xiàng)目設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步促進(jìn)節(jié)能減排，改善環(huán)境空氣質(zhì)量，建設(shè)清潔能源示范省，響應(yīng)政府要求地方熱電綜合改造升級(jí)的工作目標(biāo)：到2017年底，所有地方熱電廠實(shí)現(xiàn)煙氣達(dá)到超低排放要求，其指標(biāo)為基準(zhǔn)氧含量6%的情況下，煙塵折算排放濃度＜5mg/m3、SO2排放的折算濃度＜35mg/m3、NOx排放濃度＜50mg/m3。舟山石化動(dòng)力站就對(duì)現(xiàn)有3臺(tái)130t/h循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行煙氣超低排放改造，其中，鍋爐煙氣脫硝改造擬增設(shè)臭氧脫硝技術(shù)，通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧與煙氣中氮氧化物反應(yīng)，將其氧化成可溶性高價(jià)態(tài)的NO2和N2O5，之后在脫硫過(guò)程中利用堿液吸收，使其轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽；鍋爐煙氣除塵改造擬采用濕式電除塵技術(shù)（WESP），通過(guò)采用臥式濕電除塵器（設(shè)置2臺(tái)，1用1備），經(jīng)脫硫過(guò)程的濕煙氣通過(guò)電場(chǎng)，潮濕粉塵受電，在電場(chǎng)作用下飄向正極板，極板上水膜沖洗實(shí)現(xiàn)除塵，除塵后出口煙氣至原有煙囪。經(jīng)過(guò)上述技術(shù)改造，舟山石化現(xiàn)有鍋爐可達(dá)到煙氣超低排放要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，舟山石化設(shè)計(jì)2套完整的臭氧系統(tǒng)，臭氧總產(chǎn)量為40kg/h，濃度10wt%，處于一開(kāi)一備狀態(tài)。

(2)臭氧脫硝工藝原理簡(jiǎn)介

臭氧脫硝的主要設(shè)備是臭氧發(fā)生器，其采用介質(zhì)阻擋放電技術(shù)（Dielectric Barrier Discharge，DBD）產(chǎn)生高濃度的臭氧氣體。設(shè)計(jì)上采用特種玻璃介質(zhì)和雙層微間隙放電結(jié)構(gòu)，有優(yōu)異的抗沖擊性能，放電單元采用自動(dòng)模塊化設(shè)計(jì)法，使設(shè)備的安裝過(guò)程，檢維修工作更加方便，同時(shí)減少了故障維修時(shí)間；設(shè)備及部件全部采用高質(zhì)量的耐臭氧材料如不銹鋼、PTFE（聚四氟乙烯）、無(wú)油EPDM（三元乙丙橡膠）、氟橡膠制造，大大提高了設(shè)備的耐久性和可靠性。

圖3 氧化吸收脫硝工藝流程圖

(3)優(yōu)缺點(diǎn)

①脫硝反應(yīng)時(shí)間短，速度快。臭氧與NOx反應(yīng)速度極快，在很短的時(shí)間內(nèi)，就可將NOx氧化成高價(jià)態(tài)的NO2和N2O5。無(wú)需安裝特別的反應(yīng)設(shè)備或場(chǎng)所，只需要在煙氣管道中混合，即可進(jìn)行反應(yīng)。

②吸收完全，凈化效率高。臭氧與煙氣中氮氧化物反應(yīng)，將其氧化成可溶性高價(jià)態(tài)的NO2與N2O5，之后再利用脫硫過(guò)程中的堿液吸收，使其完全轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，從而達(dá)到煙氣凈化的目的；在NOx濃度＜150mg/Nm3時(shí)，在同等脫硝效率的基礎(chǔ)上，臭氧煙氣脫硝技術(shù)是SCR靜態(tài)投資的1/2，且沒(méi)有SCR催化劑在使用過(guò)程中的效率在平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間后的線性下降現(xiàn)象；無(wú)需考慮原風(fēng)機(jī)、風(fēng)量、風(fēng)壓不能滿足使用要求帶來(lái)的風(fēng)機(jī)更換、使用后的風(fēng)阻、清塵、還原劑、氨水、氨逃逸等使用蒸氣和建立氨區(qū)、報(bào)裝等手續(xù)。

③無(wú)二次污染產(chǎn)生。由于臭氧與NOx反應(yīng)后的生成物是O2，不影響煙氣排放。

④可直接通過(guò)脫硫洗滌塔進(jìn)行洗滌。由于NOx的含量相對(duì)SO2來(lái)說(shuō)很小，不需要增加脫硫洗滌塔的負(fù)荷，只需利用脫硫洗滌通道進(jìn)入煙道。

⑤自動(dòng)化程度高。整套設(shè)備全部通過(guò)PLC自動(dòng)控制，不需要配備專(zhuān)人操作，只需定期巡檢現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況。

(4)臭氧脫硝效果標(biāo)定

下面舉例介紹一下單臺(tái)臭氧發(fā)生器工況下的脫硝效果。

工況一：25kg/h。

2018年5月8日8點(diǎn)34分～12點(diǎn)，兩臺(tái)臭氧發(fā)生器關(guān)停，1#、2#鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，吸收塔出口NOx排放量110～135mg/m3，煙氣流量22萬(wàn)m3/h，氧含量5.6%～5.8%，12點(diǎn)25分啟動(dòng)2#臭氧發(fā)生器，臭氧產(chǎn)量控制在25kg/h；此時(shí)吸收塔出口NOx測(cè)量值為25mg/m3。圖4為該工況下歷史數(shù)據(jù)。

圖4 工況一歷史曲線

工況二：35.5kg/h。

5月9日9點(diǎn)35分緊急停運(yùn)臭氧發(fā)生器，經(jīng)環(huán)保局CEMS檢測(cè)吸收塔出口NOx在150mg/m3～175mg/m3，煙氣流量21.5萬(wàn)Nm3/h，含氧量5.8%～6.1%；10點(diǎn)30分臭氧發(fā)生器啟動(dòng)，臭氧產(chǎn)量設(shè)備在35.5kg/h，吸收塔出口NOx排放25mg/m3。圖5為該工況下歷史數(shù)據(jù)。

圖5 工況二歷史曲線

工況三：40kg/h。

2018年5月8日下午15:30，1#鍋爐，2#鍋爐運(yùn)行狀態(tài)下，煙氣流量22萬(wàn)Nm3/h，含氧量5.8%～6.0%，吸收塔出口NOx為155～175mg/m3。圖6為該工況下歷史數(shù)據(jù)。

圖6 工況三歷史曲線

對(duì)多組工況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，見(jiàn)表2。

表2 工況匯總表

對(duì)于典型工況二，給出運(yùn)行參考。一般情況下，先指定臭氧產(chǎn)量35kg/h左右，此時(shí)NOx排放濃度一般低于25mg/m3，再根據(jù)煙囪CEMS讀數(shù)，結(jié)合指定排放濃度，加大或減少臭氧產(chǎn)量。

關(guān)于投加閥開(kāi)度，根據(jù)長(zhǎng)期代運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及本次試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

①當(dāng)1#、2#鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，1#、2#投加閥開(kāi)度分別為45%和85%，可滿足排放要求。

②當(dāng)1#、2#鍋爐中有一臺(tái)鍋爐與3#鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，2#、3#投加閥開(kāi)度分別為75%和75%，可滿足排放要求。

按上述投加閥開(kāi)度，根據(jù)鍋爐實(shí)際工況做適當(dāng)調(diào)整，在煙氣原始排放20萬(wàn)Nm3/h，含氧量6%，NOx排放濃度150mg/m3情況下，在臭氧產(chǎn)量40kg/h，在吸收塔處NOx排放能夠保證在45mg/m3，滿足最新要求。

3.結(jié)論

通過(guò)上述比較，兩種工藝在不同時(shí)代背景下，不同國(guó)標(biāo)要求下產(chǎn)生的工藝途徑，各有各的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)兩種脫硝設(shè)施的實(shí)施，3臺(tái)燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣污染物的排放量明顯減少，增設(shè)SNCR后，NOx減排112.4t/a，而超低排改造工程實(shí)施后廢氣中NOx減排142.8t/a，總計(jì)減排255.2t/a，為舟山石化企業(yè)排污總量下降作出了比較大的貢獻(xiàn)。且煙氣排放指標(biāo)能穩(wěn)定達(dá)到超低排指標(biāo)，特別是可以利用臭氧發(fā)生器的工藝參數(shù)調(diào)整設(shè)備負(fù)荷來(lái)提高更嚴(yán)的指標(biāo)，企業(yè)自行制定的考核指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)要求。從節(jié)能減排角度上，這兩個(gè)項(xiàng)目的改造對(duì)改善區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量具有明顯提升，進(jìn)一步促進(jìn)了社會(huì)效益和環(huán)境效益的協(xié)調(diào)發(fā)展。