燃?xì)溴仩t尾氣排放技術(shù)改造

吳紅忠

(焦作(煤業(yè))集團(tuán)開元化工有限責(zé)任公司，河南 焦作 454191)

焦作(煤業(yè))集團(tuán)開元化工有限責(zé)任公司(以下簡稱“開元化工”)20萬t/a離子膜燒堿項(xiàng)目在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生5 700萬 m3/a氫氣，其中574萬m3/a氫氣用于6萬t/a合成高純鹽酸，實(shí)際剩余氫氣量達(dá)到5 126萬m3/a，折算為6 408 m3/h。大量富余氫氣放空以后，造成巨大的資源浪費(fèi)，因此開元化工在2013年建設(shè)燃?xì)湔羝仩t項(xiàng)目和氫氣液化充裝項(xiàng)目，回收利用氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量生成蒸汽，剩余的氫氣全部液化充裝到罐內(nèi)銷售，既解決了生產(chǎn)上需要蒸汽的要求，又可有效利用副產(chǎn)排空氫氣，節(jié)能減排、回收增效、降低生產(chǎn)成本，為開元化工的生產(chǎn)經(jīng)營創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

但由于近幾年來國家對環(huán)境治理的力度日趨嚴(yán)格，企業(yè)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級。原氫氣鍋爐不能運(yùn)行，大量富余氫氣直接排空，氫氣資源嚴(yán)重浪費(fèi)。開元化工通過對燃?xì)溴仩t尾氣排放技術(shù)進(jìn)行改造，使尾氣排放達(dá)到國家要求標(biāo)準(zhǔn)，確保氫氣鍋爐正常運(yùn)行，為企業(yè)持續(xù)節(jié)能、減排、增效提供了新的方法。

1 燃?xì)溴仩t工藝流程

由氫氣處理工序分配臺輸出的氫氣，通過管道進(jìn)入預(yù)冷器、冷卻器、過濾器進(jìn)行預(yù)處理，處理后的氫氣通過阻火器送至氫氣鍋爐底部的燃燒器進(jìn)口燃燒，產(chǎn)生的熱量加熱鍋爐內(nèi)列管中的除氧水(除氧水通過給水泵加壓送入鍋爐頂?shù)念A(yù)熱器內(nèi)，利用煙道內(nèi)尾氣的熱量先預(yù)熱，再進(jìn)入鍋爐內(nèi)列管中)，產(chǎn)生的合格蒸汽通過鍋爐頂部的爐外汽水分離器，進(jìn)入分配臺后分配送至廠區(qū)低壓蒸氣管網(wǎng)[1]，供氯堿生產(chǎn)、保溫、生活等崗位使用。燃?xì)溴仩t工藝流程如圖1所示。

圖1 氫氣鍋爐工藝流程圖Fig.1 Process flow of hydrogen-fired boiler

2 氫氣鍋爐的優(yōu)勢及存在問題

2.1 氫氣鍋爐的優(yōu)勢

(1)充分利用副產(chǎn)排空氫氣來生產(chǎn)蒸汽，有效解決了能源浪費(fèi)問題和生產(chǎn)中需要的蒸汽問題，不但能夠回收排放的氫氣資源，減少污染環(huán)境和大量氫氣放空存在危險源等矛盾，還能產(chǎn)出蒸汽，達(dá)到減排增效、降低生產(chǎn)成本的目的[2]。

(2)燃?xì)溴仩t技術(shù)成熟，整個系統(tǒng)設(shè)有全程監(jiān)控，多道安全保護(hù)報警裝置，設(shè)置超壓后的放空管道，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、操作安全可靠，同時設(shè)備運(yùn)行由設(shè)定的程序自動控制，也可根據(jù)具體情況手動控制，對生產(chǎn)工藝上的壓力穩(wěn)定不會產(chǎn)生影響。

(3)燃燒副產(chǎn)氫氣制取蒸汽屬于清潔環(huán)保、減排增效、節(jié)能降耗的項(xiàng)目。

(4)符合國家節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策，屬于國家推廣項(xiàng)目。

(5)該項(xiàng)目對生產(chǎn)過程中副產(chǎn)氫氣的企業(yè)來說具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，其社會效益與環(huán)保效益十分可觀。

2.2 存在的問題

由于國家環(huán)保監(jiān)管越來越嚴(yán)格，氫氣鍋爐尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級，燃?xì)溴仩t尾氣中氮氧化合物排放標(biāo)準(zhǔn)由原設(shè)計(jì)的低于200 mg/m3直接下降到低于30 mg/m3，導(dǎo)致現(xiàn)燃?xì)溴仩t不能適應(yīng)環(huán)保要求，在2019年4月停運(yùn)。這就造成燃?xì)湔羝仩t使用的2 375 m3/h氫氣直接排空處理，浪費(fèi)了清潔能源，既給公司造成了經(jīng)濟(jì)損失，又存在易燃易爆的危險。1 m3氫氣按利潤0.50元計(jì)算，每年將損失950萬元。

對此開元化工根據(jù)實(shí)際情況，采取引進(jìn)燃?xì)湔羝仩t尾氣處理技術(shù)，將排空尾氣中氮氧化合物排放含量有效控制在低于30 mg/m3的國家新標(biāo)準(zhǔn)，不但符合國家環(huán)保政策，而且可以全面回收排空氫氣，為天元化工節(jié)能、減排及增效作出了新的舉措。

3 燃?xì)溴仩t尾氣排放技術(shù)優(yōu)化方案及工藝原理

3.1 優(yōu)化方案

開元化工通過引進(jìn)一種脫除氫氣鍋爐排空尾氣中氮氧化合物的處理工藝，不改變現(xiàn)有氫氣鍋爐流程，通過在煙道中增加1套SCR脫硝裝置，有效將尾氣中氮氧化合物含量控制到少于30 mg/m3的國家新標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，確保燃?xì)溴仩t繼續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行。

3.2 優(yōu)化工藝原理

在尿素配制罐中加入定量純水，開啟蒸汽將純水升溫到60～80 ℃，通過加料口將定量尿素慢慢加入配制罐，蓋好頂蓋，開啟攪拌，配制出合格的尿素溶液，通過計(jì)量泵將尿素溶液定流量送入熱解器，尿素溶液在熱解器內(nèi)熱解成氨氣，送入脫硝塔內(nèi)與煙氣中的NOx進(jìn)行脫硝反應(yīng)，使尾氣中氮氧化合物含量由低于200 mg/m3直接下降到30 mg/m3以下，有效實(shí)現(xiàn)大幅度降低尾氣中氮氧化物含量的目的。

該工藝以20%尿素溶液為還原劑，在催化劑的作用下，使尾氣中的氮氧化物與其反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?/p>

3.3 優(yōu)化后氫氣鍋爐工藝流程

優(yōu)化后氫氣鍋爐工藝流程圖見圖2。

圖2 優(yōu)化后氫氣鍋爐工藝流程圖Fig.2 Improved process flow of hydrogen-fired boiler

3.4 優(yōu)化工藝前后運(yùn)行分析指標(biāo)對比

處理前尾氣排放指標(biāo)如表1所示。

表1 處理前尾氣排放指標(biāo)Table 1 Tail gas emission indexes before improvement

處理后尾氣排放指標(biāo)如表2所示。

表2 處理后尾氣排放指標(biāo)Table 2 Tail gas emission indexes after improvement

3.5 優(yōu)化方案的特點(diǎn)

(1)該方案采用目前國內(nèi)成熟先進(jìn)、安全可靠的技術(shù)。設(shè)計(jì)科學(xué)合理，造價更經(jīng)濟(jì)。

(2)設(shè)備利用率高，運(yùn)行周期長，維修費(fèi)用少；操作簡單，觀察、監(jiān)視、維修維護(hù)方便。

(3)能適應(yīng)機(jī)組的各種負(fù)荷變化和啟停次數(shù)的要求，對鍋爐負(fù)荷和鍋爐運(yùn)行方式?jīng)]有任何干擾，能夠在煙氣排放濃度為最小值和最大值之間正常運(yùn)行。

(4)能夠滿足整個燃?xì)溴仩t系統(tǒng)在各種工況下自動運(yùn)行的要求，系統(tǒng)的啟動、正常運(yùn)行監(jiān)控和事故處理實(shí)現(xiàn)完全自動化。

(5)所有設(shè)備與管道的布置設(shè)計(jì)，均考慮系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行工作的方便。

(6)該方案摒棄了傳統(tǒng)的氨氣制備工藝，采用SCR脫硝工藝，SCR脫硝反應(yīng)所需的氨來自尿素溶液。該方案可以避免氨區(qū)制備所帶來的氨氣泄漏、爆炸風(fēng)險，同時節(jié)約蒸汽消耗，減少維修量和更換閥門等的費(fèi)用。

(7)本方案SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器后，布置形式合理、簡潔、緊湊，系統(tǒng)阻力低，引風(fēng)機(jī)電耗較低，能降低運(yùn)行費(fèi)用。

4 SCR系統(tǒng)構(gòu)造及組成

4.1 SCR系統(tǒng)構(gòu)造

SCR系統(tǒng)包括反應(yīng)器系統(tǒng)(反應(yīng)器本體、煙道系統(tǒng)、催化劑等)、電氣系統(tǒng)和儀表控制系統(tǒng)。

4.2 SCR系統(tǒng)組成

(1)SCR系統(tǒng)由反應(yīng)器本體，靜態(tài)混合器、導(dǎo)流板、整流板、催化劑、煙道等組成。

(2)反應(yīng)器系統(tǒng)包括反應(yīng)器本體、煙道系統(tǒng)、催化劑等。

4.3 催化劑的設(shè)計(jì)要求

(1)本方案采用防堵塞和防中毒的蜂窩式催化劑。

(2)催化劑能滿足煙氣溫度400 ℃的情況下長期運(yùn)行，同時應(yīng)能承受運(yùn)行溫度420 ℃而不產(chǎn)生任何損壞。

(3)在達(dá)到要求的脫硝效率同時能有效防止鍋爐飛灰在催化劑中發(fā)生粘污、堵塞及中毒現(xiàn)象發(fā)生。

(4)催化劑化學(xué)壽命大于40 000 h運(yùn)行時間。

(5)催化劑應(yīng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。催化劑各層模塊應(yīng)規(guī)格統(tǒng)一、具有互換性以減少更換催化劑的時間。

(6)模塊采用碳鋼結(jié)構(gòu)框架，并要求焊接、密封完好，且便于運(yùn)輸、安裝、起吊。

這兩臺機(jī)組均為1000 MWe壓水堆，分別于1973年6月和1976年4月首次并網(wǎng)發(fā)電，根據(jù)最初的運(yùn)行許可證可分別運(yùn)行至2013年和2015年。運(yùn)營商安特吉核運(yùn)營公司(Entergy Nuclear Operations)2007年4月提交這兩臺機(jī)組的運(yùn)行許可證換發(fā)申請。鑒于安特吉在最初許可證到期前5年就提交了申請，因此，盡管當(dāng)時沒有正式批準(zhǔn)這兩臺機(jī)組延壽，核管會允許這兩臺機(jī)組在最初的運(yùn)行許可證失效后繼續(xù)在“及時換發(fā)”(timely renewal)的模式下運(yùn)行。

(7)單臺鍋爐SCR系統(tǒng)需要蜂窩型催化劑1.3 m3，2+1層布置，反應(yīng)器橫截面積1.2 m2，催化劑層間高度2.65 m。單層催化劑阻力180 Pa，總阻600 Pa。

4.4 儀表和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

(1)本次脫硝改造控制系統(tǒng)采用獨(dú)立的PLC控制與就地控制方式，控制室設(shè)一個操作員站，并設(shè)立就地控制系統(tǒng)。

(2)該系統(tǒng)能夠滿足整個脫硝系統(tǒng)設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和監(jiān)視、控制、經(jīng)濟(jì)核算的要求，并滿足國家和國際相關(guān)規(guī)范、安全、先進(jìn)、完整的儀表和控制系統(tǒng)。

(3)能實(shí)現(xiàn)以上位機(jī)顯示器及PLC操作員站顯示器為中心對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。實(shí)現(xiàn)自動對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)處理；參數(shù)越限時自動報警；根據(jù)人工指令自動完成各局部工藝系統(tǒng)或輔機(jī)的程序啟停。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異?；蚴鹿蕰r，通過保護(hù)、聯(lián)鎖或人工干預(yù)，使系統(tǒng)能在安全工況下運(yùn)行或停機(jī)。

5 設(shè)備一覽表

設(shè)備一覽表如表3所示。

表3 設(shè)備一覽表Table 3 Equipment list

6 投資估算及效益分析

6.1 投資估算

(1) 引進(jìn)一套尾氣吸收裝置(包括除硝塔本體及安全附件、儀表、自動化控制等設(shè)備及運(yùn)輸安裝調(diào)試及土建費(fèi)用)造價約為100 萬元。

(2)項(xiàng)目建設(shè)期:3個月。

6.2 效益分析

本次引進(jìn)燃?xì)溴仩t尾氣改造項(xiàng)目總投入為100萬元，如果按照外購蒸汽185元/t，每年運(yùn)行時間按8 000 h，每小時產(chǎn)蒸汽按9 t計(jì)算。

則每年減排創(chuàng)效計(jì)算如下：

8 000×185×9=1 332(萬元/a)。

每噸蒸汽生產(chǎn)成本按28元計(jì)算，

1 t蒸汽可節(jié)約費(fèi)用：185-28=157(元)。

1年可減排創(chuàng)效：

157×8 000×9=1 130萬(元)。

7 結(jié)論

開元化工通過引進(jìn)排放尾氣除氮氧化物項(xiàng)目，將停置燃?xì)溴仩t繼續(xù)投用到生產(chǎn)中，將富余排空的清潔能源氫氣重新利用、全面回收，從而提高了氫氣利用率，更大地提高它的經(jīng)濟(jì)價值。此舉不但持續(xù)增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，有效降低生產(chǎn)成本，同時為公司的清潔環(huán)保、減排增效開辟出了新的路線。