3×140t/h燃气锅炉脱硝超低排放改造

2022-07-01游如泉常治铁王立鸿

能源与环境 2022年2期

游如泉常治铁王立鸿

（鞍钢（上海）环境工程技术有限公司上海 200120）

0 引言

天津钢铁集团有限公司有3 台江联设计、制造的140 t/h中温中压煤气锅炉（型号：JG-140/3.82-Q 型），为自然循环锅炉，“П”型布置，单锅筒，尾部为重叠式钢结构框架，内部两级交替布置省煤器和空气预热器。

为响应我国钢铁行业超低排放行动，并满足天津市对燃气锅炉大气污染排放的环保要求，天津钢铁集团有限公司在2#、3#、4# 燃气锅炉设置有选择性非催化还原法（SNCR）脱硝装置的基础上，对锅炉进行超低排放改造，进一步降低大气污染物排放量，以满足更为严格的天津市《火电厂大气污染物排放标准》（DB12/810—2018）（NOX排放限值在标态、干基、3%基准含氧量下＜50 mg/m3）监测要求。

1 锅炉烟气脱硝技术介绍

1.1 SNCR 脱硝

SNCR 即选择性非催化还原法，是在无催化剂的条件下，在入口烟道或炉膛上部等850 ℃～1 100 ℃的温度区域喷入氨、尿素等还原剂，还原剂热分解成氨气（NH3），将烟气中的氮氧化物（NOX）还原为无害的氮气（N2）和水（H2O）。本项目锅炉采用液氨作为还原剂还原（NOX）。主要反应如式（1）。

当氨水喷入区域的温度过高时，NH3就会被氧化成NOX，增加烟气中氮氧化物的含量主要反应如式（2）。

3 台锅炉采用的SNCR 脱硝技术，用20%氨水作为还原剂，压缩空气作为雾化气，除盐水为稀释剂。氨水由罐车运到厂区，经卸车泵引入脱硝氨水储罐中。在进行SNCR 脱硝时，20%的氨水经氨水泵从储罐中输出，稀释水泵将除盐水从水箱中输出，在混合模块中混合，稀释成5%～10%的氨水。稀释后的氨水被输送到喷枪，利用压缩空气对其进行雾化。

该技术的主要优缺点：造价和运行成本低、操作简单；脱硝效率低，大机组效率一般为25%～50%，小机组效率可达70%～80%；无脱硝催化剂不增加烟气系统阻力，且反应过程中无SO3产生；对脱硝改造场地条件要求低，适用于改造条件受限、入口NOX含量低的脱硝工程［1］。但随着环保要求的日益严格，SNCR 工艺已经不能满足锅炉的超低排放要求。

1.2 SCR 脱硝

SCR 即选择性催化还原法，是在有催化剂的条件下，把还原剂NH3喷入锅炉下游300 ℃～400 ℃的烟道或者反应器内，在催化剂作用下将NOX还原成无害的N2和H2O，而几乎不发生NH3的氧化反应。主要反应如式（3）～（4）。

该技术的主要优缺点：技术成熟，脱硝效率可达90%以上；催化剂增加SO3转化，硫酸氢铵的生成会造成下游设备的腐蚀和堵塞；催化剂提高了系统阻力，需增加引风机压头；需定期更换催化剂；占地面积多、建设成本和运行费用高［1-2］。

1.3 SNCR/SCR 联合脱硝

SNCR/SCR 有效地结合了SNCR 和SCR 两种脱硝技术。首先通过喷射系统将还原剂（氨/尿素稀溶液）喷入炉膛或其出口，还原剂与烟气中NOX在高温下发生还原反应，实现初步脱硝；然后未反应的还原剂随烟气到达装有催化剂的锅炉尾部烟道或反应器，在较低温度下发生催化还原反应，实现进一步脱硝。

该技术的主要优缺点：集两种技术之长，既发挥SNCR 技术最佳窗口温度下有合适的脱硝效率，又可发挥SCR 效率高的特点，防止氨超标排放；大幅度减少了催化剂的用量，系统压降较小、投资和运行费用均介于两种技术之间；对于改造场地受限的情况是较理想的选择［1-3］。

2 脱硝改造要求

单台锅炉的原始烟气流量240 000 Nm3/h，烟气中的NOX经SNCR 脱硝后浓度在200 mg/Nm3左右，满足不了超低排放要求，需要进一步深度脱硝改造，将NOX浓度控制在50 mg/m3以下。

脱硝系统应满足如下要求：采用先进、可靠、实用的脱硝工艺，实现锅炉烟气的超低排放要求，确保脱硝净化系统长期、安全、稳定地连续达标运行；布置合理，操作维护方便，节约占地，节省投资；严格执行现行最新的国家、行业和地方的法律、法规和标准。

3 脱硝改造

改造项目现场场地紧张，根据各脱硝技术的特点和项目改造要求，经技术论证确定改造方案：在SNCR 脱硝的基础上，通过改造锅炉尾部竖井烟道内的下级省煤器，腾出位置安装SCR 装置，采用SNCR/SCR 联合脱硝技术，实现锅炉烟气NOX的超低排放。

锅炉尾部竖井烟道没有预留安装SCR 脱硝催化剂的空间，因此锅炉尾部受热面的改造是实现本项目的一大要点。改造后受热面应保证不影响锅炉热效率，腾出的烟道在满足SCR 脱硝反应温度窗口的同时应有足够的安装检修空间。催化剂是SCR 脱硝反应器的主要设备，要将其布置于空间有限的锅炉尾部竖井烟道内，催化剂的选型和布置是另一大要点；尾部竖井烟道内置SCR 脱硝，无新加烟道，但新放置的催化剂和改造后的受热面所增加的系统阻力不应超过引风机的负荷，避免引风机改造，节约投资，缩短工期，这是本项目的第三要点。

项目改造方案如图1 所示。

图1 改造方案示意图

3.1 受热面改造

3 台锅炉布置紧凑，无场地外置SCR 脱硝反应器，同时尾部烟道也没有预留空间放置催化剂，所以必须对锅炉尾部受热面进行改造，腾出位置满足SCR 脱硝反应温度窗口的同时保证有足够的安装检修空间。

锅炉省煤器采用双级布置，上下两级蛇形管通过支撑梁将重量传到框架护板上。为满足SCR 脱硝进口烟气温度及SCR 装置安装需求，根据锅炉热力计算，上级省煤器保留不变，将下级省煤器由原来的两组改为一组，改造后的下级省煤器采用螺旋鳍片管型式，增加换热面积以缩小换热管束所占空间。即将两组低温光管省煤器完全拆除，改为一组螺旋鳍片管省煤器，下级省煤器为全新改造、设计、制造加工件（集箱除外）。新增螺旋鳍片管省煤器吸热能力与原两组省煤器吸热能力基本相同，烟气侧与工质侧进出口温度基本一致，改造后锅炉的效率基本没有影响，改造前后锅炉的热平衡如表1 所示。省煤器改造不影响锅炉负荷，不降低热效率。原两组光管省煤器拆除时，拆下的护板要保护性拆除，管组拆除后护板需原样恢复。

表1 改造前后锅炉的热平衡

3.2 内置SCR 脱硝

将SCR 催化剂放置在下级省煤器改造后腾出的竖井烟道内；支撑和密封结构的设计应考虑不易积灰和热膨胀补偿；侧壁设置催化剂装载门和人孔，外部安装必要的吊装装置。

目前SCR 催化剂的型式一般有3 种，分别是板式、蜂窝式和波纹式。蜂窝式比表面积大，所需总体积要比同等设计条件下的板式、波纹式催化剂小，因此选择蜂窝式催化剂能减小反应器尺寸。同时蜂窝式具有均匀的整体结构，通过合理设计配方，合理控制活性组分的用量，能有效地防止催化剂活性组分丧失、中毒和磨损［4-5］。本项目选用燃气锅炉专用蜂窝式催化剂（活性成分：V2O5和WO3），配备耐磨防堵块，适用于燃气锅炉烟气工况，无需扩大烟道截面，只要布置1 层27 个整体成型的催化剂模块。催化剂选型过程中不但考虑工艺和空间要求，还通过调整结构减小重量和压降。经计算，运行时脱硝反应段荷载不到196 kN，原光管省煤器支撑梁可以利旧，设计增加辅梁支撑催化剂，并对该段烟道外箱体进行加固。改造后的烟道总阻力为2 670.63 Pa，比改造前2 344 Pa 增加了326.63 Pa，在引风机的能力范围内。

4 改造效果

2019 年11 月中旬，项目开始施工，施工条件具备的情况下，14 d 即可完成1 台锅炉脱硝改造。最先完成脱硝超低排放改造是4# 炉，于2019 年12 月顺利投入运行，当月的在线监测NOX排放曲线如图2 所示，NOX（标态、干基、3%基准氧下折算值）在30 mg/Nm3以下，内置SCR 脱硝效率约82%，脱硝效果明显。3# 炉也于2019 年12 月完成脱硝超低排放改造并顺利投运。2# 炉脱硝超低排放改造配合锅炉大修进行，于2020年4 月顺利投运。

图2 投运当月4# 炉NOX 排放曲线

3 台燃气锅炉共用1 个排放烟囱，图3 显示168 h 运行期间总排口NOX排放曲线。根据图3 所示的NOX排放数据可知：3 台锅炉采用SNCR/SCR 联合脱硝技术改造后，在168 h 试运行期间，总排口NOX（标态、干基、3%基准氧下折算值）在30 mg/Nm3以下，增加喷氨量可使NOX降至10 mg/Nm3以下，完全满足氮氧化物超低排放的要求。SNCR/SCR 联合脱硝超低排放系统操作简单，3 台锅炉脱硝装置投运以来均运行正常，NOX折算值可长期稳定在40 mg/Nm3以下。运行一年半，锅炉检修时发现，催化剂仍保持完好表观，无破损和吹蚀。