热电厂锅炉生物钙烟气脱硝技术实践与应用

本文摘自：
专辑：        工程科技Ⅱ辑; 工程科技Ⅰ辑
专题：        环境科学与资源利用; 动力工程; 电力工业
分类号：        X773

作者：黄美华 韩加友 周纪平 【上海梅山钢铁股份有限公司能源环保部】

摘要 ：本文以热电厂烟气排放为例，分析了当前技术成熟、应用广泛的若干脱硝技术，梅钢热电厂锅炉选择生物钙烟气脱硝技术，并取得了较好的应用效果，给同行业提供了借鉴依据。
关键词 ：锅炉 ；生物钙烟气脱硝 ；实践

2019 年，国家生态环境部出台《关于做好钢铁行业超低排放评估监测工作的通知》（922 号文），钢铁行业实现烟气全流程超低排放已成趋势。烟气中含有大量的氮氧化物（NOx）、烟尘和硫氧化物，这三种物质是主要的大气污染物。本文针对 NOx 系统分析了当前技术成熟、应用广泛的脱硝技术。

1 项目背景
上海梅山钢铁股份有限公司热电厂共有 6 台高温高压锅炉，其中 1#～ 3# 锅炉由煤粉掺烧煤气锅炉经改造为全烧煤气锅炉，4#～ 6# 为全烧煤气锅炉。在增加 SDS 脱硫工艺+ 布袋除尘器后，锅炉烟气中的 SO2 含量与粉尘浓度可满足超低排放要求，而 NOx 含量不满足超低排放要求。烟气排放情况具体见表 1。

电厂锅炉型号及烟气排放情况

若因 NOX 不满足排放指标而导致公司锅炉被迫关停，会造成 40 万～ 50 万 Nm3/h 煤气（折合高炉煤气）的浪费，随之引发高炉鼓风站汽拖用汽缺口（约 340t/h）。这既浪费能源，又会影响后续工段，还会造成大气污染，不符合国家生态环境部环保要求。因此，梅钢公司决定对锅炉烟气进行脱硝改造。

2 工艺选择
目前在工业中应用的烟气脱硝技术主要有选择性催化还原脱硝法（SCR）、选择性非催化还原脱硝法（SNCR）、SNCR-SCR 混 合法 及 新 型 高 效 的 生物 钙 烟 气 脱硝 法（B-SNCR）。

2.1 SCR脱硝工艺
选择性催化还原法是目前世界上最为成熟的脱硝工艺，广泛应用于脱硝效率要求高（大于 90%）的工程项目中，其工艺流程图如图 1。

SCR 脱硝流程框图

2.1.1 SCR反应原理
SCR 脱硝技术的反应原理是在有氧状况与合适的温度范围内，通过催化剂使烟气中的 NOx 与 NH3 发生反应，生成 N2 与 H2O，从而达到除去烟气中的 NOx 的目的，其基本反应方程式为：

4NO+ 4NH3+O2 → 4N2 + 6H2O
6 NO2+8 NH3 → 7N2 + 12H2O

SCR 脱硝技术的基本工作流程是在锅炉适当位置喷入还原剂（NH3），还原剂与烟气均匀混合后通过一个由催化剂填充的脱氮反应器，反应器中的催化剂分上下多层（一般为2～ 4 层）有序放置。在催化剂作用下，NOx 和 NH3 发生还原反应，生成 N2 和 H2O。SCR 反应温度为 300 ～ 400℃，催化剂一般选用以 TiO2 为基体的 V2O5/WO3 混合物。在一般情况下脱硝效率超过 80%。

2.1.2 优缺点分析
技术优点 ：氨利用率高，氨逃逸浓度低 ；不易造成空气预热器堵塞 ；SCR 烟气脱硝技术的脱硝效率高，可达 90% 以上 ；对煤种的适应性较高。

技术缺点 ：项目投资高，是 SNCR 的十几倍 ；废催化剂需要专门有相关资质的公司处理 ；设备多、占地面积大 ；综合运行费用高。

SCR 工艺尽管非常成熟，在国外有 10 多年的应用实践，工程应用案例比较多，但是存在投资大、风机电耗高、催化剂需 3 年更换，且为危废、不适合小锅炉烟气脱硝等问题。此外，梅钢 NOx 入口含量较低，每台锅炉烟气量低，因此，该工艺不适合用于梅钢锅炉烟气改造工程。

2.2 SNCR（还原剂为氨或者尿素）工艺
选择性非催化还原技术是将还原剂（NH3）直接喷入炉膛内，与烟气中的 NOx 发生 SNCR 反应，生成 N2。由于反应过程不存在催化剂，因此炉膛温度必须为 850 ～ 1000 ℃。该方法以炉膛为反应器，其工艺流程图如图 2。

SNCR 工艺流程示意图

2.2.1 反应原理
当温度为 850 ～ 1000 ℃，NOx 被 NH3 还原为 N2，主要反应为：
4NH3+4NO+O2 → 4N2+6H2O

当温度高于 1000 ℃时，NH3 则会被氧化为 NO，主要反应为：
4NH3+5O2 → 4NO +6H2O

2.2.2 优缺点分析
技术优点 ：造价低 ；系统简单，不需要对原机组进行大规模改造；运行费用低。
技术缺点 ：脱硝效率较低，通常为 20% ～ 40%，无法应用在对排放要求较高的场合；常用还原剂为液氨或氨水，属于重大危险源，对运输及储存的要求特别高，存在安全隐患 ；NH3 逃逸率较高，不仅会污染大气，还会与烟气中的 SO2 反应生成硫酸氢氨，造成空预器的变化腐蚀和堵塞 ；在机组变负荷运行时效率不稳定 ；容易造成喷嘴附近水冷壁的腐蚀。

SNCR 脱硝工艺工程业绩比较多，投资低、运行成本低，但氨逃逸高，容易造成空预器的腐蚀和堵塞，以及喷嘴附近水冷壁的腐蚀，且液氨为重大危险源（江苏省**办公厅关于《印发江苏省危险化学品安全综合治理方案的通知》中明确要求加强电厂涉危设施安全监管。落实《关于进一步加强全省燃煤电厂重大危险源（液氨罐区）安全风险防控工作的意见》，加快位于化工园区、人口集中区和安全距离不符合要求的燃煤电厂液氨罐区尿素替代改造进程）。此外，SNCR 脱硝工艺脱硝效率较低，对锅炉负荷适应性不强，无法应用在较低浓度氮氧化物脱除工况。

2.3 B-SNCR脱硝工艺
B-SNCR 脱硝工艺是一项新型的烟气脱硝技术，其脱硝原理为：生物质脱硝剂在烟气的温度区间为 730～ 950℃时与烟气混合，在高温和钙离子的催化作用下快速分解，产生大量高活性自由还原基团，并与 NOx 发生还原反应，生成 N2、CO2 和 H2O，不存在其他副反应，正常运行时，其脱硝效率最高可达 85%。

2.3.1 反应原理
第一步，原料高温裂解生成还原性自由基团：
CaTN→Ca+(-CH3) +(-CH2)+(-C2H)+HCCO+ NCO +H2O
第二步，还原性自由基团分别同 NOx 反应 ：
(-CH3)+NO → N2 +H2O+CO2; (-CH2)+NO → N2+ H2O+CO2
(-C2H)+NO→N2+H2O+CO2; HCCO+NO→N2+ H2O +CO2
NCO+NO→N2+H2O+CO2；Ca+SO2+O2 →CaSO4+ CaSO3
综合反应式 ：
CaTN+NO+SO2+O2 → N2+H2O+CO2+CaSO4

2.3.2 技术特点分析
该工艺系统简单，投资低、脱硝效率高 ；没有液氨或氨水运输、储存等安全问题 ；脱硝温度范围宽（730 ～ 950 ℃）、效率高、整个过程最终产物只有 N2、CO2、H2O，不会造成二次污染 ；专有脱硝剂呈弱碱性，没有腐蚀，性质稳定，本身具有一定热值，脱硝不损耗热量；采用分布管设多个多口喷射装置，从而达到大范围雾化覆盖，比传统喷枪喷射更加均匀，实现真正的无隙覆盖。

通过以上对比可以看出，BSNCR 脱硝工艺具有设备简单、运行维护方便、无重大危险源储运风险、更无氨逃逸造成的二次污染等优势，经济可行，可以满足当前及更严的环保标准要求，适合用于梅钢锅炉烟气改造工程。

3 工艺应用
3.1 系统组成
梅钢 B-SNCR 脱硝工艺首先在锅炉烟道上选择适合生物钙脱硝剂反应的温度区间（730 ～ 950℃），布置多个专用高效雾化喷嘴，使生物钙与烟气充分混合，实现脱硝反应在烟道内的无隙覆盖。通过输送泵将储罐里的生物钙脱硝剂输送至计量分配模块，再准确分配到每个喷射装置，喷入锅炉烟道尾部，最终脱除烟气中的 NOx。

生物质烟气脱硝系统主要包括 ：脱硝剂储存站、输送混合模块、分配喷射模块、电气仪表控制及配套管道阀门等。

3.1.1 脱硝剂储存系统
包含两套脱硝剂储存系统，在每个储罐分别设有磁翻板液位计、温度计、电加热装置，除盐水罐设有磁翻板液位计。并通过远传 DCS 画面实施监控，以便及时补充脱硝剂和除盐水。脱硝剂储罐通过温度检测低于 -5℃自动加热，高于 5 ℃自动停止，可自行设定。补充脱硝剂时，通过罐车运送至现场，接入现场预留卸液接口后，开启卸液泵，经过缓冲装置和卸液泵输送至相应脱硝剂储罐中。除盐水根据现场提供位置连通管道接入除盐水罐中进行补充。

3.1.2 脱硝剂输送分配系统
脱硝剂输送分配系统共设置两套，每套含有除盐水泵两台（一用一备）、脱硝剂输送泵两台（一用一备）、稀释混合装罐一个。其中 1#、2#、3# 机组共用一套系统，4#、5#、6# 共用一套系统。

1#、2#、3# 机组系统启动后，由脱硝剂输送泵和除盐水泵将脱硝剂和除盐水进行加压，并通过稀释混合罐将脱硝剂和除盐水按比例进行稀释混合（接近 1:1 的比例），然后通过管道将稀释混合后的脱硝剂输送至 1#、2#、3# 机组锅炉相应的高效喷枪。

4#、5#、6# 机组系统启动后，由脱硝剂输送泵和除盐水泵将脱硝剂和除盐水进行加压，并通过稀释混合罐将脱硝剂和除盐水按比例进行稀释混合（接近 1:1 的比例），然后通过管道将稀释混合后的脱硝剂接送至 1#、2#、3# 机组锅炉相应的高效喷枪。

3.1.3 脱硝剂喷射系统
采用特有的新型专利喷射系统，此喷射系统采用分布管设多个多口喷射装置，从而达到大范围雾化覆盖的目的。该喷射系统比传统喷枪喷射更加均匀，可以实现真正的无隙覆盖。喷枪上设有多组喷嘴，喷射角度 60°～ 120°，炉内反应时间为 0.2s。每台机组喷枪采用两侧水平对称布置，喷枪布置在锅炉屏式过热器与高温过热器的水平烟道处及锅炉屏式过热器入口，共两处，根据锅炉生产负荷情况确定喷射区域，每侧设置 4 支。将现场供给的压缩空气接入喷枪接口，对稀释混合后的脱硝剂进行雾化并喷入锅炉当中与烟气迅速混合与反应。

3.2 应用效果
梅钢热电厂锅炉采用生物钙脱硝技术，脱硝效果显著，净化烟气中的 NOx 排放浓度稳定在 50mg/Nm3 以下（见图3），符合当前的环保标准要求，为梅钢实现全流程超低排放奠定了基础。

改造后锅炉烟气中的 NOx 排放浓度曲线

4 结语
生物钙烟气脱硝技术（B-SNCR），采用无氨生物脱硝方式，绿色环保、无氨运行，从源头上避免了氨逃逸及其不良影响，不存在液氨储存的安全问题。且当锅炉低负荷运行时，烟气也能够实现超低排放，是一种高效实用环保的新型脱硝技术。

梅钢热电厂锅炉烟气经 BSNCR 脱硝系统改造后，达到《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》的要求，即 NOx 浓度≤ 50mg/Nm3。NOx 年排放量减少 1376t，且无固废、废水、废液产生，具有明显的社会环境效益。

参考文献
[1] 牛磊 , 邓毅 . 生物质锅炉烟气脱硝工艺技术研究 [J]. 现代化工 ,2021, 41(1):5.
[2] 郝江涛 , 王鸿飞 , 张新月 . 生物质再燃脱硝在垃圾焚烧电厂的应用分析 [J]. 科技与创新 , 2021,(3):5.

作者简介
黄美华（1985-）,女,江苏泰兴人,工程师,从事环保管理工作。
韩加友（1972-）,山东单县人,高级工程师、环保技术首x i工程师,从事环保技术管理工作。

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