文 // 陳桂昌 河南神馬尼龍化工有限責(zé)任公司

1 前言

某大型化工公司熱電廠配置2臺(tái)75t/h 、1臺(tái)130t/h、1臺(tái)240t/h循環(huán)流化床鍋爐，1臺(tái)12MW汽輪發(fā)電機(jī)組，為全公司數(shù)套化工生產(chǎn)裝置供3種不同規(guī)格的蒸汽和部分電力。其中2臺(tái)75t/h、1臺(tái)240t/h鍋爐原始排放NOx濃度在200～350mg/Nm3（干態(tài)，6%氧氣），1臺(tái)130t/h鍋爐在現(xiàn)有的原始排放NOx濃度500～600mg/Nm3（干態(tài)，6%氧氣）。按照《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）規(guī)定：自2014年7月1日起，現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組，現(xiàn)有循環(huán)流化床火力發(fā)電鍋爐NOx排放值應(yīng)控制在200mg/Nm3以內(nèi)。因此進(jìn)行鍋爐脫硝技術(shù)應(yīng)用研究，選擇合適的脫硝技術(shù)實(shí)施改造已迫在眉睫。

2 鍋爐煙氣脫硝及氨水制備技術(shù)路線的選擇

2.1 鍋爐煙氣脫硝技術(shù)路線的選擇

在鍋爐脫硝技術(shù)的選擇上，通過(guò)對(duì)主要煙氣脫硝工藝技術(shù)進(jìn)行分析、比較、研究，根據(jù)不同的脫硝工藝技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐NOx排放的具體情況，確定采用適合循環(huán)流化床鍋爐的SNCR脫硝技術(shù)。

SNCR脫硝工藝技術(shù)原理是在爐膛或煙道合適溫度(850～1000℃)的位置噴入氨基還原劑（或尿素），無(wú)需催化劑，利用還原劑釋放出的NH3將煙氣中的NOx還原為無(wú)害的N2和H2O。因循環(huán)流化床鍋爐爐膛溫度較低，在850～900℃之間，燃燒生成的氮氧化物主要是燃料氮氧化物，一般在300mg/Nm3左右。循環(huán)流化床鍋爐采用SNCR脫硝技術(shù)即可獲得70%以上的脫硝效率，滿足NOx實(shí)際排放濃度低于100mg/Nm3的排放要求，且SNCR技術(shù)對(duì)爐內(nèi)工況基本無(wú)影響，并具有投資小，運(yùn)行成本低特點(diǎn)，非常適用于循環(huán)流化床鍋爐。

2.2 氨水制備技術(shù)路線的選擇

SNCR脫硝技術(shù)所用的還原劑一般為液氨、氨水和尿素等，在脫硝還原劑的選擇上，綜合考慮還原劑的儲(chǔ)存條件、儲(chǔ)存方式、制備過(guò)程中操作與控制、成本等因素，結(jié)合公司現(xiàn)有液氨儲(chǔ)存系統(tǒng)和管理經(jīng)驗(yàn)，及液氨稀釋技術(shù)的發(fā)展情況，確定脫硝劑使用20%濃度左右的氨水，并采用以超級(jí)吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統(tǒng)來(lái)制備。

2.2.1 傳統(tǒng)液氨制備氨水工藝技術(shù)

由于液氨與水生成氨水是一個(gè)放熱過(guò)程，放出的熱量會(huì)使液氨氣化，要產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，因此傳統(tǒng)的液氨制氨水工藝是先將液氨氣化，然后用強(qiáng)化器循環(huán)吸收制為氨水。

國(guó)內(nèi)大部分工業(yè)氨水生產(chǎn)裝置都是采用排管式換熱器，這種裝置不能一次性制備出合格氨水，需要2臺(tái)30kW左右的氨水泵，兩個(gè)大的氨水制備貯槽及大量的冷卻水，不斷進(jìn)行循環(huán)吸收，歷時(shí)2h才能制備出合格氨水。其特點(diǎn)為：生產(chǎn)出合格產(chǎn)品需要時(shí)間長(zhǎng)、電耗高、產(chǎn)量低、設(shè)備占地面積大，生產(chǎn)環(huán)境差。也有企業(yè)將排管式換熱器改為液氨蒸發(fā)器石墨降膜吸收塔，較之排管式換熱器有一定的改良，環(huán)境要好一點(diǎn)，但能耗大、冷卻水用量大、設(shè)備多，生產(chǎn)強(qiáng)度受水溫影響較大。

一部分生產(chǎn)量較少的裝置，采用多個(gè)可承壓貯槽串聯(lián)吸收液氨，各貯槽需要采用階梯型布置或槽之間串氨水泵，通入液氨，再進(jìn)行靜置降溫后使用。還有一部分氨水用量很少的氨水用戶，采用的是非常原始的方法，就是用水淋方式將液氨汽化，再直接通入軟水中或去離子水中吸收，該方法氨的損失較大。

圖1 超級(jí)吸氨器工作原理示意圖

以上傳統(tǒng)液氨制備氨水的工藝，或因?yàn)槭軠囟鹊南拗?，生產(chǎn)設(shè)備多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)且要占用相當(dāng)大的場(chǎng)地，設(shè)備故障率相對(duì)較很高，或系統(tǒng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，但氨損失均相當(dāng)嚴(yán)重，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)氣味很大，操作工人的身體易受到傷害。

2.2.2 以超級(jí)吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統(tǒng)技術(shù)

以超級(jí)吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統(tǒng)，其生產(chǎn)原理為：軟化水、液氨按比例進(jìn)入超級(jí)吸氨器，直接不循環(huán)吸收得到所需濃度的工業(yè)氨水。該系統(tǒng)不再需要循環(huán)制備增濃,單程即可制備濃度高達(dá)30%的氨水，可與SNCR脫硝主體工程的氨水輸送系統(tǒng)統(tǒng)一整體布置。

2.2.3. 超級(jí)吸氨器的工作原理

液氨稀釋系統(tǒng)的核心設(shè)備超級(jí)吸氨器，是一種超速反應(yīng)吸氨器，可以將液氨與工藝水按比例快速混合不循環(huán)吸收為用戶提供所需濃度的氨水，其工作原理見(jiàn)圖1。

超級(jí)吸氨器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為板式換熱器，材質(zhì)是不銹鋼的，本體為密閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)有隔板，將吸氨器本體隔為三個(gè)空間，并在隔板底部相連通，每個(gè)空間相當(dāng)于一個(gè)換熱器，每個(gè)換熱器均由數(shù)片波板組合而成，每個(gè)換熱器均有相互交錯(cuò)隔離的兩個(gè)流道，分別輸送兩種不同的換熱介質(zhì)。第3換熱器上端的吸氨器本體上設(shè)有脫鹽水進(jìn)口，在脫鹽水入口一端設(shè)有氨氣進(jìn)口、循環(huán)冷卻水出口，連接氨氣進(jìn)口設(shè)有帶孔的噴氨管和氨水分布器，便于氨水均勻分布進(jìn)入換熱器內(nèi)。成品氨水出口設(shè)置在第2換熱器上，第1換熱器設(shè)有液氨進(jìn)口和循環(huán)冷去水進(jìn)口。

液氨從設(shè)備液氨進(jìn)口進(jìn)入后，被均勻的分配到波紋板換熱器中，在換熱器中液氨與循環(huán)水換熱氣化，氣化后的氨通過(guò)入噴氨管與脫鹽水混合，并通過(guò)氨水分布器均勻地進(jìn)換熱器內(nèi)。超級(jí)吸氨器采用分布器多點(diǎn)注氨，形成多界面的高效混合過(guò)程，大大加快了液氨溶解的速度，提高氨水制備效率。為了達(dá)到更好注入效果，需要在氨水分布器的分配支管上適當(dāng)開(kāi)孔，這樣能有效保證混合效果。通過(guò)在設(shè)備進(jìn)水口設(shè)置脫鹽水調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)控制脫鹽水的流量，利用脫鹽水水流量調(diào)節(jié)配置不同濃度的氨水。液氨溶解于水的過(guò)程中將產(chǎn)生大量的熱量，用循環(huán)冷卻水將液氨溶解過(guò)程中產(chǎn)生的熱量移走，得到濃度30%以下的任何濃度合格的氨水。

超級(jí)吸氨器是一種既環(huán)保又節(jié)能的生產(chǎn)設(shè)備，其特點(diǎn)為：①混合的過(guò)程與移熱的過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，設(shè)備緊湊，體系溫度穩(wěn)定，氨水濃度控制靈活，不會(huì)出現(xiàn)超溫超壓現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行安全。②超級(jí)吸氨器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為板式換熱器，運(yùn)行安全可靠。③占地面積少，主體為1個(gè)長(zhǎng)、寬不到1m，高2m左右的箱體。

3 液氨稀釋系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 液氨稀釋系統(tǒng)規(guī)模及性能指標(biāo)的確定

4臺(tái)鍋爐采用SNCR脫硝技術(shù)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，則所需20%的氨水用量為800kg/h，考慮設(shè)計(jì)余量和運(yùn)行方式的靈活選擇，確定了液氨稀釋系統(tǒng)的處理能力為對(duì)350kg/h的液氨進(jìn)行稀釋，氨水生產(chǎn)能力為1.75t/h，液氨稀釋后的氨水濃度為20%，濃度波動(dòng)范圍為18%～22%。

3.2 液氨稀釋系統(tǒng)工藝流程優(yōu)化設(shè)計(jì)

自化學(xué)水裝置外供脫鹽水母管引出以DN32的管線作為液氨稀釋用水，經(jīng)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)控制流量送入超級(jí)吸氨器，液氨取自熱電裝置現(xiàn)有鍋爐給水加藥系統(tǒng)液氨管線，通過(guò)調(diào)節(jié)液氨調(diào)節(jié)閥減壓后的壓力間接控制液氨流量進(jìn)入超級(jí)吸氨器，與脫鹽水在超級(jí)吸氨器內(nèi)混配為所需濃度的工業(yè)氨水。配置好的氨水進(jìn)入鍋爐煙氣脫硝主體工程的氨水儲(chǔ)槽，通過(guò)氨水輸送系統(tǒng)供鍋爐脫硝使用。

圖2 液氨稀釋系統(tǒng)工藝流程示意圖

生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的由液氨帶來(lái)的少量不凝性氣體夾帶氨氣從氨水貯槽中排出，進(jìn)入尾氣凈化器由少量脫鹽水凈化回收其中的氨氣后排入大氣排放。凈化用脫鹽水來(lái)自鍋爐脫硝主體工程稀釋水泵出口管的分流支管。

液氨稀釋過(guò)程中放出大量的熱，需要冷卻循環(huán)系統(tǒng)降溫。循環(huán)冷卻水用水接自鍋爐風(fēng)機(jī)冷卻水母管，氨溶于水中放出的大量熱量被循環(huán)冷卻水帶出送涼水塔冷卻后循環(huán)使用。冷卻循環(huán)水的流量要求進(jìn)水溫度30℃左右，出水溫度不超過(guò)45℃。

為保證超級(jí)吸氨器的安全運(yùn)行和生產(chǎn)能力及運(yùn)行方式的靈活選擇，增設(shè)了氨水再循環(huán)系統(tǒng)，確保裝置在低負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行時(shí)超級(jí)吸氨器內(nèi)布水均勻。以超級(jí)吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖2。

以超級(jí)吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的氨水生產(chǎn)工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)無(wú)氨泄漏

由于液氨稀釋系統(tǒng)是一個(gè)完全封閉的系統(tǒng)，唯一出口是氨水儲(chǔ)槽的排氣孔（見(jiàn)圖2）。但吸氨器系統(tǒng)中的尾氣吸收器會(huì)對(duì)這里排出的含氨氣體進(jìn)行再次回收，保證排出的尾氣滿足國(guó)家廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)操作工人的身心健康及環(huán)境保護(hù)起到了很好的作用，而且由于沒(méi)有氨尾氣排放，也就沒(méi)有氨的損失，整個(gè)系統(tǒng)既環(huán)保又節(jié)能。

（2）可快速、安全生產(chǎn)氨水

由于超級(jí)吸氨器具有快速不循環(huán)制氨水的特性，并且超級(jí)吸氨器的氨水出口直通到氨水儲(chǔ)罐，而氨水儲(chǔ)罐通過(guò)尾氣吸收器與大氣相連，除液氨進(jìn)口需要0.15MPa以下的工藝壓力外，整個(gè)系統(tǒng)完全屬于低壓運(yùn)行，因此液氨稀釋系統(tǒng)不僅可快速生產(chǎn)氨水，且安全可靠。

3.3 液氨稀釋系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)控制方案

液氨稀釋系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)控制采用DCS系統(tǒng)在控制室操作，即可手動(dòng)操作，穩(wěn)定后又可投入自動(dòng)控制，并設(shè)有連鎖及控制功能。

系統(tǒng)設(shè)置主要監(jiān)控測(cè)點(diǎn)有：脫鹽水供水壓力和流量、液氨總管壓力及流量、減壓后液氨壓力、氨水溫度與密度及氨水濃度、氨水再循環(huán)流量。

系統(tǒng)連鎖及控制功能如下：①當(dāng)冷卻水出口溫度＞50℃時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警；當(dāng)冷卻水出口溫度＞55℃時(shí)，系統(tǒng)緊急停車(chē)。②當(dāng)冷卻水溫差大于15℃時(shí)報(bào)警；溫差小于5℃時(shí)報(bào)警。③當(dāng)氨水溫度＞30℃，系統(tǒng)報(bào)警；氨水溫度＞30℃＞35℃時(shí)，系統(tǒng)緊急停車(chē)。④液氨減壓后壓力大于0.3MPa時(shí)，系統(tǒng)緊急停車(chē)。⑤當(dāng)脫鹽水流量小于0.5m3時(shí)，系統(tǒng)緊急停車(chē)。⑥當(dāng)氨水儲(chǔ)罐液位高于2m時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警；高于2m時(shí)，系統(tǒng)緊急停車(chē)。⑦氨水濃度偏離規(guī)定值±1%時(shí)報(bào)警。

4 實(shí)施中的改進(jìn)措施及運(yùn)行效果分析

以超級(jí)吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統(tǒng)改造周期為兩周，主要包括土建、設(shè)備安裝、調(diào)試、投料試運(yùn)行。在試運(yùn)行過(guò)程中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，進(jìn)行了如下改進(jìn)及運(yùn)行分析：

（1）在循環(huán)水進(jìn)水管道上加設(shè)管道泵，以確保循環(huán)冷卻水的流量，控制循環(huán)水出水溫度在45℃以下，氨水溫度在25℃以下，以防超級(jí)吸氨器內(nèi)因超溫結(jié)垢。

（2）氨水濃度顯示由密度儀取值及氨水溫度取值，通過(guò)氨水密度表對(duì)應(yīng)顯示。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在線氨水濃度與人工分析成品氨水濃度相差較大，在線氨水濃度為10%～12%，而人工分析氨水則為18%～20%，經(jīng)過(guò)多次分析對(duì)比，并進(jìn)行密度儀、氨水溫度表的校對(duì)，以及對(duì)氨水密度表調(diào)整校核，實(shí)現(xiàn)了在線氨水濃度與人工分析氨水濃度差別穩(wěn)定在

（3）氨水出口閥須保持常開(kāi)，氨水出口到氨水儲(chǔ)罐及尾吸器、排氣口要保持暢通，防止系統(tǒng)憋壓，損壞設(shè)備。

（4）發(fā)生任何異常現(xiàn)象，首先關(guān)閉液氨氣動(dòng)球閥、液氨調(diào)節(jié)閥，10s后關(guān)閉脫鹽水。

（5）運(yùn)行過(guò)程中密切觀察脫鹽水、循環(huán)水運(yùn)行情況，包括流量、壓力、溫度，發(fā)現(xiàn)異常要立即關(guān)閉液氨閥門(mén)，待問(wèn)題處理后再開(kāi)機(jī)。

2015年年初經(jīng)過(guò)半個(gè)多月的調(diào)試及運(yùn)行，以超級(jí)吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統(tǒng)和SNCR鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)成功投用，所配置的氨水穩(wěn)定在18%～22%，煙氣NOx排放濃度小于100mg/Nm3，最低可達(dá)到26 mg/Nm3，滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB12145-89）最新環(huán)保要求，實(shí)現(xiàn)了達(dá)標(biāo)排放。

3號(hào)鍋爐由于原始NOx排放濃度略高導(dǎo)致脫硝成本顯著偏高，為了進(jìn)一步降低脫硝成本，目前正在進(jìn)行3號(hào)鍋爐降硝改造，即對(duì)現(xiàn)有鍋爐配風(fēng)系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，采用爐內(nèi)空氣分級(jí)燃燒、低溫燃燒等方法實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒，使鍋爐出口NOx濃度盡可能控制在300mg/Nm3以下，在保證鍋爐煙氣脫硝達(dá)標(biāo)排放和實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，盡可能降低脫硝成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

超級(jí)吸氨器在鍋爐脫硝改造中的成功應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)氨水制備系統(tǒng)不能快速制備不同濃度氨水、設(shè)備多、系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行操作繁瑣、占地面積大等的問(wèn)題。另外，超級(jí)吸氨器是一個(gè)能效高、反應(yīng)高效與換熱高效的設(shè)備，出口氨水溫度在不超負(fù)荷工作時(shí)可比冷卻水溫度低10～15℃，因此夏天氨水溫度可低于冷卻水溫度10℃以上，也就沒(méi)有在濃度高時(shí)的不斷蒸發(fā)損耗或無(wú)法制備高濃度氨水的問(wèn)題了。并且配套的尾氣吸收器，由于液氣比大，可將裝置唯一排放口氣體中的氨完全吸收干凈，經(jīng)尾器吸收后的水再作為鍋爐脫硝主體工程的稀釋水或超級(jí)吸氨器的吸收劑，從而無(wú)外排之慮，也就不存在傳統(tǒng)工藝的貯槽吞吐氨損失了。目前超級(jí)吸氨器單機(jī)每小時(shí)可吸收轉(zhuǎn)化0.38～10t/h（液氨量），因此在化工、鍋爐脫硫、脫硝改造等領(lǐng)域內(nèi)有很好的應(yīng)用前景。