鐘學進 姜樹偉
摘要:炭素行業(yè)煅燒爐出口煙氣的NOx濃度大多處于超標排放的狀態(tài),須進行脫硝處理。常用的SCR脫硝技術效率較高,但投資較大,占地大,不是目前排放標準下煅燒爐煙氣中NOx處理的最佳選擇。相比較而言,效率稍低、投資更省、運行維護更簡單、在電力行業(yè)廣為使用的SNCR脫硝技術是一種較為合理的處理工藝。本文通過一個在炭素煅燒系統(tǒng)實際應用的改良SNCR脫硝技術實例,簡要介紹該工藝的原理、特點及運行效果。
關鍵詞:炭素;煅燒;SNCR;環(huán)保
引言
隨著我國生態(tài)文明建設的持續(xù)推進,各行業(yè)都陸續(xù)出臺細化了污染物治理要求及排放標準,標準中陸續(xù)增加了特殊時間及特定時段的污染物特別排放值限制,且特別限值有常態(tài)化趨勢。《鋁工業(yè)污染物排放標準》(GB25465-2010)及2014修改單中對鋁用炭素廠石油焦煅燒爐顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放標準進行了規(guī)定,分別為:10mg/Nm3、100mg/Nm3、100mg/Nm3。
目前石油焦煅燒爐出口NOx的排放濃度大部分在100~150 mg/Nm3這個范圍(少部分高濃度達到200 mg/Nm3以上),須進行必要的脫硝處理后才能滿足NOx濃度排放的要求。根據(jù)煅燒爐的特點、現(xiàn)場設備布置及脫硝效率要求不高的特點,采用SNCR脫硝工藝是目前煅燒爐煙氣脫硝的優(yōu)先方案,該工藝廣泛應用于燃煤鍋爐及工業(yè)窯爐中的煙氣脫硝。
多年來,我司對已運行煅燒爐煙氣參數(shù)的數(shù)據(jù)進行收集分析,建立有自己的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)炭素煙氣數(shù)據(jù)庫的有關參數(shù)的對比分析,對常規(guī)的SCR和SNCR脫硝技術進行針對性優(yōu)化改良,能更好的適用于煅燒爐煙氣脫硝工藝。在某500kt/y炭素廠進行了改良型SNCR技術的實際工程應用, NOx排放濃度脫硝前為100~140mg/Nm3,脫硝后降為45~60mg/Nm3,脫硝效率達到50%以上,脫硝效果明顯,系統(tǒng)穩(wěn)定,應用很成功。
1. SNCR脫硝主要原理
選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術是把含有NHx基的還原劑(如氨氣、氨水或者尿素等)噴入到煙氣溫度為800℃~1100℃的區(qū)域,使該還原劑中分解出的NH3與煙氣中的NOx進行反應而生成無污染的N2和H2O,從而達到脫除NOx的效果。
NHx基還原NOx的化學反應方程式主要為:
影響SNCR脫硝技術的關鍵是還原劑噴入點處的煙氣溫度即所謂的“溫度窗口”。一般認為理想的“溫度窗口”為800℃~1100℃,其隨著加入還原劑類型的不同而變化;“溫度窗口”會升高或降低,會變寬或收窄。
SNCR脫硝反應在低于“溫度窗口”時NH3的還原反應發(fā)生速率降低,脫硝效率下降,氨逃逸增大。在高于“溫度窗口”時,NH3的氧化反應速率增大,NH3被氧化并生成NO,達不到脫除NOx的效果,還有可能造成NOx排放濃度升高。
SNCR脫硝反應是NH3的還原與氧化反應相互競爭、共同作用的結(jié)果。所以,合適 “溫度窗口”的選擇,是SNCR脫硝技術成功應用的關鍵。
2.SNCR系統(tǒng)在炭素行業(yè)的改良
2.1 溫度窗的選擇
炭素煅燒爐出口匯總煙道煙溫一般在900-1050℃,部分老爐子因漏焦等原因煙道內(nèi)再次燃燒情況時有發(fā)生,其溫度可到1150℃以上。而煅燒爐煙道內(nèi)的溫度分布受到爐況、排焦時間、焦種等多種因素的影響,最佳“溫度窗口”位置會隨之而移動。
根據(jù)煅燒爐燃燒特性、運行經(jīng)驗及現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型分析,煅燒爐最佳的“溫度窗口”通常出現(xiàn)在末級火道與高溫余熱鍋爐之間的匯總聯(lián)通煙道內(nèi),需選擇在此處合適位置加入還原劑。
2.2 還原劑停留時間的確定
一般認為還原劑NH3在 “溫度窗口”處達到0.3 s~0.4 s以上的停留時間可以達到較好的脫除NOx的效果。
炭素廠建成時間一般較早,設備布置緊張,煅燒爐出口匯總煙道到余熱鍋爐的聯(lián)通煙道普遍很短,且不存在類似循環(huán)流化床鍋爐的煙氣返混現(xiàn)象,因此絕大部分煙氣脫硝的還原劑在此處的停留時間都達不到0.3s。為彌補時間上的不足,需進行還原劑加入點及加入方式的優(yōu)化。
2.3 還原劑加入方式
通常情況下,SNCR采用直接噴入液體或固體還原劑,即以氣液或氣固的雙相反應方式,在足夠長的反應空間內(nèi)完成NOx的還原反應。但受限于2.2的原因,該方式在煅燒爐上不宜直接采用。為確保反應的充分,需要加大原煙氣與還原劑的混合均勻度,以實現(xiàn)快速均勻反應的需要。為此,我們進行了加入方式的優(yōu)化:
1)通過有關模擬及相應的數(shù)據(jù)分析,設計了獨特的噴入格柵,選擇了一種特定的噴槍,以確保加入還原劑后能在加入斷面處快速均勻分布。
2)還原劑經(jīng)過加熱、蒸發(fā)成氣態(tài),在脫硝區(qū)域進行氣氣反應,盡可能增加反應進行需要的時間。
3.工程實際應用
某500kt/y炭素廠建有多臺32罐煅燒爐,每臺煅燒爐后配置1臺余熱鍋爐進行余熱回收利用。余熱鍋爐入口煙氣溫度850~1100℃,各煅燒爐煙氣匯總后直接進余熱鍋爐,余熱鍋爐入口的聯(lián)通煙道長度約3m。NOx排放濃度在脫硝前為100~140mg/Nm3,采用20%濃度的氨水作為脫硝還原劑,保證脫硝效率不低于50%。
根據(jù)本煅燒爐的特點,其末級火道出口的匯總段煙道長約20m,連接余熱鍋爐和旁路煙道兩個出口。與余熱鍋爐的聯(lián)通煙道只有約3m長,且設置有1臺插板門,此處煙氣壓力約-180Pa,煙氣溫度約850~1050℃。根據(jù)計算機模擬計算,還原劑加入點設置在煅燒爐末級火道出口的匯總煙道上,每臺煅燒爐需要設置4個還原劑噴入點以保證煅燒爐煙氣不低于50%的脫硝效率。
根據(jù)計算,1臺32罐煅燒爐使用20%氨水的消耗量約8.5kg/h(約9L/h),如按照常規(guī)的SNCR工藝,直接噴射稀釋后的氨水,每支雙流體噴槍液體最小流量20L/h計算,則至少需要增加約71L/h工藝水,至少60m3/h的壓縮空氣。這樣的工藝增加了煙氣中的含水量,同時由于氨水消耗量非常小,負荷波動需要調(diào)整是時,不利于調(diào)節(jié)閥的選型與流量的精確控制,增加了運行操作的難度,降低了系統(tǒng)的安全可靠性。
根據(jù)以上問題,我司另辟蹊徑,摸索出一套新的SNCR脫硝方法,避免了上述問題的發(fā)生。
我司采用在SCR脫硝工藝中常用的氨水蒸發(fā)器的方法,將濃度為20%的氨水蒸發(fā)產(chǎn)生氨/蒸汽混合氣,再將混合氣與經(jīng)過加熱后的200℃的熱風混合,生成含氨量小于3%的氨/空氣混合物,再利用噴槍將氨/空氣混合物加入到對應的煙道噴入點中參與脫硝反應。這樣既不增加還原劑噴入煙道中水的含量,同時稀釋了還原劑的濃度,增大了系統(tǒng)控制的還原劑的流量。這樣設備選型,控制操作等就可以按照常規(guī)的SNCR脫硝技術進行,增加了系統(tǒng)運行的可靠性。
目前,經(jīng)過一年多的運行,該脫硝裝置運行正常,出口NOx濃度控制在45~60 mg/Nm3,優(yōu)于設計值,出口氨逃逸小于8ppm。具體數(shù)據(jù)見下圖。
4.改良型SNCR脫硝技術的優(yōu)點
通過工程實踐,本改良型選擇性非催化還原技術(SNCR)具有以下優(yōu)點:
1)系統(tǒng)簡單:不需要改變現(xiàn)有煅燒爐及余熱鍋爐的設備設置,而只需在現(xiàn)有的煅燒爐廠房的基礎上增加還原劑的存儲、制備分配裝置及其噴入裝置即可,且還原劑存儲及制備裝置占地較小。非常適用于目前占地緊張的煅燒爐廠區(qū)的脫硝改造工程。
2)投資省:相對于SCR脫硝的催化劑及反應器裝置的高昂造價,SNCR總投資約為SCR脫硝的1/3~1/2;同時還不需要改造現(xiàn)有余熱鍋爐。
3)阻力小:基本上不增加現(xiàn)有煙風系統(tǒng)阻力及風量,不需要對現(xiàn)有風機進行改造。
4)不積灰:由于在煙道中不增加設備,不用擔心出現(xiàn)SCR脫硝工藝中催化劑等設備經(jīng)常積灰而影響裝置穩(wěn)定運行的情況。
5)對余熱鍋爐影響低:通過還原劑加入方式的合理優(yōu)化設計,保證了其正常的利用率,大大延緩了其他方法因過量加入還原劑生成NH4HSO3、(NH4)2SO4導致余熱鍋爐積灰腐蝕的現(xiàn)象。
6)系統(tǒng)穩(wěn)定:對于一般炭素行業(yè)煅燒爐,可以穩(wěn)定達到目前執(zhí)行的NOx排放濃度小于100 mg/Nm3的環(huán)保標準。
7)施工簡單:不需要停爐改造,工期短,一般2個月內(nèi)即可改造完成。
5.總結(jié)
本改良型SNCR脫硝工藝從炭素煅燒爐實際特點出發(fā),集合了SNCR脫硝工藝系統(tǒng)簡單、投資少、占地少、性能可靠的特點,在炭素行業(yè)煅燒爐中進行了成功的應用,穩(wěn)定達到目前執(zhí)行的NOx排放濃度小于100 mg/Nm3的環(huán)保標準,是一種經(jīng)濟、實用、可靠的脫硝技術。
參考文獻:
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