謝倩

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司 福建廈門 361000）

0 引言

氮氧化物作為一種主要的大氣污染氣體，主要來源是不同燃料的燃燒［1］。依據(jù)生態(tài)環(huán)境部辦公廳2019年4月28日印發(fā)《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中規(guī)定，四川某鋼鐵廠燃氣鍋爐生產時排放的煙氣中NOx未達到超低排放（NOx值≤50 mg/Nm3）要求。目前市場上成熟且高效的脫硝技術主要有選擇性催化還原技術（SCR）、選擇性非催化還原技術（SNCR）、低氮燃燒技術（LNB）等，但是，僅用一種脫硝技術往往不能滿足NOx排放濃度≤50 mg/Nm3的要求。相關研究表明，LNB和SCR技術在燃氣鍋爐煙氣脫硝中的聯(lián)合應用，可顯著降低鍋爐燃燒的煙氣排放污染影響［2］，并能大大降低單獨采用SCR的運行費用［3］。從工藝成熟性、市場應用范圍、改造難度高低、環(huán)境影響和運行經濟性考慮，該廠最終確定采用LNB+SCR組合脫硝技術對鍋爐排放的煙氣進行治理。改造前鍋爐排煙NOx含量為480 mg/Nm3，改造后NOx含量≤45 mg/Nm3；氨的逃逸濃度≤2.5 mg/Nm3，脫硝效果顯著。因此，本文以該燃氣鍋爐脫硝改造工程為例，介紹聯(lián)合脫硝技術LNB+SCR在燃氣鍋爐中的應用情況以及工程實踐中的一些問題。

1 項目概述

本項目鍋爐產汽量為240 t/h，型號為CG-240/9.80-Q，以焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣為主，燃料結構可調，焦爐煤氣作為長明火運行。在全燒焦爐煤氣最大摻燒量等特殊情況下，鍋爐出口NOx排放濃度最高可達480 mg/Nm3（標態(tài)，干基，3% O2）。

本次脫硝改造選用低氮燃燒技術+選擇性催化還原法，并對燃燒器進行共增燒2萬Nm3/h焦爐煤氣使用能力的擴能改造。具體改造內容及目標為：①通過低氮燃燒改造，鍋爐煙氣NOx（SCR脫硝裝置入口）排放控制值≤350 mg/Nm3（標態(tài)，干基，3% O2）。②鍋爐燃燒器較現(xiàn)有實際能力共提高焦爐煤氣使用量2萬Nm3/h以上。③SCR按入口NOx濃度≤350 mg/Nm3（標態(tài)，干基，3% O2），出口 NOx 濃度≤45 mg/Nm3（標態(tài)，干基，3% O2），投運兩層催化劑層的脫硝效率≥87.15%設計。SCR系統(tǒng)采用體積濃度約20%的氨水作為還原劑，按照脫硝能力從350 mg/Nm3降低到45 mg/Nm3的情況下，20%氨水耗量不大于190 kg/h。改造前鍋爐初始參數(shù)見表1。

表1 原始鍋爐及燃燒器技術參數(shù)

2 工程應用情況

2.1 低氮燃燒改造

2.1.1 原始燃燒器及燃氣參數(shù)

氣體燃燒器是燃氣鍋爐的重要部件之一，它的主要功能是將鍋爐所用的各種燃料與熱空氣按一定比例，以一定方式送入爐膛進行燃燒，并在一定范圍內適應燃料摻燒比的變化。改造前所用氣體燃燒器是采用四角布置的直流燃燒器，同時采用多層布置，共6層噴口依次為轉爐煤氣—高爐煤氣—焦爐煤氣—轉爐煤氣—高爐煤氣—焦爐煤氣。

本次改造不僅需要更換燃燒器，針對不同燃氣的特性采用不同的燃燒器噴口，還需新增1層焦爐煤氣噴口，以實現(xiàn)2萬Nm3/h焦爐煤氣的擴能增燒。改造后燃料工況見表2。

表2 改造后燃氣配比 單位：Nm3／h

2.1.2 低氮燃燒改造技術方案

改造后的低氮燃燒器布置形式與原燃燒器一致，即采用四角切圓布置，切圓大小與原燃燒器設計一致。燃燒器需要整體重新設計、制造和撤除安裝，增加高位燃盡風系統(tǒng)，包括增加高位燃盡風熱風道、調節(jié)風門擋板及執(zhí)行機構。改造后低氮燃燒器自上而下共7層煤氣噴口，依次為焦爐煤氣—轉爐煤氣—高爐煤氣—焦爐煤氣—轉爐煤氣—高爐煤氣—焦爐煤氣，燃燒器改造后布置形式見圖1。

對于低熱值的高爐煤氣和轉爐煤氣噴口，均設置為旋流式燃燒器，使燃料和空氣能夠充分混合，強化燃燒，提高了鍋爐的低負荷能力，能夠有效保證鍋爐穩(wěn)定運行。

對于焦爐煤氣，因其燃燒溫度高（理論燃燒器溫度約2 000℃），且成分中含有焦油和NH3，而焦油中又含NOx，因此其燃燒產生的NOx既有燃料型又有熱力型。通過采用分級配風來控制氧氣濃度是降低燃料型NOx的重要手段。將焦爐煤噴口設置為微旋流式燃燒器，同時焦爐煤氣噴口送風形式由原單一送風改為分級送風，將二次風分為內環(huán)通道和外環(huán)通道的雙通道進風方式，二次風以一定比例分別進入內、外環(huán)通道，起到分級燃燒降低NOx的作用。

在距離原燃燒器最上層轉爐煤氣噴口約4.7 m處新增1層高位燃盡風噴口（SOFA），燃盡風引自二次風箱，且與主燃燒器保持相同切圓大小，高位燃盡風量約占鍋爐總空氣量的20%。SOFA風布置位置也充分考慮了不同燃料配比時燃燒器投運的層數(shù)。

2.1.3 改造后運行工況

本次燃燒器進行共增燒2萬m3/h焦爐煤氣使用能力的擴能改造，脫硝整體改造后運行了2種工況：

工況①：校核工況100%負荷，燃料熱值比為高爐煤氣∶焦爐煤氣∶轉爐煤氣＝0∶85∶15。

工況②：校核工況50%負荷，燃料熱值比為高爐煤氣∶焦爐煤氣∶轉爐煤氣＝0∶85∶15。

低氮燃燒改造后168期間運行數(shù)據(jù)如表3所示。

2.2 SCR改造

2.2.1 SCR改造技術方案

為滿足超低排放要求，本次改造在低氮燃燒改造的基礎上，采用SCR技術進一步降低NOx的排放濃度。SCR技術的核心在于催化劑，考慮到經濟成本，本項目采用常規(guī)催化劑，反應窗口溫度一般為300～420℃，因此，需將SCR反應器布置在鍋爐省煤器和空氣預熱器之間。因原鍋爐高溫省煤器和空預器之間高度不夠，脫硝反應器需設置在鍋爐外側，通過煙道將煙氣引入反應器，同時移位改造空氣預熱器，脫硝完煙氣通過煙道再引入下級空預器。通過CFD模擬來優(yōu)化導流板的設計，以取得最好可能性的煙氣流動分布和維持系統(tǒng)低的壓降。對本項目進出口煙道及反應器所進行的CFD模擬結果見圖2。

表3 改造前后鍋爐效率及排煙NOX濃度變化

另外，本次改造新建了1套還原劑制備與供應系統(tǒng)，采用高溫蒸發(fā)20%氨水的方式向SCR系統(tǒng)供應氨氣。

2.2.2 SCR系統(tǒng)工藝流程

氨水運輸車將氨水（體積濃度20%，成品外購）運至現(xiàn)場后，由氨水卸載泵輸送至氨水儲罐，再由氨水輸送泵將氨水儲罐中的氨水提升至SCR反應區(qū)。SCR反應區(qū)鋼架上安裝1套氨水蒸發(fā)系統(tǒng)，由氨水輸送泵輸送來的氨水經氮氣霧化后在氨水蒸發(fā)器內被蒸發(fā)，高溫稀釋風機抽取部分脫硝后的潔凈煙氣至氨水蒸發(fā)器，蒸發(fā)并稀釋后的氨氣/煙氣混合氣體經由布置在煙道內的噴氨格柵與煙氣進行均勻混合，并隨煙氣一起進入反應器，NH3于反應器內在催化劑的作用下與煙氣中的NOx進行反應，生成N2和H2O。

根據(jù)反應溫度和運行條件，催化劑選用釩鈦系催化劑中溫蜂窩式催化劑。催化劑層數(shù)按“2+1”配置，初期安裝2層、備用1層。由于項目場地受限，最終將SCR反應器的截面尺寸確定為：L×W=7990 mm×6145 mm，每層催化劑設置 6×8=48 個模塊，共初裝96個模塊。

2.2.3 SCR投入后運行效果

該鍋爐于2020年6月初完成SCR系統(tǒng)改造，在168期間，鍋爐運行校核工況滿負荷和校核工況50%負荷時，SCR投運后NOx濃度都能穩(wěn)定控制在平均45 mg/Nm3（標態(tài)，干基，3% O2）以下，LNB+SCR的綜合脫硝率大于90%，NH3逃逸濃度控制在2.5 mg/Nm3以內，SCR脫硝率≥85%，順利完成設計指標。

3 結論

低氮燃燒聯(lián)合SCR技術尤其適用于NOx初始濃度高、脫硝效率要求高的案例。這種聯(lián)合脫硝方式不僅能保障超凈排放，還能降低綜合運行成本，實現(xiàn)環(huán)境效益和經濟效益雙贏。值得一提的是，采用此聯(lián)合技術依然需要根據(jù)鍋爐的實際情況進行具體分析，在SCR反應區(qū)需設置在鍋爐外側的情況下，對系統(tǒng)的煙風阻力核算應有充足的把握。