吳紅忠

(焦作(煤業(yè))集團開元化工有限責(zé)任公司，河南 焦作 454191)

焦作(煤業(yè))集團開元化工有限責(zé)任公司(以下簡稱“開元化工”)20萬t/a離子膜燒堿項目在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生5 700萬 m3/a氫氣，其中574萬m3/a氫氣用于6萬t/a合成高純鹽酸，實際剩余氫氣量達到5 126萬m3/a，折算為6 408 m3/h。大量富余氫氣放空以后，造成巨大的資源浪費，因此開元化工在2013年建設(shè)燃?xì)湔羝仩t項目和氫氣液化充裝項目，回收利用氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量生成蒸汽，剩余的氫氣全部液化充裝到罐內(nèi)銷售，既解決了生產(chǎn)上需要蒸汽的要求，又可有效利用副產(chǎn)排空氫氣，節(jié)能減排、回收增效、降低生產(chǎn)成本，為開元化工的生產(chǎn)經(jīng)營創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。

但由于近幾年來國家對環(huán)境治理的力度日趨嚴(yán)格，企業(yè)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級。原氫氣鍋爐不能運行，大量富余氫氣直接排空，氫氣資源嚴(yán)重浪費。開元化工通過對燃?xì)溴仩t尾氣排放技術(shù)進行改造，使尾氣排放達到國家要求標(biāo)準(zhǔn)，確保氫氣鍋爐正常運行，為企業(yè)持續(xù)節(jié)能、減排、增效提供了新的方法。

1 燃?xì)溴仩t工藝流程

由氫氣處理工序分配臺輸出的氫氣，通過管道進入預(yù)冷器、冷卻器、過濾器進行預(yù)處理，處理后的氫氣通過阻火器送至氫氣鍋爐底部的燃燒器進口燃燒，產(chǎn)生的熱量加熱鍋爐內(nèi)列管中的除氧水(除氧水通過給水泵加壓送入鍋爐頂?shù)念A(yù)熱器內(nèi)，利用煙道內(nèi)尾氣的熱量先預(yù)熱，再進入鍋爐內(nèi)列管中)，產(chǎn)生的合格蒸汽通過鍋爐頂部的爐外汽水分離器，進入分配臺后分配送至廠區(qū)低壓蒸氣管網(wǎng)[1]，供氯堿生產(chǎn)、保溫、生活等崗位使用。燃?xì)溴仩t工藝流程如圖1所示。

圖1 氫氣鍋爐工藝流程圖Fig.1 Process flow of hydrogen-fired boiler

2 氫氣鍋爐的優(yōu)勢及存在問題

2.1 氫氣鍋爐的優(yōu)勢

(1)充分利用副產(chǎn)排空氫氣來生產(chǎn)蒸汽，有效解決了能源浪費問題和生產(chǎn)中需要的蒸汽問題，不但能夠回收排放的氫氣資源，減少污染環(huán)境和大量氫氣放空存在危險源等矛盾，還能產(chǎn)出蒸汽，達到減排增效、降低生產(chǎn)成本的目的[2]。

(2)燃?xì)溴仩t技術(shù)成熟，整個系統(tǒng)設(shè)有全程監(jiān)控，多道安全保護報警裝置，設(shè)置超壓后的放空管道，設(shè)備運行穩(wěn)定、操作安全可靠，同時設(shè)備運行由設(shè)定的程序自動控制，也可根據(jù)具體情況手動控制，對生產(chǎn)工藝上的壓力穩(wěn)定不會產(chǎn)生影響。

(3)燃燒副產(chǎn)氫氣制取蒸汽屬于清潔環(huán)保、減排增效、節(jié)能降耗的項目。

(4)符合國家節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策，屬于國家推廣項目。

(5)該項目對生產(chǎn)過程中副產(chǎn)氫氣的企業(yè)來說具有巨大的經(jīng)濟效益，其社會效益與環(huán)保效益十分可觀。

2.2 存在的問題

由于國家環(huán)保監(jiān)管越來越嚴(yán)格，氫氣鍋爐尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級，燃?xì)溴仩t尾氣中氮氧化合物排放標(biāo)準(zhǔn)由原設(shè)計的低于200 mg/m3直接下降到低于30 mg/m3，導(dǎo)致現(xiàn)燃?xì)溴仩t不能適應(yīng)環(huán)保要求，在2019年4月停運。這就造成燃?xì)湔羝仩t使用的2 375 m3/h氫氣直接排空處理，浪費了清潔能源，既給公司造成了經(jīng)濟損失，又存在易燃易爆的危險。1 m3氫氣按利潤0.50元計算，每年將損失950萬元。

對此開元化工根據(jù)實際情況，采取引進燃?xì)湔羝仩t尾氣處理技術(shù)，將排空尾氣中氮氧化合物排放含量有效控制在低于30 mg/m3的國家新標(biāo)準(zhǔn)，不但符合國家環(huán)保政策，而且可以全面回收排空氫氣，為天元化工節(jié)能、減排及增效作出了新的舉措。

3 燃?xì)溴仩t尾氣排放技術(shù)優(yōu)化方案及工藝原理

3.1 優(yōu)化方案

開元化工通過引進一種脫除氫氣鍋爐排空尾氣中氮氧化合物的處理工藝，不改變現(xiàn)有氫氣鍋爐流程，通過在煙道中增加1套SCR脫硝裝置，有效將尾氣中氮氧化合物含量控制到少于30 mg/m3的國家新標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，確保燃?xì)溴仩t繼續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)運行。

3.2 優(yōu)化工藝原理

在尿素配制罐中加入定量純水，開啟蒸汽將純水升溫到60～80 ℃，通過加料口將定量尿素慢慢加入配制罐，蓋好頂蓋，開啟攪拌，配制出合格的尿素溶液，通過計量泵將尿素溶液定流量送入熱解器，尿素溶液在熱解器內(nèi)熱解成氨氣，送入脫硝塔內(nèi)與煙氣中的NOx進行脫硝反應(yīng)，使尾氣中氮氧化合物含量由低于200 mg/m3直接下降到30 mg/m3以下，有效實現(xiàn)大幅度降低尾氣中氮氧化物含量的目的。

該工藝以20%尿素溶液為還原劑，在催化劑的作用下，使尾氣中的氮氧化物與其反應(yīng)，生成氮氣和水。

3.3 優(yōu)化后氫氣鍋爐工藝流程

優(yōu)化后氫氣鍋爐工藝流程圖見圖2。

圖2 優(yōu)化后氫氣鍋爐工藝流程圖Fig.2 Improved process flow of hydrogen-fired boiler

3.4 優(yōu)化工藝前后運行分析指標(biāo)對比

處理前尾氣排放指標(biāo)如表1所示。

表1 處理前尾氣排放指標(biāo)Table 1 Tail gas emission indexes before improvement

處理后尾氣排放指標(biāo)如表2所示。

表2 處理后尾氣排放指標(biāo)Table 2 Tail gas emission indexes after improvement

3.5 優(yōu)化方案的特點

(1)該方案采用目前國內(nèi)成熟先進、安全可靠的技術(shù)。設(shè)計科學(xué)合理，造價更經(jīng)濟。

(2)設(shè)備利用率高，運行周期長，維修費用少；操作簡單，觀察、監(jiān)視、維修維護方便。

(3)能適應(yīng)機組的各種負(fù)荷變化和啟停次數(shù)的要求，對鍋爐負(fù)荷和鍋爐運行方式?jīng)]有任何干擾，能夠在煙氣排放濃度為最小值和最大值之間正常運行。

(4)能夠滿足整個燃?xì)溴仩t系統(tǒng)在各種工況下自動運行的要求，系統(tǒng)的啟動、正常運行監(jiān)控和事故處理實現(xiàn)完全自動化。

(5)所有設(shè)備與管道的布置設(shè)計，均考慮系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和運行工作的方便。

(6)該方案摒棄了傳統(tǒng)的氨氣制備工藝，采用SCR脫硝工藝，SCR脫硝反應(yīng)所需的氨來自尿素溶液。該方案可以避免氨區(qū)制備所帶來的氨氣泄漏、爆炸風(fēng)險，同時節(jié)約蒸汽消耗，減少維修量和更換閥門等的費用。

(7)本方案SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器后，布置形式合理、簡潔、緊湊，系統(tǒng)阻力低，引風(fēng)機電耗較低，能降低運行費用。

4 SCR系統(tǒng)構(gòu)造及組成

4.1 SCR系統(tǒng)構(gòu)造

SCR系統(tǒng)包括反應(yīng)器系統(tǒng)(反應(yīng)器本體、煙道系統(tǒng)、催化劑等)、電氣系統(tǒng)和儀表控制系統(tǒng)。

4.2 SCR系統(tǒng)組成

(1)SCR系統(tǒng)由反應(yīng)器本體，靜態(tài)混合器、導(dǎo)流板、整流板、催化劑、煙道等組成。

(2)反應(yīng)器系統(tǒng)包括反應(yīng)器本體、煙道系統(tǒng)、催化劑等。

4.3 催化劑的設(shè)計要求

(1)本方案采用防堵塞和防中毒的蜂窩式催化劑。

(2)催化劑能滿足煙氣溫度400 ℃的情況下長期運行，同時應(yīng)能承受運行溫度420 ℃而不產(chǎn)生任何損壞。

(3)在達到要求的脫硝效率同時能有效防止鍋爐飛灰在催化劑中發(fā)生粘污、堵塞及中毒現(xiàn)象發(fā)生。

(4)催化劑化學(xué)壽命大于40 000 h運行時間。

(5)催化劑應(yīng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。催化劑各層模塊應(yīng)規(guī)格統(tǒng)一、具有互換性以減少更換催化劑的時間。

(6)模塊采用碳鋼結(jié)構(gòu)框架，并要求焊接、密封完好，且便于運輸、安裝、起吊。

這兩臺機組均為1000 MWe壓水堆，分別于1973年6月和1976年4月首次并網(wǎng)發(fā)電，根據(jù)最初的運行許可證可分別運行至2013年和2015年。運營商安特吉核運營公司(Entergy Nuclear Operations)2007年4月提交這兩臺機組的運行許可證換發(fā)申請。鑒于安特吉在最初許可證到期前5年就提交了申請，因此，盡管當(dāng)時沒有正式批準(zhǔn)這兩臺機組延壽，核管會允許這兩臺機組在最初的運行許可證失效后繼續(xù)在“及時換發(fā)”(timely renewal)的模式下運行。

(7)單臺鍋爐SCR系統(tǒng)需要蜂窩型催化劑1.3 m3，2+1層布置，反應(yīng)器橫截面積1.2 m2，催化劑層間高度2.65 m。單層催化劑阻力180 Pa，總阻600 Pa。

4.4 儀表和控制系統(tǒng)設(shè)計要求

(1)本次脫硝改造控制系統(tǒng)采用獨立的PLC控制與就地控制方式，控制室設(shè)一個操作員站，并設(shè)立就地控制系統(tǒng)。

(2)該系統(tǒng)能夠滿足整個脫硝系統(tǒng)設(shè)備安全、經(jīng)濟運行和監(jiān)視、控制、經(jīng)濟核算的要求，并滿足國家和國際相關(guān)規(guī)范、安全、先進、完整的儀表和控制系統(tǒng)。

(3)能實現(xiàn)以上位機顯示器及PLC操作員站顯示器為中心對脫硝系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制。實現(xiàn)自動對有關(guān)參數(shù)進行掃描和數(shù)據(jù)處理；參數(shù)越限時自動報警；根據(jù)人工指令自動完成各局部工藝系統(tǒng)或輔機的程序啟停。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異?；蚴鹿蕰r，通過保護、聯(lián)鎖或人工干預(yù)，使系統(tǒng)能在安全工況下運行或停機。

5 設(shè)備一覽表

設(shè)備一覽表如表3所示。

表3 設(shè)備一覽表Table 3 Equipment list

6 投資估算及效益分析

6.1 投資估算

(1) 引進一套尾氣吸收裝置(包括除硝塔本體及安全附件、儀表、自動化控制等設(shè)備及運輸安裝調(diào)試及土建費用)造價約為100 萬元。

(2)項目建設(shè)期:3個月。

6.2 效益分析

本次引進燃?xì)溴仩t尾氣改造項目總投入為100萬元，如果按照外購蒸汽185元/t，每年運行時間按8 000 h，每小時產(chǎn)蒸汽按9 t計算。

則每年減排創(chuàng)效計算如下：

8 000×185×9=1 332(萬元/a)。

每噸蒸汽生產(chǎn)成本按28元計算，

1 t蒸汽可節(jié)約費用：185-28=157(元)。

1年可減排創(chuàng)效：

157×8 000×9=1 130萬(元)。

7 結(jié)論

開元化工通過引進排放尾氣除氮氧化物項目，將停置燃?xì)溴仩t繼續(xù)投用到生產(chǎn)中，將富余排空的清潔能源氫氣重新利用、全面回收，從而提高了氫氣利用率，更大地提高它的經(jīng)濟價值。此舉不但持續(xù)增加企業(yè)的經(jīng)濟效益，有效降低生產(chǎn)成本，同時為公司的清潔環(huán)保、減排增效開辟出了新的路線。