冶金企业燃气锅炉脱硫脱硝工艺优化研究

冶金企业燃气锅炉脱硫脱硝工艺优化研究

孙冰冰 刘志

唐山中厚板材有限公司   河北唐山  063000

摘要：燃气锅炉烟气采用钠基SDS干法脱硫+SCR选择性催化脱硝工艺有效处理，核算脱硫脱硝系统运行成本较高。结合现场实际及运行效果剖析，SCR脱硝系统在煤气质量波动时，在增加脱硝剂尿素投入量仍有部分时间易造成氮氧化物排放超标，需降低生产负荷保障系统外排氮氧化物达标排放。在当前环保形式及经营情况下，亟需提高脱硫系统反应率及脱硝效率，在保障达标排放的基础上，实现污染因子精准控制，脱硫脱硝系统精细化达标运行。

关键词：脱硫脱硝   环保排放   工艺改造

烟气中存在的大量 ＳＯ ２ 和 ＮＯ ｘ 是形成酸雨和雾霾的主要污染物。为了落实当前环保生产的基本国策，对烟气进行脱硫脱硝除尘处理已成为各大钢铁企业的当务之急。目前国内外常用烟气脱硫技术有很多，按照脱硫方式和产物形态的不同，烟气脱硫技术可分为湿法、半干法、干法三大类。湿法脱硫代表性的有以ＮａＯＨ 为脱硫剂的美国贝尔格（ Ｂｅｌｃｏ ）公司的 ＥＤＶ工艺；半干法和干法脱硫工艺则多用钙基脱硫剂，半干法的代表工艺有德国鲁奇公司（ Ｌｕｒｇｉ ）的循环流化床工艺，干法的代表工艺有炉内喷钙加尾部增湿活化器脱硫工艺（ ＬＩＦＡＣ ）。烟气脱硝技术总体也分为干法和湿法两大类。干法脱硝技术有选择性催化还原法 （ ＳＣＲ ）、选择性非催化还原法 （ＳＮＣＲ ）、等离子体法以及吸附法。主要的湿法脱硝技术包括碱液吸收法、氧化吸收法、还原吸收法等。为减少燃气锅炉烟气中ＳＯ ２ 和 ＮＯ ｘ 等污染物的排放，满足国家环保要求，更好地改善大气环境质量，我公司率先在实际工程中应用了较为先进的“ＳＤＳ干法脱硫＋中低温ＳＣＲ脱硝加布袋除尘”工艺技术。锅炉脱硫脱硝系统外排污染物颗粒物、二氧化硫、氮氧化物分别低于5mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3的指标范围，并且能够按政府临时管控要求控制指标至5mg/Nm3、15mg/Nm3、25mg/Nm3，满足政府管控要求。

１　 工艺原理及流程

１．１　ＳＤＳ干法脱硫工艺原理

２０世纪８０年代，比利时开发出了ＳＤＳ干法脱硫喷射技术。通过高效的ＳＤＳ干法脱硫喷射及均布装置，脱硫剂（粒度为２０～２５ μ ｍ ）在烟道内被热激活，比表面积迅速增大，与烟气充分接触，发生物理、化 学 反 应，烟 气 中 的 ＳＯ ２ 等 酸 性 物 质 被 吸 收净化。

完成的主要化学反应见式（１ ）和式（ ２ ）：

２ＮａＨＣＯ ３ ＋ＳＯ ２ ＋１ ／ ２Ｏ ２ →Ｎａ ２ ＳＯ ４ ＋２ＣＯ ２ ＋Ｈ ２ Ｏ（１ ）

２ＮａＨＣＯ ３ ＋ＳＯ ３ →Ｎａ ２ ＳＯ ４ ＋２ＣＯ ２ ＋Ｈ ２ Ｏ （ ２ ）

与其他酸性物质（如 ＨＣｌ 、 ＨＦ等）的反应见式（３ ）和式（ ４ ）：

ＮａＨＣＯ ３ ＋ＨＣｌ→ＮａＣｌ＋ＣＯ ２ ＋Ｈ ２ Ｏ（３ ）

ＮａＨＣＯ ３ ＋ＨＦ→ＮａＦ＋ＣＯ ２ ＋Ｈ ２ Ｏ（４ ）

ＳＤＳ脱硫工艺具有操作简单易维护、一次性投资少、占地面积小、运行成本低、全干系统无需用水、脱硫效率高等特点，并且该工艺具有良好的调节特性，脱硫装置的运行及停运不影响锅炉的连续运行，脱硫系统的负荷范围与锅炉负荷范围相协调，可以保证脱硫系统可靠和稳定地连续运行。

１．２　ＳＣＲ 脱硝工艺原理

选择性催化还原（ ＳＣＲ ）法如图 １ 所示，即在装有催化剂的反应器内用氨作为还原剂来脱除氮氧化物。烟气中的 ＮＯｘ 一般由体积分数约为９５％的ＮＯ和５％的 ＮＯ ２ 组成。 ＮＯ ｘ 经脱硝反应转化成分子态的氮气和水蒸气。

图 １　ＳＣＲ 脱硝工艺示意图

ＳＣＲ工艺主要反应方程式见式（５ ）和式（ ６ ）：

４ＮＨ ３ ＋４ＮＯ＋Ｏ ２ →４Ｎ ２ ＋６Ｈ ２ Ｏ（５ ）

４ＮＨ ３ ＋２ＮＯ ２ ＋Ｏ ２ →３Ｎ ２ ＋６Ｈ ２ Ｏ（６ ）

由于烟道烟气属于中温脱硝范畴，所以ＳＣＲ工艺采用中温脱硝催化剂，该催化剂具有催化反应温度窗口宽、ＳＯ ２ 转化率和 ＮＨ ３ 逃逸率低、脱除效率高、比表面积大、结构强度高、寿命长等特点。

１．３　 工艺流程

烟气分别由锅炉内受热面过热器及再热器后，经过一级省煤器后进入脱硝空间，脱销空间内布置喷氨格栅及两层催化剂，尿素经热解后产生的氨气通过喷氨格栅均布进入烟气，在催化剂的催化作用下进行脱硝，烟气中的 ＮＯ ｘ 与ＳＣＲ反应器内喷氨格栅喷出的 ＮＨ ３ 在静态混合器里进行充分混合，并在中温催化剂的作用下与 ＮＨ ３ 发生反应，生成Ｎ ２和 Ｈ２ Ｏ ，从而达到去除烟气中的 ＮＯ ｘ 的目的，烟气继续向后进入低温省煤器及空气预热器，在空气预热器烟道内，通过高效的ＳＤＳ干法脱酸喷射及均布装置，使脱硫剂与锅炉烟气充分接触，发生物理、化学反应，烟气中的ＳＯ ２ 等酸性物质被吸收净化。经吸收ＳＯ ２ 等酸性物质并干燥的含粉料烟气进入布袋除尘器进行进一步的脱硫反应及烟尘净化净烟气由引风机排放至烟囱。

2、技术内容及效果

优化SDS工艺流程，将现有空预器上方喷药改为煤气加热器后方喷药，避免了喷吹的脱硫剂对空气预热器的堵塞现象，造成空预器出力不足，影响锅炉效率，并利用锅炉烟气对脱硫药剂小苏打进行加热以满足其反应温度。

优化SCR工艺流程，将现有从空气预热器出口的热风对尿素加热，改为利用锅炉炉膛出口热烟气进行尿素加热，并通过电加热器再次提温，保证尿素充分热解产生氨气。

控制SCR脱硝工艺氨氮比，氨氮比控制在1.2-1.5之间，在确保氮氧化物脱除率最大效果的同时，降低氨逃逸。

脱硫剂消耗降低，在脱硫喷吹后烟道内增加双旋流装置，增加脱硫剂与烟气的混合程度，脱硫副产物中碳酸氢钠含量由25-27%降低至15%以内，日节省脱硫剂消耗用量约1吨，初步估算年可节约脱硫剂成本及副产物处置成本160万元。

脱硝热解炉一次风温度由目前180℃提高至230℃，热解炉进口温度由380℃提高至450℃，确保尿素充分热解并减少热解炉后管道堵塞问题，避免由于脱硝系统堵塞造成停机事故

3脱硫系统运行中的改造

3.1对脱硫剂喷吹位置进行改造

根据碳酸氢钠脱硫剂反应温度在150℃时为最佳的前提条件，通过对尾部烟道烟气温度进行检测，调整脱硫剂喷吹位置，将喷吹位置改至煤气加热器后，避免对前部省煤器、空气预热器、煤气加热器造成积灰影响。

3.2增加热风在循环系统

为保证喷吹点改变后脱硫效果，增加热风再循环系统。将空气预热器出口热风引至送风机入口位置，提高进入空气预热器的空气温度，减小空气预热器换热前后的烟气温差，提高锅炉低负荷时，脱硫剂反应区烟气温度至最佳反应温度，提高脱硫剂的利用效率及对烟气中二氧化硫含量的控制能力。

3.3增设氮气扰流喷嘴

在烟道上升弯前直管烟道侧面底部位置开孔加入高压氮气喷嘴，增加尾部烟气的扰动，且助力烟气带走副产物，同时提高上升弯前管道负压，提高烟气流速，减少副产物积存，提高烟道整体流通性，实现炉膛负压可控。从烟道侧面，距底部20cm位置，开孔加入高压氮气吹灰喷嘴，在烟道内部每一根吹灰管道分成两支喷嘴，喷嘴布置方式为斜45°向下并沿气流方向向后，此种布置充分实现了吹灰效果及避免喷嘴堵塞，并充分利用了烟气流速带走灰分进入后部除尘器进行脱除处理。喷嘴后烟道底部开孔DN300，并下接短节连接手动闸阀，作为烟道检查孔，此孔也可作为事故卸灰口使用。沿烟道布置的喷嘴分别设置手动球阀一套、电磁阀及程控装置一套，可设置定期定时开启，也可利用手动开启吹灰模式。吹灰主管前设置氮气稳压罐一套，确保稳定氮气压力，达到良好的吹灰效果。

1-6吹灰喷嘴           7手动控制阀门         8电磁阀及程控装置                 9检查及事故卸灰口     10检查闸阀            11储气稳压罐

图2 燃气锅炉脱硫烟道在线吹灰装置的工艺流程图

图3喷吹喷嘴及固定装置的立体图

3.4增设双旋流装置

在新增氮气喷吹点之前烟道内增加双旋流装置，增加脱硫剂与烟气的接触面积及反应距离，提高反应效果，降低脱硫剂消耗。                                                                                                                                              

4、结语

ＳＤＳ干法脱硫＋中温 ＳＣＲ 脱硝除尘工艺技术在公司投用以来，设备运行稳定，锅炉烟气净化效果好。烟气中的污染物组分显著降低，均达到国家相关排放标准。该工艺技术得到了企业和当地环保部门的肯定，同时也为燃气锅炉的污染物治理提供了可借鉴方案和经验。

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作者简介：

第一作者：孙冰冰，女，内蒙古呼伦贝尔人，1982.10生人，高级工程师，本科，研究方向：钢铁企业环保管理。

第二作者：刘志，男，河北定州人，1985.4生人，高级工程师，本科，研究方向：钢铁动力系统生产技术管理。