改良型SNCR脱硝技术在炭素煅烧炉中的应用

2020-01-07钟学进姜树伟

中国应急管理科学 2020年1期

关键词：环保

钟学进姜树伟

摘要：炭素行业煅烧炉出口烟气的NOx浓度大多处于超标排放的状态，须进行脱硝处理。常用的SCR脱硝技术效率较高，但投资较大，占地大，不是目前排放标准下煅烧炉烟气中NOx处理的最佳选择。相比较而言，效率稍低、投资更省、运行维护更简单、在电力行业广为使用的SNCR脱硝技术是一种较为合理的处理工艺。本文通过一个在炭素煅烧系统实际应用的改良SNCR脱硝技术实例，简要介绍该工艺的原理、特点及运行效果。

关键词：炭素;煅烧;SNCR;环保

引言

随着我国生态文明建设的持续推进，各行业都陆续出台细化了污染物治理要求及排放标准，标准中陆续增加了特殊时间及特定时段的污染物特别排放值限制，且特别限值有常态化趋势。《铝工业污染物排放标准》（GB25465-2010）及2014修改单中对铝用炭素厂石油焦煅烧炉颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放标准进行了规定，分别为：10mg/Nm3、100mg/Nm3、100mg/Nm3。

目前石油焦煅烧炉出口NOx的排放浓度大部分在100～150 mg/Nm3这个范围（少部分高浓度达到200 mg/Nm3以上），须进行必要的脱硝处理后才能满足NOx浓度排放的要求。根据煅烧炉的特点、现场设备布置及脱硝效率要求不高的特点，采用SNCR脱硝工艺是目前煅烧炉烟气脱硝的优先方案，该工艺广泛应用于燃煤锅炉及工业窑炉中的烟气脱硝。

多年来，我司对已运行煅烧炉烟气参数的数据进行收集分析，建立有自己的数据库。根据炭素烟气数据库的有关参数的对比分析，对常规的SCR和SNCR脱硝技术进行针对性优化改良，能更好的适用于煅烧炉烟气脱硝工艺。在某500kt/y炭素厂进行了改良型SNCR技术的实际工程应用， NOx排放浓度脱硝前为100～140mg/Nm3，脱硝后降为45～60mg/Nm3，脱硝效率达到50%以上，脱硝效果明显，系统稳定，应用很成功。

1. SNCR脱硝主要原理

选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术是把含有NHx基的还原剂（如氨气、氨水或者尿素等）喷入到烟气温度为800℃～1100℃的区域，使该还原剂中分解出的NH3与烟气中的NOx进行反应而生成无污染的N2和H2O，从而达到脱除NOx的效果。

NHx基还原NOx的化学反应方程式主要为：

影响SNCR脱硝技术的关键是还原剂喷入点处的烟气温度即所谓的“温度窗口”。一般认为理想的“温度窗口”为800℃～1100℃，其随着加入还原剂类型的不同而变化;“温度窗口”会升高或降低，会变宽或收窄。

SNCR脱硝反应在低于“温度窗口”时NH3的还原反应发生速率降低，脱硝效率下降，氨逃逸增大。在高于“温度窗口”时，NH3的氧化反应速率增大，NH3被氧化并生成NO，达不到脱除NOx的效果，还有可能造成NOx排放浓度升高。

SNCR脱硝反应是NH3的还原与氧化反应相互竞争、共同作用的结果。所以，合适 “温度窗口”的选择，是SNCR脱硝技术成功应用的关键。

2.SNCR系统在炭素行业的改良

2.1 温度窗的选择

炭素煅烧炉出口汇总烟道烟温一般在900-1050℃，部分老炉子因漏焦等原因烟道内再次燃烧情况时有发生，其温度可到1150℃以上。而煅烧炉烟道内的温度分布受到炉况、排焦时间、焦种等多种因素的影响，最佳“温度窗口”位置会随之而移动。

根据煅烧炉燃烧特性、运行经验及现有数据模型分析，煅烧炉最佳的“温度窗口”通常出现在末级火道与高温余热锅炉之间的汇总联通烟道内，需选择在此处合适位置加入还原剂。

2.2 还原剂停留时间的确定

一般认为还原剂NH3在 “温度窗口”处达到0.3 s～0.4 s以上的停留时间可以达到较好的脱除NOx的效果。

炭素厂建成时间一般较早，设备布置紧张，煅烧炉出口汇总烟道到余热锅炉的联通烟道普遍很短，且不存在类似循环流化床锅炉的烟气返混现象，因此绝大部分烟气脱硝的还原剂在此处的停留时间都达不到0.3s。为弥补时间上的不足，需进行还原剂加入点及加入方式的优化。

2.3 还原剂加入方式

通常情况下，SNCR采用直接喷入液体或固体还原剂，即以气液或气固的双相反应方式，在足够长的反应空间内完成NOx的还原反应。但受限于2.2的原因，该方式在煅烧炉上不宜直接采用。为确保反应的充分，需要加大原烟气与还原剂的混合均匀度，以实现快速均匀反应的需要。为此，我们进行了加入方式的优化：

1）通过有关模拟及相应的数据分析，设计了独特的喷入格栅，选择了一种特定的喷枪，以确保加入还原剂后能在加入断面处快速均匀分布。

2）还原剂经過加热、蒸发成气态，在脱硝区域进行气气反应，尽可能增加反应进行需要的时间。

3.工程实际应用

某500kt/y炭素厂建有多台32罐煅烧炉，每台煅烧炉后配置1台余热锅炉进行余热回收利用。余热锅炉入口烟气温度850～1100℃，各煅烧炉烟气汇总后直接进余热锅炉，余热锅炉入口的联通烟道长度约3m。NOx排放浓度在脱硝前为100～140mg/Nm3，采用20%浓度的氨水作为脱硝还原剂，保证脱硝效率不低于50%。

根据本煅烧炉的特点，其末级火道出口的汇总段烟道长约20m，连接余热锅炉和旁路烟道两个出口。与余热锅炉的联通烟道只有约3m长，且设置有1台插板门，此处烟气压力约-180Pa，烟气温度约850～1050℃。根据计算机模拟计算，还原剂加入点设置在煅烧炉末级火道出口的汇总烟道上，每台煅烧炉需要设置4个还原剂喷入点以保证煅烧炉烟气不低于50%的脱硝效率。

根据计算，1台32罐煅烧炉使用20%氨水的消耗量约8.5kg/h（约9L/h），如按照常规的SNCR工艺，直接喷射稀释后的氨水，每支双流体喷枪液体最小流量20L/h计算，则至少需要增加约71L/h工艺水，至少60m3/h的压缩空气。这样的工艺增加了烟气中的含水量，同时由于氨水消耗量非常小，负荷波动需要调整是时，不利于调节阀的选型与流量的精确控制，增加了运行操作的难度，降低了系统的安全可靠性。

根据以上问题，我司另辟蹊径，摸索出一套新的SNCR脱硝方法，避免了上述问题的发生。

我司采用在SCR脱硝工艺中常用的氨水蒸发器的方法，将浓度为20%的氨水蒸发产生氨/蒸汽混合气，再将混合气与经过加热后的200℃的热风混合，生成含氨量小于3%的氨/空气混合物，再利用喷枪将氨/空气混合物加入到对应的烟道喷入点中参与脱硝反应。这样既不增加还原剂喷入烟道中水的含量，同时稀释了还原剂的浓度，增大了系统控制的还原剂的流量。这样设备选型，控制操作等就可以按照常规的SNCR脱硝技术进行，增加了系统运行的可靠性。

目前，经过一年多的运行，该脱硝装置运行正常，出口NOx浓度控制在45～60 mg/Nm3，优于设计值，出口氨逃逸小于8ppm。具体数据见下图。

4.改良型SNCR脱硝技术的优点

通过工程实践，本改良型选择性非催化还原技术（SNCR）具有以下优点：

1）系统简单：不需要改变现有煅烧炉及余热锅炉的设备设置，而只需在现有的煅烧炉厂房的基础上增加还原剂的存储、制备分配装置及其喷入装置即可，且还原剂存储及制备装置占地较小。非常适用于目前占地紧张的煅烧炉厂区的脱硝改造工程。

2）投资省：相对于SCR脱硝的催化剂及反应器装置的高昂造价，SNCR总投资约为SCR脱硝的1/3～1/2;同时还不需要改造现有余热锅炉。

3）阻力小：基本上不增加现有烟风系统阻力及风量，不需要对现有风机进行改造。

4）不积灰：由于在烟道中不增加设备，不用担心出现SCR脱硝工艺中催化剂等设备经常积灰而影响装置稳定运行的情况。

5）对余热锅炉影响低：通过还原剂加入方式的合理优化设计，保证了其正常的利用率，大大延缓了其他方法因过量加入还原剂生成NH4HSO3、（NH4）2SO4导致余热锅炉积灰腐蚀的现象。

6）系统稳定：对于一般炭素行业煅烧炉，可以稳定达到目前执行的NOx排放浓度小于100 mg/Nm3的环保标准。

7）施工简单：不需要停炉改造，工期短，一般2个月内即可改造完成。

5.总结

本改良型SNCR脫硝工艺从炭素煅烧炉实际特点出发，集合了SNCR脱硝工艺系统简单、投资少、占地少、性能可靠的特点，在炭素行业煅烧炉中进行了成功的应用，稳定达到目前执行的NOx排放浓度小于100 mg/Nm3的环保标准，是一种经济、实用、可靠的脱硝技术。