炭黑尾气低氮燃烧烟气脱硝技术应用

黄建鹏

（中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018）

中策橡胶集团有限公司（以下简称“中策公司”）在富阳新登开发区的生产基地，主要产品为全钢子午线轮胎（500 万套/a），配套生产炭黑（10 万t/a），所生产炭黑用于轮胎生产，作为填充补强原材料，炭黑生产其实也是轮胎生产的一部分。

做好环境保护是企业重中之重，也是生存发展的必要条件。 炭黑制造属有机化工，炭黑生产过程中主要环保问题是炭黑尾气和干燥机废气处理，炭黑尾气经焚烧供热发电，焚烧后的烟气须进行处理后达标排放，干燥机废气与烟气成分差不多，污染物中二氧化硫质量浓度约1 mg/L，氮氧化物（NOX）质量浓度约0.7 mg/L，也须处理后达标排放。

近年来，因环保逐渐成为炭黑生产企业生存和发展的关键要素，各炭黑生产企业纷纷开展烟气脱硫脱硝技术处理课题研究，中策公司也在烟气治理上进行了不断探索。 经多年实践，脱硫技术已基本成熟，采用石灰石- 石膏法（大湿法）二氧化硫质量浓度可稳定控制在0.05 mg/L 以下，但脱硝仍是个难点。

目前中策公司2 台35 t/h尾气锅炉，采用选择性非催化剂还原（SNCR）法脱硝，脱硝效果40%～50%，NOX排放质量浓度低于老标准（≤0.4 mg/L），可达标排放，但存在氨逃逸现象，尾部受热面也发生积盐堵灰。 现在新标准要求氮氧化物质量浓度≤0.15 mg/L，为此，需研究开发新的脱硝方法。

1 主要脱硝技术的比较和选择

炭黑尾气锅炉的烟气和干燥机废气的成分与燃煤锅炉或天然气锅炉有很大区别，产生的NOX含量很高，烟气中水分含量大，对尾部设备的腐蚀也比较严重。

目前主要运用的脱硝技术有选择性催化还原（SCR）法、SNCR 法、低氮燃烧法和臭氧氧化法，其经济和技术对比见表1。

表1 主要脱硝技术经济和技术对比

经多方比较、研究分析和行业调研，决定采用低氮燃烧+SCR 法脱硝技术，低氮燃烧技术在尾气锅炉上的应用，可有效降低脱硝成本；SCR 脱硝技术的应用，可提高脱硝效率，脱除更多氮氧化物，确保烟气达标排放。 同时，相比SNCR 法，氨水用量可节约30%，也不会发生氨逃逸超标。

在新增的1 台备用尾气锅炉及炭黑干燥机废气处理上，采用低氮燃烧+SCR 法脱硝。 新锅炉投产后，对原有2 台锅炉逐台进行改造。

2 低氮燃烧+SCR 法脱硝技术介绍

2.1 低氮燃烧技术

2.1.1 低氮燃烧器

基本原理：空气与燃料充分均匀接触，避免局部过热，降低局部NOX生成量，通过控制参与燃烧的空气量，使燃烧区缺氧，燃料不充分燃烧，降低燃烧区温度，从而降低NOX。

炭黑尾气作为燃料，其主要特点是：热值低、不稳定且燃烧易脱火。 因此，其燃烧的稳定和安全是关健。 燃烧器采用内分级配风复合降氮型式，设置分级配风系统，在控制燃烧初期缺氧的状态下，保留足够的燃烧扰动力，使燃烧的稳定性、气氛得到更具操作性的控制，确保留出足够的还原燃烧时间，使已生成的NOX得到有效还原时间的同时，通过旋转对冲风系统使燃烧时间延长，燃烧的强度得到加强，燃烧效率得到有效保证。 经热态调试，控制各燃烧器及对冲风喷口的风的送入，做到燃料和空气的精准配比，既保证了喷口出口区域的适度缺氧高温燃烧，以实现充分燃烧和进一步提高NOX的还原率，又降低了NOX的排放。

低氮燃烧器主要针对炭黑尾气专门设计，由本体和附件（主气枪、火焰检测设备等）组成。

小学科学与其他学科最大的不同就是科学学科的知识与日常生活联系更紧密，且理论知识更加抽象。教师在开展教学活动时，要注重将教学内容与生活实际联系起来，从而点燃学生学习热情，促使科学学科教学更加趋向生活化。

为进一步降低NOX排放，引入对冲风作为燃烧器的二次配风。

2.1.2 空气分级燃烧

空气分段给入，使燃烧器前主燃区缺氧燃烧，严格控制缺氧时间，降低NOX生成量，在燃烧器上方温度下降后，再补入空气，作为燃尽风，使未燃成分充分燃烧，保证锅炉效率不受影响。

分级燃烧风量调节有一定配比，需根据锅炉不同工况及时进行调节。

2.1.3 烟气再循环

控制主燃区温度，降低NOX生成量，提高脱硝效率。

再循环烟气量要根据炉膛燃烧情况进行不断调节，再循环风机采用变频风机，烟道上加装调节挡板，对再循环烟气量实时进行调节。

再循环烟气量与原烟气量的比称为再循环率，一般再循环率上升，炉膛温度降低，NOX也下降，尾气锅炉烟气再循环率一般控制在10%～20%，根据锅炉的不同工况，炉膛温度进行调节，将NOX浓度控制在合理范围内。

2.2 SCR 脱硝技术

SCR 脱硝法就是选择性催化还原法，环保工程上用得很广泛，技术上也成熟，尤其在燃煤锅炉上用得最多，然而在尾气锅炉上用得不多，中策公司技术团队也有一些顾虑。 主要有以下问题：尾气锅炉烟气含水量大，是燃煤锅炉烟气的5 倍，烟气成分复杂，含较多有机物，造成催化剂容易中毒，失去催化还原反应效力。 另外，烟气中会带有一定炭黑等油性杂质粉尘，造成蜂窝状催化剂孔堵塞或覆盖，让催化剂失效，也阻止了烟气流通，会严重影响锅炉正常运行。

为解决应用SCR 法在尾气锅炉脱硝中遇到的问题，中策公司技术团队专门找了有研究能力的催化剂厂家，针对炭黑尾气锅炉烟气专门定制催化剂，保证催化剂的效果，防止中毒失效。

针对催化剂孔容易积灰和堵塞的问题，合理布置了蒸汽吹灰装置，并加大运行中吹灰频次，解决积灰和堵塞，保持烟气通畅。

因原SNCR 法建有氨水系统，因此，SCR 法采用氨水作还原剂，并利用原有系统。

SCR 法脱硝效率高于SNCR 法， 脱除率可达90%以上，根据环保排放要求，为保证脱硝效率，催化剂采用双层布置，每层9 个模块，整个系统采用DCS（分布式控制系统）控制，系统的启动、正常运行监控和事故处理实现自动化。

由于使用催化剂，相比SNCR 法，SCR 法的氨逃逸量少，既可节约氨水消耗，也可达到氨逃逸环保要求。

3 系统布置

在原来锅炉基础上，更换上低氮燃烧器，配置了再循环烟气系统和燃尽风系统，在锅炉的尾部，增加二级SCR 装置，为此拉高锅炉的总高度，催化剂前装有喷氨格栅，催化剂被安放在尾部竖井烟道内，省煤器前，烟气平行流经催化剂表面。 催化剂单元垂直布置，烟气自上向下流动。

脱硝装置前安装有烟气恒温调节装置，确保烟气温度在320～420 ℃，还设置混合箱，炭黑干燥机废气引入混合箱，与尾气锅炉烟气一起进行SCR 层脱硝后进入吸收塔脱硫。

4 运行情况总结

对低氮燃烧和SCR 脱硝进行了分步调试，原锅炉的NOX初始质量浓度约0.7 mg/L，投入低氮燃烧后，随着返流烟气的逐步加大，NOX降低，在不同负荷下，返流烟气15%～20%左右时，投入分级送风后，NOX质量浓度降至约0.35 mg/L，如再增加返流烟气，NOX还可降低，但炉膛温度也下降较大，引起燃烧不稳，锅炉出力也下降，因此不宜再增加返流烟气。在低氮燃烧稳定后，再投入SCR 脱硝，NOX质量浓度降至约0.08 mg/L，远低于排放标准（≤0.15 mg/L），氨气逃逸3×10-6，低于标准（≤10×10-6），氨水消耗量也比SNCR 节约30%，有效降低脱硝成本。

5 存在的问题和改进方法

由于炭黑尾气作为燃料的特殊性，低氮燃烧技术没有资料或实例可参考，调试过程也是不断摸索，尾气热值低，返流烟气过大，容易造成炉膛燃烧不稳，影响锅炉效率，太小又使低氮效果受影响，分级送风也一样影响炉膛燃烧，排烟温度也会不同程度上升，因此，需要勤调节，在低氮和效率之间找到最佳点。

SCR 法脱硝在尾气锅炉上应用，最大的问题是后部省煤器和空预器发生堵塞以及换热面积灰，为此，选用光管省煤器，间距也适当加大，并加大尾部受热面的布置，降低排烟温度，提高锅炉效率。

6 结语

低氮燃烧和SCR 脱硝技术常见于燃煤锅炉上的应用，中策公司将其用在炭黑尾气锅炉上，取得良好效果，相比其他脱硝方法，费用低，效率高，尽管还存在一些问题，需要进一步完善，但方法选择是正确的，技术上也是完全可行的，结果也是比较圆满的，中策公司将总结经验，优化方案并在老锅炉的改造上再实施。