浅谈烟气脱硝在余热锅炉上的应用

周 萍

（江苏科行环保科技有限公司，江苏 盐城 224051）

引言

随着中国经济的日益发展，中国已成为能源消耗和排污大国之一，主要能源燃煤燃烧后会产生二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和颗粒物等多种污染物。这些污染物会在地球外表层形成温室效应、酸雨，破坏了地球的保护层——臭氧层，以及地球的生态循环链等。在这些污染物中，氮氧化物（NOx）对以上三种危害都有影响作用，所以脱氮是目前重要的环保工作之一。

近年来，随着国家节能减排力度的加大，特别是“十二五”期间，国家对各项排放指标都作了明确和更严格的要求。工业和信息化部明确提出要求，到2015年我国单位工业增加值氮氧化物（NOx）的排放量要比“十一五”末降低10%以上。各种针对工业窑炉的节能减排技术也纷纷发展应用。

余热锅炉及其烟气脱硝设备是一种可以实现减排的先进技术。现一般大型的工业窑炉、锅炉，如果其烟气不作后期利用，就要直接对锅炉配套烟气氮氧化物脱除（烟气脱硝）设备。有些对后续烟气还要进行余热利用的工业窑炉，一般要在余热利用中或等到余热利用完后再进行烟气治理。这些工业窑炉的后续余热利用设备统称为余热锅炉。余热锅炉由于受到其本身结构差异的影响，其烟气脱硝设备的结构也各有不同，但是主体工艺结构变化不大。

1 余热锅炉烟气脱硝工艺

1.1 余热锅炉的工作原理

余热锅炉是利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量，把水加热到一定温度工质的锅炉，高温烟气先进入炉膛，再进入前烟箱的余热回收装置，接着进入烟火管，最后进入后烟箱烟道内的余热回收装置，高温烟气变成低温烟气后排出。

1.2 余热锅炉脱硝工艺类型

由于余热锅炉的种类多样，一般都是由各种工业窑炉直接排入到余热锅炉，进入炉内的烟气温度区间也各不相同，所以在对其进行烟气脱硝设备的设计时，需要考虑的因素和所配备的工艺设备也有所区别。现有的脱硝设备种类也很多，主要分湿法和干法两大类。由于湿法脱硝存在投资较高、设备及工艺过程较复杂、效率一般、会产生大量的废水和需要二次处理的废弃物等诸多不利因素，所以通常提倡用干法脱硝。本文就目前常用的干法脱硝方法作重点介绍。

各种冶炼炉和焙烧窑的排烟温度为650℃～1250℃，这种烟气温度比较高的锅炉，可以采取在炉子的前端（800℃～1100℃温度段）配置选择性非催化氧化还原法（Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR），其工作原理是将含有NHx基的还原剂（一般是氨、尿素或其他氨基）喷入炉膛温度为800℃～1100℃这一狭窄的温度范围，在没用任何催化剂的情况下，还原剂NHx迅速热解成NH3并与烟气中的NOx进行反应，使NOx还原成N2和H2O。而且，NH3具有选择性，只与NOx发生反应，基本上不与O2发生作用。SNCR脱硝工艺的NOx脱除效率主要取决于反应温度、NH3与NOx的化学计量比、混合程度及反应时间等，其中它的温度控制是关键因素。若温度过低，NH3的反应不完全，容易使NH3的逃逸较多；温度过高，NH3会容易被氧化为NO，抵消了NH3的脱除效果。一般设计合理的SNCR工艺系统的脱硝效率能达到25%～50%。SNCR脱硝工艺的优点是不需要专用的催化剂，投资较少，但是目前此种方法的应用数量并不多，主要是因为其脱硝效率较低，还原剂和运载介质（空气）的消耗量较大，氨的逃逸量相对较大，其与烟气中的三氧化硫（SO3）反应后生成(NH4)2SO4和NH4HSO4，会腐蚀和堵塞炉内下游的空气预热器、省煤器等设备。

当余热锅炉烟气脱硝要求比较高时，可以考虑使用选择性催化氧化还原法（Selective Catalytic Reduction,SCR），该方法的原理是指在还原剂（NH3）和催化剂（铁、钒、铬、钴或钼等金属氧化物）的作用下，在200℃～450℃的温度区间内将NOx还原为N2和H2O。在使用此种脱硝方法时，由于烟气中含有SO2、尘粒和水雾，对催化反应和催化剂都有一些不利影响，故利用此法脱硝时最好首先对烟气进行除尘和脱硫（有些以天然气为燃料的烟气中的二氧化硫SO2含量较低，无需脱硫），或者选用不易受烟气污染和腐蚀等影响，同时又具有一定活性和耐高温的催化剂，如以二氧化钛为基体的金属氧化物催化剂，其最佳反应温度为320℃～420℃。目前SCR法脱硝技术已趋于成熟，其优点是：脱硝效率高（可以达到80%以上）、反应温度低、运行可靠；其缺点是投资和运行费用较大、催化剂易中毒，须定期更换。SCR技术和SNCR技术两种脱硝方法的对比见下表。

烟气干法脱硝技术综合比较表

2 余热锅炉烟气脱硝工艺的发展

以前的余热锅炉脱硝工艺中，余热锅炉和SCR脱硝设备是分开相对独立的两个设备，一般是将余热锅炉的烟气出口与脱硝装置进口烟道用机械阀门及管道相连，如图1所示。由于余热锅炉中的含尘烟气经过锅炉的余热利用后，除了会沉降一部分灰尘以外还会使烟气温度也大幅下降，一般余热锅炉的出口温度为200℃左右。从余热锅炉出来的烟气被送入除尘器除尘后，接着送入脱硝设备。而此时为保证脱硝反应区的温度能在合适的温度区间（300℃～420℃），使进入脱硝反应器的烟气温度达到要求，就需要给烟气再加热，通常在脱硝装置的进口烟道中设置一个烟气加热装置；待烟气经过脱硝反应后，为避免高温烟气对空气的热污染，又要对烟气进行降温处理，又在脱硝反应器烟道出口处再设置一个烟气冷却器，这样才能使脱硝顺利进行。这样，在脱硝装置中设置的加热器和冷却装置会加大额外的能耗和投资，不利于节能环保，同时也增加了企业的运营成本。

图1 旧式余热锅炉脱硝工艺

随着脱硝技术的发展，现在已开发出了更节能的余热锅炉烟气SCR脱硝工艺（见图2）。在高温烟气进入余热锅炉并流经过热器等装置后，温度降到约320℃～420℃时，在锅炉侧面开一个烟道接口，将烟气引出来进行除尘脱硝处理。由于此时烟气温度还比较高，所以选用高温电除尘器。除尘后将烟气送去SCR脱硝设备（高温电除尘和脱硝设备也要都进行保温处理，以保证烟气温度不降），待其脱硝后再将烟气通过锅炉另一个侧面开的烟气入口送入到余热锅炉里继续进行余热利用，等烟气温度下降到合适的排烟温度（120℃～180℃）时，再将烟气通过烟囱排入大气。工业炉窑用的余热锅炉，一般利用引风机将废气排往大气；动力机械和化工生产过程用的余热锅炉，则依靠进气自身的压力使之通过余热锅炉，并排往大气或进入下一道工艺装置。因此余热锅炉脱硝工艺既省去了烟气加热和降温的装置，又能使设备结构更紧凑，从而实现了节能减排的目标。

图2 近期常用的余热锅炉除尘脱硝工艺

3 工程案例

吴江南玻玻璃有限公司天然气浮法玻璃烟气脱硝项目，是国内第一个玻璃行业烟气脱硝项目，项目中包括一条600t/d和一条900t/d特种浮法玻璃生产线、余热发电及烟气除尘脱硝装置。该项目采用高温除尘+SCR脱硝方式，目前已成功运营，168h调试运行实测结果为：电收尘器出口粉尘浓度4～7mg/Nm3（合同要求≤50mg/Nm3），NOx入口浓度1950～2150mg/Nm，脱硝效率70%～92%（合同要求68%～70%），氨逃逸0～1.7ppm（合同要求＜3ppm）。该项目是中国玻璃行业第一个烟气脱硝项目，开启了国内浮法玻璃窑炉脱硝序幕。

4 结语

现有的脱硝技术研发及市场空间都很大，其设备的机械结构及其工艺性还需进一步改进完善。尤其是余热锅炉烟气脱硝设备占地面积比较大、系统工艺不够完善等。今后可通过优化结构、完善工艺，重点研发SCR烟气脱硝中的催化剂选型、喷氨系统及氨氮均匀混合系统等核心技术，使烟气脱硝技术更先进，更经济。

段传和，夏怀祥.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M].北京：北京电力出版社，2009.