含硫天然气净化厂动力锅炉氮氧化物减排研究

余松涛

摘 要：文章以中国石化西南石油公司及其净化分公司作为研究对象，对工厂内氮氧化物排放现状进行分析讨论，并提出一系列切实可行的减排技术及设备改造方案。这样，可以保证污染物排量大幅降低，实现高效保护生态环境的目标，达到降低企业投资概算的目的，并以此推动相关行业维持可持续化发展模式，促进社会经济进一步增长。

关键词：含硫天然气;动力锅炉;氮氧化物

中图分类号：TK16 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.011

氮氧化物是指由氮、氧元素组成的化合物，其本身存在一定程度的毒性，不仅会影响人体健康，还会严重破坏生态平衡，是酸雨与化学烟雾的重要组成成分[1]。因此，为了降低其破坏程度，亟需相关企业加强氮氧化物的防治、减排工作，从而保证生态稳定。若想保证减排措施更具有针对性，首先要对含硫天然气净化厂动力锅炉氮氧化物的排放情况进行深入了解。

1 含硫天然气净化厂动力锅炉氮氧化物排放现状

当前，西南油气净化公司动力站设有两台中压锅炉，采取一用一备的管理模式，保证最少有一台设备能够稳定运行。在正常使用过程中，单个中压炉平均负荷保持在50 T/H左右，如果在应急状态，比如暴雨或停工造成的蒸汽需求量大幅提升，此时锅炉负荷可达65 T/H。根据实际调查可知，当负荷在50 T/H时，氮氧化物的排放量大约在100 mg/m3～120 mg/m3;而在应急状态下，氮氧化物的排放量可达160 mg/m3以上，明显不符合污染防治方案中将氮氧化物浓度控制在50 mg/m3以下的要求。因此，净化公司需尽快开展污染整治项目，切实满足相关安全标准条例，消除对周边居民与环境的实际影响。

锅炉燃烧生成的氮氧化物量计算公式如下：

GNOX=1.63B（β·n+10-6Vy·CNOX）

在上述公式中，燃料燃烧生成的氮氧化合物由GNOX表示;煤或重油消耗量由B表示;氮在燃料中的含量由n表示;燃料生成的烟气量由Vy表示。

2 含硫天然气净化厂动力锅炉氮氧化物减排技术探究

当前，减少氮氧化物排放的工艺技术种类相对较多，依照燃烧前、燃烧中、燃烧后脱氮，基本可分为外烟气再循环燃烧技术、内烟气再循环燃烧技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、浓淡偏差燃烧技术、低氮氧化物旋流燃烧技术、无焰燃烧技术、选择性催化还原、SNCR、富氧燃烧技术等十种方法，文章将以其中最有效的烟气外循环与SCR两种方法进行深入讨论。

2.1 低氮燃烧器+烟气外循环

低氮燃烧器即是在以往的燃烧器中添加引风机、变频器，通过集成多个电路与控制阀，实现燃料与空气的分段式混合燃烧，以此避免燃烧当量比与实际理论出现误差，从而达到减少氮氧化物生成的目的。而烟气外循环是指在燃烧器外将燃烧后的尾部烟气输送到燃烧器入口完成与空气的充分混合，之后将混合后的气体与燃料进行二次燃烧，这样不仅能切实降低炉膛温度，还能减少锅炉内的氧含量，从而达到抑制热力型、快速型氮氧化物生成的目的，保证燃料被彻底燃尽。

其涉及的化学公式主要为：

N2+O=N+NO

O2+N=O+NO

N+OH=NO+H

该方法的优点在于操作步骤便捷，适用于改造项目与改造方式相对简易的工厂，能够与其他燃烧技术有效结合，最高可实现60%左右的降氮效果，但同时也存在燃烧稳定性相对较低、对锅炉效率造成一定影响的不足之处。

2.2 活性炭纤维法脱硝

活性炭纤维干法脱硝技术是利用液氨进行催化还原反应，处理烟气中的氮氧化物，这种方法可以将脱硝效率保持在70%左右，所需材料为活性炭和液氨。反应不产生废水废渣，系统运行简单，且运行成本较低。目前，此方法多用在电厂锅炉烟气、有色冶炼烟气等大中型工业锅炉厂。该技术按照10万千瓦的机组锅炉烟气计算，投资费用约需人民币3 500万元，年产硫酸3万吨以上。仅仅是在高硫煤电厂的脱酸，每年都可以减少约240吨的二氧化氮排放，并生产360吨的硫酸，产值可以达到数十亿元。此技术已经获得了国家发明专利，并被列入国家高新技术产业化项目指南。

2.3 SDA半干法脱硝

SDA半干法脱硝是利用碳酸钙（石灰石）作为脱硝剂，将雾化形态的碳酸钙浆液与烟气充分接触，进而吸收二氧化氮，同时副产物硫酸钙也快速干燥，随气流一同进入除尘器中进行处理。

脱硝后的烟气在经过升温之后进入低温SCR脱硝反应器，在催化剂的辅助下，生成水和氮气随烟气一同排出。此项技术的脱硝率在93%以上，所需材料为细生石灰石粉、低温SCR催化剂、液氨氨水、一定量的工艺水以及所需反应的高温度环境。产生物为硫酸钙等废渣固体和大量干态废渣。该技术需要各个工艺相互串联，流程相对复杂，系统容易被大量残渣堵塞、磨损。

在冬天，脱硝烟气的温度下降30 ℃～40 ℃后，增加了SCR脱硝烟气升温所需要的煤气量，同时半干法脱硝的副产物处理，现阶段并没有良好的解决方法，无害化处理成本较高。

2.4 氨法脱硝+臭氧氧化尿素還原脱硝

此项技术是利用氮氧化物和氨在常温下反应生成次硫酸氢氨，然后进一步氧化生成硫酸氢氨，进而对烟气中的氮氧化物进行处理。用臭氧氧化尿素还原法脱硝，首先利用臭氧将烟气中大量一氧化氮进行氧化，生成二氧化氮，之后在脱硝器皿中将两种物质和尿素溶液进行还原反应，生成的氮气和二氧化碳和水可直接进行排放。该技术操作室温度保持较低，不能满足动力锅炉设备的热要求，且处理方法对管道腐蚀效果较强，相比较于其他方法，可用性不强。

2.5 电子束辐射法烟气脱硝

电子束辐射法脱硝是一种脱硝技术的最新发展，通过二十多年的不断探索，经过不断优化，该技术已逐步走向工业化。其主要特点为：干式处理方法，不产生废水废渣;能同时脱硫脱硝，脱硫脱硝率较高，脱硫率在90%以上，脱硝率在80%以上;系统简单，操作方便，流程易于控制;产生废弃物为硫酸铵和硝酸铵混合物，可用作化肥。烟气经除尘后，在高温下进行反应。在烟气进入反应器之前，注入适量的氨气。

在反应器内，烟气受高能电子束照射，烟气中的氮气、氧气和水蒸气等发生輻射反应，生成大量的活性物质，它们将烟气中的二氧化硫和氮化物氧化为三氧化硫和二氧化氮。硫氧化物和氮氧化物与水蒸气发生化学反应生成雾状的硫酸和硝酸，再与反应器的氨反应，生成硫酸铵和硝酸铵。最后用静电除尘器收集气溶胶状的硫酸铵和硝酸铵，净化后的烟气可直接排放。该技术相比较于之前的几种脱硝方法较为新颖，实验数据较少，所需工艺步骤较为繁琐，脱硝效率相比较于SDA干法脱硝尚有差距，能否在后续中进一步广泛应用，还需更多的实验与研究。

2.6 软锰矿法烟气脱硝技术

二氧化锰是一种良好的脱硝剂，在水溶液中，二氧化锰与氮氧化物发生氧化还原反应，生成了硫酸锰。软锰矿法烟气脱硝法以此原理为核心，使用软锰矿浆液作为吸收剂，浆液与烟气中的二氧化氮进行充分接触吸收，生成工业硫酸锰。

软锰矿法烟气脱硝技术的脱硝率达到90%，产品硫酸锰达到工业硫酸锰要求标准。常规生产硫酸锰方法是将软锰矿粉与硫酸和硫精沙混合反应，将反应物净化得到硫酸锰。

由于我国的软锰矿品位不高，硫酸消耗量需要相对增高，成本支出占比也要相应加大。软锰矿法烟气脱硝技术原料软锰矿价格较低，每吨大约200元～300元，预计需要五年左右可收回成本。此项脱硝技术不但治理了动力锅炉污染物，处理了制酸废水，并且回收了硫酸锰产品，具有明显的社会环境和经济效益，具有极高的参考价值。

2.7 选择性催化还原

选择性催化还原又称SCR脱硝技术，是将氨气作为还原剂，将其喷入高温烟气催化设备当中，并在催化剂作用下，使其与氮氧化物进行还原脱除反应，形成氮气与水分子的技术，其可以无害化处理污染物。该方法所采用的催化剂为TIO2、还原剂为尿素，两者均属于无害化合物，并且反应过程中生成的SO3含量极低，不会对空气环境造成影响，而逃逸的氨气浓度低于3PPM，满足安全排放标准，具有较高的实用性[2]。

经过选择性催化还原处理后的氮氧化物含量基本低于5%，足以证明其良好的脱除效果。通过将此技术投入使用并进行实际调研分析可知：SCR脱硝系统占地面积约为8 m3左右;最大烟气处理量为13×100 NM3/H，能够保证年工作时长超过8 750小时;其催化剂床层体积约为60 m3，分为三层分布于烟道当中;在运行过程中所造成的压损值为1 500 Pa左右，脱氮效率基本维持在85%左右。

虽然根据上述数据反映，选择性催化还原的应用效果相对良好，但也存在以下问题：如净化公司锅炉的排烟温度通常为160 ℃左右，难以达到催化反应最低反应温度300 ℃的实际要求。虽然可通过将催化设备放置在省煤器前、增添补偿装置、更换低温催化剂等方法解决温度问题，但不免会产生限制烟道空间、占用过大的空间面积等不良后果。同时，在反应完成后还要切实考虑含盐废液的处理问题。

因此，该方法与低氮燃烧器+烟气外循环相比，虽然能够保证较高的脱氮率，且污染物产量较低，但在投资成本上相对高昂，且运行能耗偏大，维护、改造工作难度较高，往往会涉及土建的改动，需要研究人员进一步对其进行优化与创新，才能保证该技术得到有效推广[3]。

3 含硫天然气净化厂动力锅炉氮氧化物减排设备改造方案分析

3.1 改造锅炉结构

通过以上讨论可知，当前实用性最好的减排技术为低氮燃烧器+烟气外循环，其对相应的运行设备进行适当改造与更换，以此达到降低能源消耗、提高燃烧效率的目的。

首先，要进行锅炉参数与结构尺寸设计。同样以净化公司的两台中压锅炉作为分析对象，其型号可选择强制通风的D型炉，额定风量为75 T/H，蒸汽压力为1.25 MPa，蒸汽温度为250 ℃，给水温度为104 ℃，工况设计效率高于90%，负荷范围在25%～100%，炉膛尺寸为8×3.5×8.2，燃料为天然气。基于以上设计参数，能够保证中压锅炉的氮氧化物排放量低于50 mg/m3的排放要求。

其次，要对锅炉结构进行改造。改造内容大致分为：低氮燃烧器，需要将原有的燃烧器更换为具有深度燃料分级燃烧功能的低氮燃烧器，并保证设备喉口大小满足相应孔径要求，且耐火材料需要进行浇筑处理;烟气外循环改造，一是要增设风机，实现烟气的抽取、分离，通过循环烟道与换风机引入到鼓风装置，从而确保混合的充分进行并送入到炉膛内完成燃烧工作。二是烟道改造，即在风道添加空气混合箱，并设置导流板，用以强化烟气与空气的混合，同时每台燃烧器需配置风量调节系统，实现风量的精准把控。此外，为了避免烟道积液产生，还需在烟道混合段设置排凝点。

3.2 升级控制系统

控制系统的升级改造，需要实现根据锅炉蒸汽负荷大小完成燃烧过程的自动调节，以及依照蒸汽压力数值进行燃烧自动控制等两种运行模式。可通过在系统内添加控制位点信号的方式，实现系统的CCS功能，确保燃烧器系统在改造后能够满足中联锁、熄火安全时间、点火安全时间等要求。

3.3 优化电气使用

第一，电气改造范围需要遵从工艺改造资料的相关要求，将配电、防静电接地、照明灯改造项目划入到改造范围内，确保中压锅炉加设循环风机后，使电机的额定功率保持在75 kW左右。同时，要确保生产环境远离爆炸危险区，要求电气设备具有较高的防爆等级。

第二，要设计详细的供电方案。一是要明确供电电源，原有的380 V低压开关柜计算负荷需调整为1 005 kW，且变压器的负荷率要控制在40%左右。二是要制定供配电方案，供配电电压、配电电压应为110 KVAC，160 kW以上的电动机配电电压则为6 000 VAC。若功率低于160 kW，则配电电压为380 KVAC，且照明配电电压应为220 VAC。

第三，安装继电保护装置，在电机出线时需安装空气断路器，确保出现跳闸、短路时，能够保障电动机的安全性。同时，还要进行微机自动化处理，确保监控系统能够全面监察各项设备的运行状况。

第四，配电电缆应铺设在电缆桥架上，并确保电缆桥架沿管架安装，能够保持良好的稳定性，新增的照明设备则需应用照明配电箱的备用回路。

第五，要做好接地、防雷工作，在电气设备内均采用公共接地网，要求电阻值小于4Ω，且电气设备本身不附带金属外壳与框架，相应的装置入口处要设置防静电接地，防止静电现象对设备造成破坏。

第六，要做好节能措施，不仅要选用高效的节能电机，保证灯具皆为节能设备，所用电器均属于新型节能装置，还要合理设计配电线路，确保线路损耗降到最低。

第七，设计标准规范，要求相关改造内容满足建筑照明设计标准，低压配电设计规范，电热设备电力装置设计规范，电力装置的继电保护和自动装置设计规范，电力工程电缆设计标准，公共电网谐波电动机能效限定值及能效等级等实际要求。

4 结语

综上所述，笔者通过对含硫天然气净化厂动力锅炉氮氧化物排放现状进行分析讨论，阐述了当前应用相对广泛的低氮燃烧器+烟气外循环、选择性催化还原等减排技术，提出了改造锅炉结构、升级控制系统、优化电气使用等设备改造方案，从而确保污染物排量符合安全排放标准，切实保护工厂周边生态环境，推动相关企业进一步发展，实现经济效益的大幅增长。

参考文献

[1] 李国亮.氮氧化物对环境的危害及污染控制技术[J].山西化工，2019，39（5）：123-124，135.

[2] 毛洪钧，李悦宁，林应超.生物质锅炉氮氧化物排放控制技术研究进展[J].工程科学学报，2019，41（1）：1-11.

[3] 刁贝娣，曾克峰，苏攀达.中国工业氮氧化物排放的时空分布特征及驱动因素分析[J].资源科学，2019，38（9）：1768-1779.