燃氢锅炉尾气排放技术改造

吴红忠

(焦作(煤业)集团开元化工有限责任公司，河南 焦作 454191)

焦作(煤业)集团开元化工有限责任公司(以下简称“开元化工”)20万t/a离子膜烧碱项目在生产过程中产生5 700万 m3/a氢气，其中574万m3/a氢气用于6万t/a合成高纯盐酸，实际剩余氢气量达到5 126万m3/a，折算为6 408 m3/h。大量富余氢气放空以后，造成巨大的资源浪费，因此开元化工在2013年建设燃氢蒸汽锅炉项目和氢气液化充装项目，回收利用氢气燃烧产生的热量生成蒸汽，剩余的氢气全部液化充装到罐内销售，既解决了生产上需要蒸汽的要求，又可有效利用副产排空氢气，节能减排、回收增效、降低生产成本，为开元化工的生产经营创造了巨大的经济效益。

但由于近几年来国家对环境治理的力度日趋严格，企业尾气排放标准不断升级。原氢气锅炉不能运行，大量富余氢气直接排空，氢气资源严重浪费。开元化工通过对燃氢锅炉尾气排放技术进行改造，使尾气排放达到国家要求标准，确保氢气锅炉正常运行，为企业持续节能、减排、增效提供了新的方法。

1 燃氢锅炉工艺流程

由氢气处理工序分配台输出的氢气，通过管道进入预冷器、冷却器、过滤器进行预处理，处理后的氢气通过阻火器送至氢气锅炉底部的燃烧器进口燃烧，产生的热量加热锅炉内列管中的除氧水(除氧水通过给水泵加压送入锅炉顶的预热器内，利用烟道内尾气的热量先预热，再进入锅炉内列管中)，产生的合格蒸汽通过锅炉顶部的炉外汽水分离器，进入分配台后分配送至厂区低压蒸气管网[1]，供氯碱生产、保温、生活等岗位使用。燃氢锅炉工艺流程如图1所示。

图1 氢气锅炉工艺流程图Fig.1 Process flow of hydrogen-fired boiler

2 氢气锅炉的优势及存在问题

2.1 氢气锅炉的优势

(1)充分利用副产排空氢气来生产蒸汽，有效解决了能源浪费问题和生产中需要的蒸汽问题，不但能够回收排放的氢气资源，减少污染环境和大量氢气放空存在危险源等矛盾，还能产出蒸汽，达到减排增效、降低生产成本的目的[2]。

(2)燃氢锅炉技术成熟，整个系统设有全程监控，多道安全保护报警装置，设置超压后的放空管道，设备运行稳定、操作安全可靠，同时设备运行由设定的程序自动控制，也可根据具体情况手动控制，对生产工艺上的压力稳定不会产生影响。

(3)燃烧副产氢气制取蒸汽属于清洁环保、减排增效、节能降耗的项目。

(4)符合国家节能减排、绿色环保政策，属于国家推广项目。

(5)该项目对生产过程中副产氢气的企业来说具有巨大的经济效益，其社会效益与环保效益十分可观。

2.2 存在的问题

由于国家环保监管越来越严格，氢气锅炉尾气排放标准不断升级，燃氢锅炉尾气中氮氧化合物排放标准由原设计的低于200 mg/m3直接下降到低于30 mg/m3，导致现燃氢锅炉不能适应环保要求，在2019年4月停运。这就造成燃氢蒸汽锅炉使用的2 375 m3/h氢气直接排空处理，浪费了清洁能源，既给公司造成了经济损失，又存在易燃易爆的危险。1 m3氢气按利润0.50元计算，每年将损失950万元。

对此开元化工根据实际情况，采取引进燃氢蒸汽锅炉尾气处理技术，将排空尾气中氮氧化合物排放含量有效控制在低于30 mg/m3的国家新标准，不但符合国家环保政策，而且可以全面回收排空氢气，为天元化工节能、减排及增效作出了新的举措。

3 燃氢锅炉尾气排放技术优化方案及工艺原理

3.1 优化方案

开元化工通过引进一种脱除氢气锅炉排空尾气中氮氧化合物的处理工艺，不改变现有氢气锅炉流程，通过在烟道中增加1套SCR脱硝装置，有效将尾气中氮氧化合物含量控制到少于30 mg/m3的国家新标准以内，确保燃氢锅炉继续稳定生产运行。

3.2 优化工艺原理

在尿素配制罐中加入定量纯水，开启蒸汽将纯水升温到60～80 ℃，通过加料口将定量尿素慢慢加入配制罐，盖好顶盖，开启搅拌，配制出合格的尿素溶液，通过计量泵将尿素溶液定流量送入热解器，尿素溶液在热解器内热解成氨气，送入脱硝塔内与烟气中的NOx进行脱硝反应，使尾气中氮氧化合物含量由低于200 mg/m3直接下降到30 mg/m3以下，有效实现大幅度降低尾气中氮氧化物含量的目的。

该工艺以20%尿素溶液为还原剂，在催化剂的作用下，使尾气中的氮氧化物与其反应，生成氮气和水。

3.3 优化后氢气锅炉工艺流程

优化后氢气锅炉工艺流程图见图2。

图2 优化后氢气锅炉工艺流程图Fig.2 Improved process flow of hydrogen-fired boiler

3.4 优化工艺前后运行分析指标对比

处理前尾气排放指标如表1所示。

表1 处理前尾气排放指标Table 1 Tail gas emission indexes before improvement

处理后尾气排放指标如表2所示。

表2 处理后尾气排放指标Table 2 Tail gas emission indexes after improvement

3.5 优化方案的特点

(1)该方案采用目前国内成熟先进、安全可靠的技术。设计科学合理，造价更经济。

(2)设备利用率高，运行周期长，维修费用少；操作简单，观察、监视、维修维护方便。

(3)能适应机组的各种负荷变化和启停次数的要求，对锅炉负荷和锅炉运行方式没有任何干扰，能够在烟气排放浓度为最小值和最大值之间正常运行。

(4)能够满足整个燃氢锅炉系统在各种工况下自动运行的要求，系统的启动、正常运行监控和事故处理实现完全自动化。

(5)所有设备与管道的布置设计，均考虑系统功能的实现和运行工作的方便。

(6)该方案摒弃了传统的氨气制备工艺，采用SCR脱硝工艺，SCR脱硝反应所需的氨来自尿素溶液。该方案可以避免氨区制备所带来的氨气泄漏、爆炸风险，同时节约蒸汽消耗，减少维修量和更换阀门等的费用。

(7)本方案SCR反应器布置在锅炉省煤器后，布置形式合理、简洁、紧凑，系统阻力低，引风机电耗较低，能降低运行费用。

4 SCR系统构造及组成

4.1 SCR系统构造

SCR系统包括反应器系统(反应器本体、烟道系统、催化剂等)、电气系统和仪表控制系统。

4.2 SCR系统组成

(1)SCR系统由反应器本体，静态混合器、导流板、整流板、催化剂、烟道等组成。

(2)反应器系统包括反应器本体、烟道系统、催化剂等。

4.3 催化剂的设计要求

(1)本方案采用防堵塞和防中毒的蜂窝式催化剂。

(2)催化剂能满足烟气温度400 ℃的情况下长期运行，同时应能承受运行温度420 ℃而不产生任何损坏。

(3)在达到要求的脱硝效率同时能有效防止锅炉飞灰在催化剂中发生粘污、堵塞及中毒现象发生。

(4)催化剂化学寿命大于40 000 h运行时间。

(5)催化剂应采用模块化、标准化设计。催化剂各层模块应规格统一、具有互换性以减少更换催化剂的时间。

(6)模块采用碳钢结构框架，并要求焊接、密封完好，且便于运输、安装、起吊。

这两台机组均为1000 MWe压水堆，分别于1973年6月和1976年4月首次并网发电，根据最初的运行许可证可分别运行至2013年和2015年。运营商安特吉核运营公司(Entergy Nuclear Operations)2007年4月提交这两台机组的运行许可证换发申请。鉴于安特吉在最初许可证到期前5年就提交了申请，因此，尽管当时没有正式批准这两台机组延寿，核管会允许这两台机组在最初的运行许可证失效后继续在“及时换发”(timely renewal)的模式下运行。

(7)单台锅炉SCR系统需要蜂窝型催化剂1.3 m3，2+1层布置，反应器横截面积1.2 m2，催化剂层间高度2.65 m。单层催化剂阻力180 Pa，总阻600 Pa。

4.4 仪表和控制系统设计要求

(1)本次脱硝改造控制系统采用独立的PLC控制与就地控制方式，控制室设一个操作员站，并设立就地控制系统。

(2)该系统能够满足整个脱硝系统设备安全、经济运行和监视、控制、经济核算的要求，并满足国家和国际相关规范、安全、先进、完整的仪表和控制系统。

(3)能实现以上位机显示器及PLC操作员站显示器为中心对脱硝系统进行监视和控制。实现自动对有关参数进行扫描和数据处理；参数越限时自动报警；根据人工指令自动完成各局部工艺系统或辅机的程序启停。当系统发生异常或事故时，通过保护、联锁或人工干预，使系统能在安全工况下运行或停机。

5 设备一览表

设备一览表如表3所示。

表3 设备一览表Table 3 Equipment list

6 投资估算及效益分析

6.1 投资估算

(1) 引进一套尾气吸收装置(包括除硝塔本体及安全附件、仪表、自动化控制等设备及运输安装调试及土建费用)造价约为100 万元。

(2)项目建设期:3个月。

6.2 效益分析

本次引进燃氢锅炉尾气改造项目总投入为100万元，如果按照外购蒸汽185元/t，每年运行时间按8 000 h，每小时产蒸汽按9 t计算。

则每年减排创效计算如下：

8 000×185×9=1 332(万元/a)。

每吨蒸汽生产成本按28元计算，

1 t蒸汽可节约费用：185-28=157(元)。

1年可减排创效：

157×8 000×9=1 130万(元)。

7 结论

开元化工通过引进排放尾气除氮氧化物项目，将停置燃氢锅炉继续投用到生产中，将富余排空的清洁能源氢气重新利用、全面回收，从而提高了氢气利用率，更大地提高它的经济价值。此举不但持续增加企业的经济效益，有效降低生产成本，同时为公司的清洁环保、减排增效开辟出了新的路线。