B-SNCR脱硝在燃气锅炉的应用

潘岩

（梅钢热电厂，江苏 南京 210039）

1 梅钢全烧煤气锅炉简介

在以高炉炼铁—炼钢—轧钢为流程的钢铁生产过程中，在生产钢铁产品的同时，也产生了大量的副产品：高炉、焦炉、转炉煤气［1］。这些副产品煤气约占钢铁企业总能耗的40%［2］，除供给加热炉和热风炉等炉窑用来燃烧外，剩余大部分煤气资源将输送到电厂用来燃烧发电［3］。

梅钢热电厂属于钢铁企业自备电厂，通过燃烧炼铁炼钢焦化工艺产生的高炉转炉焦炉煤气对梅钢内部供电供热，整个电厂区域布置在炼铁厂东南角片区域，电厂初期规划仅3炉2机，预留场地不大，随着后期扩建，发展到6炉4机，这也导致锅炉房的最西侧及最北侧均已和炼铁厂一墙之隔，锅炉房东侧是电厂唯一的主干道及水处理工艺部门，锅炉房南侧是汽轮机房，因此整个锅炉区域空间小而紧凑，今后已无法腾出更多的建设施工空间，这也限制了锅炉区域新建增设占地面积较大设备的可能性。梅钢热电厂现有6台220 t/9.8 MPa型高温高压锅炉，其中1~3号锅炉原为掺烧30%高炉煤气的煤粉煤气混烧锅炉，4~6号锅炉为纯烧煤气锅炉。2012年开始，1~3号锅炉陆续改为全烧煤气锅炉，6台锅炉当量高炉煤气最高处理能力超100万m3/h，其热能供应汽轮发电机运行，年发电量超过10亿kW·h。随着工业科技水平的不断发展，我们也在主动跟进，多次进行设备技改，2019—2020年所有全烧煤气锅炉更新布置了碳酸氢钠干法脱硫和布袋除尘工艺，经处理的锅炉烟气SO2小于35 mg/Nm3，烟尘小于5 mg/Nm3，均符合超低排放限值（环大气〔2019〕35号文件）。在烟气氮氧化物指标方面，历年来我们采取相应技术方案和措施，如高焦煤燃烧器低热负荷、分散布置等降低炉膛峰值温度以减少热力型氮氧化物生成的技术，此外全烧煤气锅炉的燃烧调整操作上采用错层、逐级供风等方法，尽可能降低燃烧温度高所致的氮氧化物生成，通过上述处理，各台锅炉烟气氮氧化物虽然有所下降，但是依然存在峰值高于50 mg/Nm3的时段，也就是说，根据最新环大气〔2019〕35号文件，我们使用多年的6台燃气锅炉都需要得增设烟气脱硝处理工艺才能彻底消除部分时段NOx大于50 mg/Nm3的情况，保障全时段稳定运行，因此我们必须考量分析更多的烟气脱硝方案，从而确定最适合梅钢电厂燃气锅炉的烟气脱硝工艺，并高效建设投运，促使企业可持续发展。

2 国内现有脱硝工艺情况

烟气氮氧化物（NOx）脱除工艺，即是烟气脱硝，现有方法包括SCR、SNCR、氮氧燃烧技术、电子束照射法、臭氧氧化法、吸附法、氧化吸收法等。目前，最主流应用最广泛的脱硝工艺，分为选择性催化还原法和选择性非催化还原法，即SCR脱硝技术和SNCR脱硝技术，SCR法需要使用催化剂，使反应温度降低，其他反应原理和SNCR相仿，NOx最终被还原成N2和H2O（若以尿素为还原剂，SNCR反应产物还有CO2）。概括而言，国内工厂采用最多的烟气脱硝工艺技术主要是SCR脱硝和SNCR脱硝两种，而受限于场地和建设周期及成本控制，此两种脱硝工艺不是梅钢热电厂的首选，我们了解到一种B-SNCR脱硝工艺：一种生物质脱硝剂，在烟气内650~950℃的温度区间内通过多个专用高效雾化喷嘴，喷入炉膛，使液体生物脱硝剂与烟气在炉内充分覆盖混合，脱硝剂在高温和钙离子的作用下快速分解产生大量高活性自由还原基团，与NOx发生还原反应，将NOx还原成N2、CO2和H2O，脱硝综合反应式：CaTN+NOx+SO2+O2→N2+H2O+CO2+Ca SO4。通过对上述3种脱硝工艺技术的整理归纳，对比如下（见表1）。

表1 3种脱硝工艺对比

3 对比后所采用的脱硝工艺

结合梅钢热电厂6台锅炉的烟气特点和厂区实际，从脱硝效率、应用业绩、造价投资、占地面积等多个方面对3种拟采用的脱硝工艺进行比较。对比同等级传统燃煤、燃油等锅炉，全烧煤气锅炉的烟气量大，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物浓度低，因此传统技术对全烧煤气锅炉的烟气处理存在一定的局限性。由于梅钢热电厂锅炉区域空间小而紧凑，无法腾出较大建设施工空间，加上SCR脱硝工艺投资费用、温度区间要求、增设反应塔、催化剂、氨逃逸、反应物易堵塞空预器等原因，故排除SCR工艺。SNCR工艺虽然占地较小，但是脱硝效率仅为30%~50%，也不利于全烧煤气锅炉的烟气处理。此外，烟气处理过程中产生的固废、废水处理及其去向问题也需纳入考虑。综上所述，相对而言，B-SNCR脱硝工艺更适合梅钢热电厂的全烧煤气锅炉：占地小、投资省、脱硝率＞80%；不需要催化剂、设备简单且该工艺采用生物复合脱硝剂，据SDS说明书，脱硝剂无毒、无腐蚀，基本满足全烧高炉煤气锅炉超低排放的氮氧化物指标要求，B-SNCR脱硝设备位置示意如图1所示。

图1 脱硝设备位置示意

4 应用情况及效果

根据设计，梅钢热电厂全烧煤气锅炉的烟气脱硝系统分为2套：1#、2#、3#锅炉共用一套B-SNCR脱硝系统，4#、5#、6#锅炉共用另一套系统，每套系统均包含脱硝剂储罐、除盐水罐、混合稀释罐及相关泵与对应的锅炉侧脱硝剂调门、分配箱、脱硝剂雾化喷枪等，两个脱硝剂储罐，按照机组平均满负荷运转可保证供应7~10 d（见表2、表3）。

表2 主要指标（按NOx平均值80 mg/m3计算）

表3 主要指标（按NOx最高值150 mg/m3计算）

2020年底，根据6台全烧煤气锅炉的生产检修计划，相应依次安排停炉后炉膛水冷壁开预留孔，以便后期安装脱硝喷枪。在前期各项工作完成后，2021年3月开始施工建设，2021年6月23号竣工，7月1日正式投运。投运2个月来，运行情况良好，在燃料高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气比例发生大幅变化期间，能正常作用，锅炉烟气NOx全时段稳定控制在50 mg/Nm3以下，脱硝药剂消耗平均稳定在设计值5~10 t/d，B-SNCR脱硝工艺完全符合梅钢热电厂对场地和建设周期及成本控制方面的要求。在烟气处理方面，B-SNCR脱硝工艺也为我们新增了一项可控选择的技术方案，今后我们还将在现有基础上继续努力，争取进一步降低成本。

5 部分B-SNCR脱硝工艺经验

各种烟气脱硝工艺最终都会体现到工艺效果和药剂成本两个方面，为了将成功案例进一步分享，并为其他考虑B-SNCR脱硝工艺的企业提供相关经验，现就梅钢热电厂B-SNCR脱硝工艺应用以来部分特殊时段脱硝剂用量增大的情况作详细介绍，以供大家参考。

2021年7月，按照超低排放标准，锅炉烟气出口NOx浓度控制在50 mg/Nm3以下，部分时段由于全烧煤气锅炉的源头煤气品质较好，NOx稳定在40 mg/Nm3左右，不需要投用脱硝剂。NOx在40~70 mg/Nm3范围内时，个别锅炉未投脱硝剂，部分锅炉投用少量脱硝剂，3#、5#、6#锅炉投用了部分短喷枪（见表4），据统计6台锅炉7月份的单日脱硝剂总用量在5~10 t。

表4 脱硝喷枪投用数

5.1 源头煤气品质对脱硝剂用量的影响

目前，梅钢热电厂仅有锅炉烟气出口NOx参数，没有入炉源头煤气的品质的参数值，因此相同负荷相同煤气当量下，由于入炉煤气品质变化，存在由此导致的脱硝剂用量增大，因此今后在脱硝剂用量增大时，该情况也要列入影响要素。

5.2 极低试验对脱硝剂用量的影响

2021年8月以来，源头煤气品质发生变化，加上极低试验期间，锅炉烟气出口NOx浓度按照小于25 mg/Nm3控制，远超脱硝系统设计的排放标准（NOx浓度越大越容易脱除，越低则越难以脱除），因此脱硝剂用量明显增加（表5）。

表5 极低试验期间脱硝剂用量

5.3 焦煤掺烧量对脱硝剂用量的影响

根据8月21日锅炉汽机大屏，锅炉负荷1 161.9 t，满负荷，其中焦炉煤气为4.47万m3。由于1#至6#锅炉中，焦煤掺烧能力最大的就是3#、4#锅炉（2~2.5万m3/h），因此需要多烧焦炉煤气时，3#、4#锅炉优先掺烧。掺烧焦煤较多则导致NOx 指标上升，脱硝剂用量同时增加。以4#锅炉为例，上述时段的焦煤支管调节阀开度14%，NOx瞬时值为34.85 mg/m3，NOx平均值为32.56 mg/m3。8月21日10时30分，将4#锅炉焦煤支管开度关小到4%后，NOx开始逐步下降，到11时2分，4#炉NOx瞬时值下降到16.92 mg/m3，NOx平均值下降到18.98 mg/m3。脱硝系统投运以前，3#、4#炉NOx在40~50 mg/m3时，掺烧1.5~2 t万焦煤，20 min内NOx会上升到60~80 mg/m3，也可说明掺焦煤对NOx上升有密切关系。

5.4 表计故障对脱硝剂用量的影响

8月21日20时47分，监测屏上4#炉NOx上升到49.91 mg/m3，4#炉通过降负荷到150 t，焦煤掺烧量降低到0，加大脱硝剂用量均无法使NOx下降，于是联系校验表计，校表之后，NOx下降到23.3 mg/m3。发生上述情况时，增加脱硝剂不仅无法降低NOx，而且会增大药剂用量和成本，类似情况，8月12日也有发生：校表前，6#炉NOx 为38.77 mg/m3，校表后6#炉NOx 为8.87 mg/m3。

5.5 高温对脱硝剂用量和喷枪的影响

根据4#炉膛CT系统显示，高负荷时炉膛火焰中心温度约1 300 ℃，炉膛四周喷枪区域大部分处于950~ 1 000 ℃，而脱硝剂的最佳反应温度区间在650~950 ℃，因此高负荷工况，尤其掺烧焦煤时，脱硝剂未处于最佳反应区间，部分脱硝剂未能完全反应，也会导致用量明显增加。此外，若炉膛火焰中心较长时间的偏移也导致个别近距的喷枪头部损坏。

5.6 长喷枪在脱硝中的使用

由于可供参考的案例有限，为了保障和强化6台全烧煤气锅炉在极端工况下的烟气覆盖面和脱硝效果，在东西侧炉墙上部，折焰角后的高温过热器区域，还布置了数量不一的长喷枪，以便脱硝剂进一步与烟气反应。根据运行测试，通过增减短喷枪的投用支数，可以完全覆盖所需处理的锅炉烟气，而长喷枪单独使用时，未能起到明显效果，故今后对这6台全烧煤气锅炉的烟气脱硝，还是以短喷枪为主力。

5.7 脱硝投运对脱硫带来的影响

全烧煤气锅炉B-SNCR烟气脱硝系统投运以来，由于脱硝剂内Ca2+的存在，对脱硫也起到了一定作用，7月脱硫小苏打用量对比6月减少100 t（6月耗量191 t，7月份耗量90 t），8月份SO2指标按照小于10 mg/m3控制的情况下，小苏打全月用量为122 t，依然小于6月份的耗量，因此对于上述6台锅炉而言，也有利于减少脱硫小苏打耗量。

6 结语

B-SNCR脱硝在梅钢热电厂全烧煤气锅炉的烟气脱硝处理上，效果明显，但是存在大量掺烧焦煤气、极低试验时，脱硝剂用量明显增大的情况。通过在各台锅炉烟气脱硝过程中所取得的经验，将继续做好各台锅炉的精准调控操作，以提高资源、能源利用率，进一步提升企业竞争力。