SCR-SNCR 脱硝工艺对超低排放脱硝效果的提升

刘 伟，梁海军，郭孝伟，李庆东，马 鲁，徐 申

（济宁中银电化有限公司，山东 济宁）

济宁中银电化有限公司（简称中银电化）是一家有五十余年发展历史的氯碱化工企业， 主要产品有30 万t/a 离子膜烧碱，6 万t/a 环己酮，4 万t/a 糊树脂，7 万t/a 氯化苯和4 万t/a 氯化石蜡等， 配套建设有2 台75 t/h 循环流化床燃煤锅炉。

中银电化配套的75 t/h 循环流化床锅炉主要以燃煤为主，是一种高效、低污染的新型锅炉。 该炉采用了循环流化床燃烧方式，对煤种适应性好，可以使用褐煤、烟煤、无烟煤和贫煤，也可以使用煤泥、煤矸石等热值较低的燃料， 燃烧效率达到95%～99%，尤其可以使用含硫较高的燃料，通过向炉内添加石灰石可显著降低SO2的排放， 从而降低硫对设备的腐蚀和烟气对环境的污染。 由于采用分级燃烧技术，可有效减少NOX的排放。 另外灰渣可以做水泥等材料的掺合料。

循环流化床锅炉是一种自然循环的水管锅炉。由燃烧室、炉膛、水冷旋风分离器、返料器组成循环燃烧系统，炉膛为膜式水冷壁结构，过热器分二级过热，中间设一级喷水减温器，尾部设省煤器和一二次风预热器。

1 环保规范标准

煤炭和电力在公司生产成本中占比较大。 随着氯碱行业的竞争越来越激烈，中银电化在燃煤锅炉节能降耗新技术上不断投入，响应国家在环保节能上的新标准、新制度，认真执行各项环保管理制度，坚持绿色发展理念， 推动节能减排和环保工作，严格遵守山东省地方标准，即《区域性大气污染物综合排放标准》（DB37/2376-2019）（以下简称标准）。

标准依据生态环境敏感程度、人口密度、环境承载能力三个因素， 将全省划分为三类控制区，即核心控制区、重点控制区和一般控制区，由设区市人民政府划定，报省生态环境主管部门备案。

新建和现有企业自本标准实施之日起，按所在控制区执行的排放浓度限值见表1。

表1 大气污染物排放浓度限值 mg/m3

2 关于SCR-SNCR 工艺技术的实施和研究

循环流化床锅炉炉内低氮燃烧无法满足排放要求时，需要对排烟进行进一步净化，烟气净化工艺主要有SNCR 脱硝和SCR 脱硝。

本文研究的装置主体为中银电化的2 台75 t/h循环流化床燃煤锅炉。 中银电化于2016年底启动并完成了燃煤锅炉烟气超低排放改造，烟气污染物治理的工艺为“石灰石-石膏法”脱硫，SNCR 法（选择性非催化还原， 氨水作还原剂）+低氮燃烧脱硝，湿式电除尘等综合措施[1，2]。

改造后的燃煤锅炉实现了二氧化硫、 氮氧化物、颗粒物排放浓度分别低于35 mg/m3、100 mg/m3、10 mg/m3，且稳定运行，满足了山东省地方标准《区域性大气污染物综合排放标准》（DB37/2376-2019）的限值要求。 装置改造后运行良好，锅炉烟气污染物稳定达标排放，为公司环保工作打好了基础。

但根据《山东省火电厂大气污染物排放标准》（DB37/664-2019）的要求，对锅炉烟气氮氧化物排放限值进行了修改，新标准将排放指标降低至50 mg/m3执行。中银电化在烟气超低净化装置的基础上， 决定新增SCR 脱硝装置， 即形成SCRSNCR 联合工艺。

烟气脱硝采用SNCR （选择性非催化还原）和SCR（选择性催化还原）相结合的脱硝工艺。 烟气经炉膛出口被SNCR 系统脱硝处理，残余氮氧化物流经上层省煤器后，与残余氨气在SCR 装置上经催化剂作用再次脱硝， 进一步提升了锅炉烟气脱硝效率，确保烟气氮氧化物排放最终≤50 mg/m3。

2.1 超低排放装置SNCR 工艺流程

SNCR（选择性非催化还原）脱硝系统原理是将氨水（质量浓度20%左右）稀释后，通过雾化喷射系统直接喷入锅炉合适温度区域（850～950 ℃），氨水雾化后， 其中的氨与烟气中NOX（NO、NO2等混合物）进行选择性非催化还原反应，将NOX转化成无污染的N2和H2O，达到降低NOX排放的目的。

锅炉烟气中氮氧化物和氨水反应，降低烟气中氮氧化物含量， 高灰尘烟气经除尘器布袋过滤，降低烟尘含量。 烟气中二氧化硫和脱硫塔内脱硫液反应，降低烟气中二氧化硫含量，脱硫后的烟气经湿式电除尘进一步吸附烟尘，达标排放。

脱硝（SNCR）反应方程式：

2.2 SCR（选择性催化还原法）工艺流程

利用原有烟气超低净化装置，增加氨水喷射或蒸发系统，使氨水蒸发后通过喷氨格栅进入SCR 反应器入口烟道， 氨水和烟气在催化剂的作用下，在SCR 反应器处发生还原反应，进一步降低氮氧化物浓度，使外排烟气氮氧化物浓度低于50 mg/m3。

选择性催化还原法（SCR）的基本原理是利用氨（NH3）对NOx 的还原功能，使用氨气（NH3）作为还原剂， 将体积浓度小于5%的氨水通过氨气喷枪喷入温度为320～420 ℃的烟气中，与烟气中的NOx 混合后，扩散到催化剂表面，在催化剂作用下，氨气（NH3） 将烟气中的NO 和NO2还原成无害的氮气（N2）和水（H2O） 。

脱硝（SCR）反应方程式如下。

催化反应方程式

抑制反应方程式

2.3 烟气脱硫工艺流程

（1）烟风系统。 经除尘器除尘后的锅炉烟气通过引风机后进入吸收塔， 塔内SO2的吸收过程分为两个阶段，第一阶段烟气与喷淋脱硫液逆流接触进行脱硫，第二阶段烟气经过充分接触反应后进入折流板除雾器除雾，然后进入湿式电除尘处理后通过直排烟道引至大气排放[1]。

（2）吸收塔系统。 在吸收塔底部设塔釜，与含硫烟气接触后的脱硫液落入塔釜， 由循环泵送至塔顶喷淋层上与烟气进行充分反应。 吸收塔浆液流程为塔底出来的脱硫液进5 台循环泵， 即大部分浆液重复使用，一部分经石膏泵送入压滤系统处理。塔内设有5 层喷淋、2 层除雾器，且除雾器配有冲洗水系统。

（3）氧化系统。 与含硫烟气充分反应后的浆液落到脱硫塔底部的塔釜， 脱硫浆液经原烟气和SO2接触后，pH 值降低，有利于氧化，氧化风机将空气鼓入氧化塔，在搅拌机的作用下，空气充分分散于浆液中，将亚硫酸钙氧化为硫酸钙[1]。

（4）浆处理系统。 石膏排出泵将塔釜内浆液送入水力旋流站，经过水力旋流站预脱水及石膏分级后，底部浓度、纯度较高的石膏浆液进入真空带式过滤机进一步脱水成为石膏，顶部浓度较低的滤液进入滤液池，通过滤液泵外排到脱硫塔补充脱硫塔液位或去化浆池化浆。 脱硫石膏在石膏库堆放装车外运。

（5）石灰石化浆系统。 系统采用石灰石作为脱硫剂。 石灰石通过厂区运输车运送到脱硫场地石灰石粉仓，再根据工艺需要定时定量将石灰石加入化浆池中。 当定量加入工艺水后，根据加入水的量定量加入石灰石， 配成一定浓度的石灰石浆液并储存。 供浆泵的输送速度根据塔釜浆液pH 值的变化由供液泵变频调节。

（6）湿式电除雾系统。 湿式静电除尘除雾器是以阻燃乙烯基树脂为粘合剂，以玻璃纤维及其制品为增强材料， 以碳纤维制品为导电材料而制成，具有导电性能好、重量轻、耐温耐腐蚀、阻燃性好、性能稳定、效率高等优点。

烟气超低净化及SCR 脱硝工艺流程示意图见图1。

图1 烟气超低净化及SCR脱硝工艺流程示意图

3 SCR-SNCR 工艺改造完成前后脱硝效果的分析

为对比SCR-SNCR工艺脱硝改造前后的脱硝效果，本文以SCR-SNCR法脱硝装置改造完成并投入运行的时间为界限， 汇总了改造前后各一年的锅炉运行负荷、氨水使用量、煤炭消耗量、锅炉烟气中氮氧化物的排放量等指标，并以消耗单位体积的氨水脱除的氮氧化物的量来衡量改造后脱硝效果的提升。

3.1 SCR-SNCR 工艺改造前后的锅炉蒸汽产量对比

以燃煤锅炉改造前后每月生产蒸汽的量作为运行负荷的计算依据进行对比，见表2。

表2 改造前后两年锅炉蒸汽产量表 t

由表2 可知，燃煤锅炉SCR-SNCR 工艺改造前后一年中锅炉生产蒸汽的量作为比较锅炉负荷的数据，由于SCR-SNCR 工艺改造实施当年的3月、4月停炉，没有蒸汽产量，5月刚开始运行，产生蒸汽量少，数据不足以用来对比，其他各月产生蒸汽的量比较稳定，反映锅炉运行负荷比较平稳，波动较小，满足选取负荷数据的要求。

3.2 SCR-SNCR 工艺改造前后氨水使用量对比

因氮元素在氨水的氨中的化合价是-3，具有一定的还原性。 而烟气中氮氧化物中的氮元素与氧结合显正化合价，具有一定还原作用的显示负化合价的氮元素在一定温度和压力下同正化合价的氮元素发生氧化还原反应，产生0价的氮气，此反应也叫归中反应。 鉴于这一原理，中银电化使用20%的氨水作为燃煤锅炉降低烟气的还原剂。 其工作过程中的原理为将氨水雾化后，氨水中的氨与烟气中NOX（一般是指NO、NO2等的混合物）， 进行选择性非催化还原反应，将NOX转化成无污染的N2和H2O，达到降低NOX排放的目的。对进行SCR-SNCR工艺改造前后1年当中锅炉使用氨水的量做了记录进行比较，见表3。

表3 改造前后两年氨水用量情况表 t

由表3 中数据显示，在进行SCR-SNCR 工艺改造后当年的3月、4月出现了停炉未添加氨水，5月刚点炉使用氨水的量比较少，在数据比较中可以省略，其他各月的氨水使用量均与表2 中锅炉蒸汽产量基本匹配，可以作为比较数据。

使用“氨水用量/锅炉蒸汽产量”即燃煤锅炉生产蒸汽的吨耗氨水量来展现改造后对氨水的节约，表示氮氧化物脱除效率的提升，见表4。

表4 燃煤锅炉生产蒸汽的氨水吨耗比较 t/t

由表4 可见，燃煤锅炉经过SCR-SNCR 工艺改造后对烟气的处理量更加彻底，改造后使用氨水的量均有所增加，说明烟气在排放前反应掉的氮氧化物增加，烟气排放中的氮氧化物含量得到进一步降低。

4 锅炉烟气中氮氧化物削减量

4.1 氮氧化物削减量对比

利用煤炭消耗量和煤炭中的含氮量，计算氮氧化物的产生量。 中银电化采购的煤炭为一般烟煤，煤炭中平均含氮量约为1%， 根据改造前和改造后一年内煤炭使用量，结合煤炭分析结果中的各组分含量，计算出燃烧煤炭产生的氮氧化物的量，再从锅炉烟气在线监测数据中读取出氮氧化物排放量，计算出氮氧化物的削减量，改造前后数据见表5。

表5 氮氧化物产生、排放及削减量 t

由表5 数据显示，在进行SCR-SNCR 工艺改造后当年的3月、4月出现了停炉， 未添加氨水，5月刚点炉，使用氨水的量比较少。 这3 个月的数据不具有可比性，在对比过程中可省略。 其他各月的氨水使用量均与表2 中锅炉蒸汽产量基本匹配，可以作为比较数据。 根据上述数据可以通过削减量与产生量的比值来对比过滤脱除氮氧化物的效率，见表6 和图2。

图2 燃煤锅炉SCR-SNCR工艺改造前后烟气中氮氧化物消除效率比较

表6 燃煤锅炉进行SCR-SNCR工艺改造前后氮氧化物脱除效率比较 %

4.2 脱硝效率变化情况

由表3 和表4 数据计算出，改造前一年烟气净化装置脱硝效率为90.25%，改造后一年烟气净化装置脱硝效率为96.76%，脱硝效率提升了6.51%。

由于改造后一年内锅炉烟气脱硝剂（氨水）的总用量小于改造前一年的总数值， 通过计算得知，改造后平均消耗1 t 氨水可脱除0.79 t 氮氧化物，改造前平均消耗1 t 氨水则可脱除0.61 t 氮氧化物。

消耗同样质量的氨水在烟气脱硝中对于脱除烟气中氮氧化物的变化是明显的，更为突出了SCR 装置投运后对于脱硝效率的提升。

5 结语

中银电化SCR-SNCR 工艺改造后，锅炉烟气氮氧化物浓度稳定达标， 保障了锅炉装置正常供汽，即使是重污染天气应急响应期间也可正常运行，为生产经营平稳进行奠定了基础。 此外，脱硝效率的提升改变了氮氧化物脱除对于氨水的过度依赖，在一定程度上提高了氨水的使用效果，单位氨水脱除氮氧化物的量得以提升，节约了装置综合运行成本。