乙烯装置开工锅炉烟气脱硝改造技术浅析

吴锦标

上海石油化工股份有限公司（上海 200540）

节能环保

乙烯装置开工锅炉烟气脱硝改造技术浅析

吴锦标

上海石油化工股份有限公司（上海 200540）

上海石油化工股份有限公司乙烯装置开工锅炉必须通过技术改造才能满足现行NOx排放要求，结合开工锅炉现状、NOx排放标准要求，对现有烟气脱硝技术进行对比分析，确定采用选择性催化还原（SCR）脱硝技术对开工锅炉烟气进行治理改造，以确保NOx达标排放。

开工锅炉 脱硝技术 达标排放

根据上海市DB31/387—2014《锅炉大气污染物排放标准》和2014年8月19日国家环境保护部下达的环函［2014］179号文“关于部分供热及发电锅炉执行大气污染物排放标准有关问题的复函”，上海石油化工股份有限公司（简称“上海石化”）乙烯装置开工锅炉从2015年10月1日起需执行大气污染物环保指标中氮氧化物（NOx）排放限值为100 mg/m3（文中气体状态均为标准状态）的标准。改造前上海石化两台开工锅炉排放烟气中的NOx质量浓度为350～420 mg/m3，严重超标，必须采取适宜的脱硝技术对其进行治理改造，以满足排放标准、改善大气环境质量、实现可持续的生产发展。

1 开工锅炉状况

上海石化两台开工锅炉是2＃乙烯装置的重要动力设备，从日本巴布科克日立公司引进。两台锅炉采用母管并列运行，以重油、裂解油、燃料气为燃料，锅炉在微正压下燃烧，每台锅炉的最大蒸发量为160 t/h，超高压蒸汽设计压力为11.9 MPa、设计温度为525℃。蒸汽用于乙烯装置开车和运行，驱动裂解气压缩机、丙烯制冷压缩机，以及加热再生干燥器。超高压蒸汽锅炉为自立式双汽包锅炉，炉膛内炉墙为膜式水冷壁结构，锅炉水自然循环。锅炉燃烧器为前墙布置，单侧墙燃烧，分上下两层布置，每台锅炉配备6个燃油气燃烧器，均用电点火点燃燃嘴，油嘴为“Y”型蒸汽雾化喷嘴。燃气烧嘴在开车升压时使用，油嘴在升压后期及正常负荷下使用。目前燃料主要为天然气与乙烯焦油（油气混烧），天然气（0.5 MPa）的消耗量为31377 t/a，乙烯焦油的消耗量为102503t/a，雾化蒸汽（1.6MPa）的消耗量为10500t/a。

这两台开工锅炉均为微正压炉，各配备一台送风机。助燃风设计压力为8.24 kPa，设计烟气量为20×104m3/h，满负荷工况下炉膛压力为2.94 kPa。送风机出口的空气首先经蒸汽预热器加热到20℃，再经回转式空气预热器加热到250℃，热风通过锅炉底部的风道进入炉前风箱，并通过6个调风器与燃料混合后进入炉内。空气与燃料混合燃烧后的烟气从炉膛上部的出口烟囱进入高温过热器，对高温过热器进行横向冲刷，然后自上而下流动，对低温过热器作斜向冲刷。烟气从下部进入高温对流竖井中，自下而上流动，斜向冲刷对流管束；之后从高温竖井的上部进入低温竖井的上部，自上而下对对流管束进行斜向冲刷；然后从低温竖井的下部进入回转式预热器。烟气在沿途将热量分别传给水冷壁、过热器和对流管束，从而在进入回转式空气预热器时使温度降到350～400℃。烟气在预热器中将其余热传给冷空气，将空气加热至250℃，而烟气温度降至185℃，再经余热回收系统回收热量后，最终将排烟温度降至105～115℃，由引风机加压后引入脱硫系统脱除二氧化硫和烟尘，最后经150 m的烟囱排到大气中。

2 开工锅炉烟气脱硝技术比选

2.1 烟气脱硝技术现状

目前世界各国研究开发的烟气脱硝技术有多种，已经工业化的烟气脱硝技术主要有低NOx燃烧技术、选择性非催化还原（SNCR）技术、选择性催化还原（SCR）技术及臭氧脱硝技术。

（1）低NOx燃烧技术

目前脱硝应用比较普遍的是低NOx燃烧技术。利用NOx的形成和破坏机理，通过控制火焰温度峰值、限制在火焰峰和反应区内的氧含量或NO的再燃烧来减少NOx生成量。对于燃烧锅炉而言，由此产生许多低NOx燃烧方法（如空气分级燃烧、燃料分级燃烧、排烟再循环等），低NOx燃烧器（如混合促进型、多股燃烧型、阶段燃烧型、喷水燃烧型等）和低NOx炉膛（如燃烧室大型化、分割燃烧室、切线燃烧室等）等。

（2）SNCR烟气脱硝技术

SNCR烟气脱硝技术于20世纪70年代中期开始在日本的一些燃油、燃气锅炉上得到应用，20世纪90年代初，逐渐应用于西方国家燃煤锅炉的烟气处理。该技术把还原剂（如氨水、纯氨或尿素）喷入炉膛温度为800～1100℃的区域，该还原剂迅速热分解，生成氨气并与烟气中的NOx进行反应生成氮气和水。该方法以炉膛为反应器，不需要催化剂，但脱硝效率低，一般为30%～50%，同时高温喷射对锅炉受热面的安全有一定的影响。

（3）SCR烟气脱硝技术

SCR烟气脱硝技术在20世纪80年代初开始逐渐用于燃煤锅炉烟气脱除NOx，目前国内外的燃煤锅炉广泛采用该技术。SCR技术是指在催化剂的作用下，利用还原剂（如氨水、纯氨或尿素）与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的氮气和水。由于还原剂具有选择性，只与NOx发生反应，基本不与氧气反应，故称选择性催化还原脱硝。SCR系统一般由氨气制备系统、SCR脱硝反应系统两部分组成，SCR反应器大多安装在锅炉内300～400℃温度段，因为该温度区间刚好适合SCR脱硝还原反应进行，氨则喷射于SCR反应器之前烟道内的适当位置，使其与烟气混合后于反应器内在催化剂的作用下与NOx进行反应，从而将NOx脱除。

SCR脱硝技术适应性强，适用于对烟气NOx排放质量浓度要求很严格的区域。SCR技术脱硝效率较高，一般在70%以上，最高可达90%；该技术工艺成熟、操作简单、设备紧凑、维护方便、应用广泛、运行成本较低。

在SCR技术中，脱硝催化剂的投资约占整个SCR投资的30%～40%。反应采用中温催化剂，反应温度一般为300～400℃，催化剂以TiO2为载体，主要活性成分为V2O5-WO3（MoO3）等金属氧化物。催化剂具有较高的选择性，保证寿命一般为3年，而实际运行中催化剂寿命一般大于3年。催化剂性能降低或失效后，需要对其进行再生处理。再生处理主要是将重金属从催化剂中溶出，以恢复催化剂活性。另外，SCR法脱硝催化剂可将二氧化硫转化率控制在1%以内。

还原剂在工艺系统中会产生少量的氨气逃逸，氨气的逃逸量一般可控制在3 mg/m3以下，不会对下游的空气预热器的安全运行和环境空气带来不利影响。另外，脱硝装置需要布置催化剂床层，每层催化剂床层的阻力降约为250 Pa。

（4）臭氧脱硝技术

臭氧脱硝主要是利用臭氧的强氧化性将难溶于水的NO氧化成易溶于水的NO2，N2O3，N2O5等高价态NOx，然后在洗涤塔内将NOx吸收转化为溶于水的物质，达到脱除NOx的目的。

该技术将臭氧通入烟气中对NO进行氧化，然后采用碱液进行吸收，最终将NOx转化为硝酸盐和氮气，因而外排废水中总氮质量浓度较高。该技术的NOx脱除率较高，为70%～90%。

2.2 开工锅炉烟气脱硝技术选择

本开工锅炉燃油气燃烧器分上下两层布置，每层各3台，共6台，每层左右两边的燃烧器与中间燃烧器的距离为1500 mm。若要改为低NOx燃烧，需将左右两边的燃烧器分别向外移约300 mm，这样就需要较大程度地改造锅炉水冷壁，对锅炉现有结构破坏较大，进而会对锅炉效率产生负面影响；另外，低NOx燃烧器通常在较低温度条件下运行，开工锅炉改用低NOx燃烧器后会改变锅炉热量分布现状，降低开工锅炉运行负荷，无法满足乙烯装置的生产需要。因此，该形式锅炉不适宜采用低NOx燃烧技术进行改造。

SNCR脱硝工艺技术也不适用于本工程，原因有：（1）该开工锅炉炉膛上下空间较小，意味着烟气停留时间短，脱硝还原剂不能与NOx充分进行反应；（2）开工锅炉前后空间较大，会造成脱硝还原剂与烟气混合不均匀，达不到较好的脱硝效果；（3）SNCR技术的脱硝效率一般低于50%，锅炉工况不理想时脱硝效率会更低，很难将NOx排放质量浓度从350～420 mg/m3降到100 mg/m3以下。另外，同等脱硝效率的情况下，该工艺的氨气消耗量要高于SCR工艺，从而使氨气的逃逸量增加。

臭氧脱硝技术采用臭氧作为脱硝剂，臭氧一般由臭氧发生器制得。尽管该技术在国外已经进行了产业化应用，但是由于臭氧的制备电耗较大，导致费用较高，因而其推广应用受到制约。同时，由于在我国脱硝技术中臭氧脱硝技术还不成熟，需引进专利技术，而专利费用较高，故不推荐采用该技术。

SCR脱硝技术是国内外应用最多、技术最成熟的烟气脱硝技术，具有脱硝效率高、工艺设备紧凑、反应温度适中（一般为300～400℃）等特点，而开工锅炉烟气NOx排放质量浓度较高（350～420 mg/m3），只需在烟气对流管束出口处（温度约350～400℃）通过新增烟道将其引入新增的脱硝反应器（以下简称SCR反应器），经脱硝反应净化后的烟气再经脱硝反应器出口新增的烟道回到开工锅炉空气预热器进行热量回收，随后即可排出。采用SCR技术对现有装置进行脱硝局部改造，NOx排放质量浓度可降至100 mg/m3以下，故SCR脱硝技术是最佳选择。

通过上述比选，上海石化开工锅炉烟气脱硝改造确定采用SCR脱硝技术。

3 SCR脱硝工艺技术说明

3.1 工艺原理

SCR脱硝技术是利用还原剂（如氨）在催化剂作用下有选择性地与烟气中的NOx发生化学反应，生成氮气和水的技术，其有效反应温度范围较低，在300～400℃之间，反应式为：

SCR工艺的核心设备是SCR反应器，主要的运行工艺参数包括烟气温度、烟气流速、氧气含量、水蒸气含量、催化剂活性和氨气逃逸量等。

本项目SCR脱硝烟气需要从开工锅炉对流段出口处引出，经SCR进口烟道进入SCR反应器进行脱硝反应，净化后的烟气再经SCR出口烟道回到开工锅炉空气预热器。

3.2 工艺流程简述

SCR脱硝工艺主要由氨气制备系统及SCR脱硝反应系统组成。图1为SCR脱硝技术工艺流程示意图。

图1 SCR脱硝技术工艺流程示意图

氨气制备系统的主要流程为：来自液氨储罐的液氨经管道输送到液氨蒸发器，在其内蒸发为氨气，经氨气缓冲罐向SCR反应系统提供压力及流量较稳定的氨气。

SCR脱硝反应系统的主要流程为：温度为300～420℃的烟气经新增烟道进入SCR反应器；利用氨流量控制系统使氨制备系统输送来的氨气中氨的体积分数降到5%以下，并经过计算将一定量的稀释氨气输送到喷氨格栅；喷氨格栅将稀释氨气均匀地喷入SCR反应器中，使氨气在整个SCR反应器横截面上与烟气均匀混合；混合均匀的氨气-烟气最后竖直向下经过SCR催化剂，在催化剂作用下，氨气与NOx发生还原反应，生成无污染的水和氮气，从而使烟气得到净化。

4 结论

通过对几种已经工业化的烟气脱硝技术进行对比分析，确定采用SCR脱硝工艺技术对上海石化开工锅炉烟气进行治理改造，以确保排放烟气中NOx的质量浓度可降至100 mg/m3以下，实现NOx的达标排放。

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（Grace）

Brief Analysis on Flue Gas Denitrification Transformation Technology of Start-up Boilers for Ethylene Unit

Wu Jinbiao

The two start-up boilers for ethylene unit of Sinopec Shanghai Petrochemical Company Limited must be transformed to meet the current requirements of NOxemission.Combined with the status of the two boilers and the NOxemission standards,the existing flue gas denitrification technologies were compared and analyzed,and the selective catalytic reduction(SCR)of NOxwas applied to the treatment of the flue gas so as to ensure the compliant emission of NOx.

Start-up boiler;Denitrification technology;Compliant emission

X383

2017年1月

吴锦标男1964年生硕士高级工程师主要从事企业固定资产投资可行性研究报告审查、技术方案认证和投资效益分析等工作