游如泉 张龙涛 常治铁
鞍钢（上海）环境工程技术有限公司 上海 200120
摘要：基于当前最新的超低排放标准，文章介绍了高炉煤气锅炉烟气中SO2 和NOX的产生和控制，着重阐述一台140t/h燃气锅炉脱硫脱硝超低排放的工艺选择与改造。运行结果表明SNCR/SCR联合脱硝+SDS钠基干法脱硫工艺完全满足燃气锅炉烟气超低排放要求，即外排烟气颗粒物<5mg/m3 ，SO2<20mg/m3 ，NOX<50mg/m3。该技术的成功应用为同类型锅炉脱硫脱硝联合超低排放治理提供了参考和借鉴。
关键词：燃气、锅炉、烟气、超低排放
0 引言
天津某厂有3台140t/h燃用高炉煤气的中温中压煤气锅炉（江联设计、制造，型号：JG-140/3.82-Q型），为自然循环锅炉，采用“П”型布置，尾部为重叠式钢结构框架，省煤器和空气预热器各为两级交替布置。3 台 140 t/h 燃气锅炉共同使用1座钢筋混凝土烟囱。
天津市在2018年7月1日开始实施DB12/810-2018《火电厂大气污染物排放标准》，该标准规定现有燃气锅炉大气污染排放：单台出力大于65t/h燃气锅炉自2019年7月1日起大气污染物排放限值在标态、干基、3%基准含氧量下，颗粒物＜5 mg /m3 ，SO2＜20 mg /m3 ，NOX＜50 mg /m3。天津某厂2019年上半年已完成2#和4#燃气锅炉超低排放改造。但3#燃气锅炉只设置有SNCR脱硝装置，烟气SO2和NOX排放值不能达到天津市要求的超低排放标准，还需进行脱硫脱硝超低排放改造。
1 锅炉烟气中SO2 和NOX的来源
高炉煤气锅炉烟气中的SO2主要来源于煤气燃料，锅炉燃用的高炉煤气，虽然相较煤粉，硫和硫化氢的含量少的多，但是仍然具有一定的含量，这些硫化物燃烧后生成SO2。
锅炉烟气中的NOX，主要来源于燃料中含氮化合物的燃烧以及空气中氮在高温炉膛中的氧化。前者产生的NOX在燃煤锅炉中较多，原因是煤的杂质较多，而对于燃气锅炉则很少。后者主要与炉膛温度、氮气和氧气浓度、停留时间有关，其中温度影响最大，随着温度增高NOX生成量迅速增加。
2 锅炉烟气SO2和NOX的控制
高炉煤气锅炉外排烟气中SO2和 NOX的含量可以通过3个阶段进行控制：燃烧前、燃烧过程中及烟气后处理。
高炉煤气锅炉烟气中的SO2主要来源于燃烧的高炉煤气，所以燃烧前需要控制好炼铁工序外送煤气中硫化氢等含硫化合物的含量。燃烧过程中可以采用低氮燃烧技术控制NOX的生成量。锅炉烟气后处理技术有很多，为了克服改造场地面积小，节约投资及运行费用，并满足烟气超低排放要求，近年来一些脱硫脱硝一体化和联合处理技术相继得到开发并应用于燃气锅炉[2,3]。
3 烟气净化的工艺选择
厂方为了保证生产，希望改造工程采用烟气后处理技术，尽量减少锅炉停炉时间。要求采用的脱硫脱硝工艺先进、可靠，能够长期、安全、稳定地实现烟气的超低排放；有良好的适应煤气锅炉负荷变化的能力；避免在脱硫过程中产生新的环境污染，烟气排烟温度高、无需脱白；工艺布置合理，确保生产顺行，操作可靠，维护方便；总图布置考虑节约用地，节省投资。
PPCP脱硫脱硝除尘一体化装置，在工程实践中一直未能达到应有的效果，关键原因在于等离子电源的生产难度大，目前该技术的的工程应用案例有限。
半干法脱硫+低温SCR脱硝，脱硫脱硝效率高、能耗低，适应性强，系统能够自动调节和适应煤气锅炉烟气工况的各种波动，但系统投资和运行成本较高。
罗氏无氨干法，该厂在2019年上半年采用罗氏无氨干法完成对2#和4#燃气锅炉的超低排放改造。改造后的运行效果显示系统可保证SO2基本达标，但无法有效地控制脱硝过程，对NOX去除能力有限。为了保证2#和4#燃气锅炉烟气的达标排放，在罗氏无氨干法基础上，还需配以其它辅助方法。2019年下半年厂里对锅炉进行SNCR改造，SNCR 脱硝效率较低，改造结果还是未能很好的达到天津市超低排放标准。
SDS钠基干法脱硫+SNCR脱硝，工艺较为简单、成熟，投资较低，但SNCR脱硝效率较低，NOX大于100mg/m3 时无法达标排放，且易发生 NH3逃逸。
通过对近年燃气锅炉烟气一体化和联合处理工艺的比选和论证，并结合本项目锅炉自身实际情况，综合分析决定在SNCR的基础上，采用SNCR/SCR联合脱硝+SDS钠基干法脱硫技术对3#燃气锅炉进行超低排放改造。
4 工艺介绍
4.1 SDS钠基干法脱硫
SDS钠基干法脱硫，是将磨至20～30μm的脱硫剂碳酸氢钠喷入烟道，碳酸氢钠在烟道内遇热烟气（140~400℃）变成多孔状的物质，与烟气中的酸性气体充分发生物理、化学反应，SO2和SO3等酸性污染物被吸收净化的脱硫方法。
其主要化学反应为：
4NaHCO3 +2SO2 +O2 → 2Na2SO4 +4CO2 +2H2O
2NaHCO3 +SO3 → Na2SO4 +2CO2 +H2O
SDS钠基干法脱硫的特点：全干系统；占地面积小；系统成本低； 反应效率非常高；灵活性很好；副产物可以利用。
4.2 SNCR/SCR 联合脱硝
SNCR/SCR联合脱硝技术是SNCR和SCR两种脱硝技术的有效结合。联合脱硝系统具有两个反应区，第一反应区SNCR反应区在锅炉炉膛800~1050℃区域，第二反应器区SCR反应区在锅炉尾部烟道。
首先还原剂（氨/尿素稀溶液）通过喷射系统进入第一反应器区，在高温下与烟气中NOX发生还原反应，实现第一步脱硝；然后剩余的还原剂通过烟道到达装有催化剂的第二个反应区，这个区域的烟气经过换热，温度较低，在催化剂作用下发生还原反应实现进一步脱硝。下面是以氨水为还原剂的化学反应式。
第一步脱硝的化学反应为：
4NH3 +4NO + O2 → 4N2+6H2O
8NH3 + 6NO2→ 7N2 +12H2O
第二步脱硝的化学反应为：
4NH3+2NO2 + O2 → 3N2+6H2O
4NH3 +4NO + O2 → 4N2+6H2O
SNCR/SCR联合脱硝技术的特点：有效的结合了SNCR的低费用和SCR的高效率；低的氨逃逸率；催化剂的用量小；系统压降小；整体投资和运行费用等均介于 SNCR 脱硝与 SCR 脱硝技术之间；对于场地小，改造空间受限的情况是较理想的工艺选择方案[4-6]。
5 设计方案
5.1 设计参数
燃气锅炉为JG-140/3.82-Q型锅炉，锅炉烟气处理的主要设计参数如表1所示，表中的颗粒物、NOX和SO2浓度为标态、干基、3%基准含氧量下的折算值。本项目净化目标，当100 mg/Nm3＜入口NOX浓度≤200mg/Nm3时，出口NOX浓度<40 mg/Nm3；当入口NOX浓度≤100 mg/Nm3时，出口NOX浓度<30 mg/Nm3；入口SO2浓度≤150 mg/Nm3时，出口<10 mg/Nm3 ；颗粒物<5 mg/Nm3。以上排放限值均在标态、干基、3%基准含氧量下折算。
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5.2 改造方案
经技术论证最终确定改造方案为：在原有SNCR脱硝系统的基础上，通过锅炉尾部竖井烟道的省煤器改造（两组低温光管省煤器完全拆除，改为一组螺旋鳍片管省煤器），腾出空间内置SCR催化剂，采用SNCR/SCR联合脱硝技术，实现锅炉NOX排放的控制，如图1 所示。新建一套SDS钠基干法脱硫系统，烟气自锅炉2个引风机出口的支烟道取气，2根取气支烟道合并为一根原烟气总烟道。在总烟道的前端设置烟道挡板阀门，挡板阀门后设置脱硫剂均布喷射装置，磨机磨好的脱硫剂被输送到喷射装置喷射到烟道中，实现烟气的脱硫反应。反应后的含粉烟气进入布袋除尘器除尘，除尘后的净烟气由1台增压风机增压后回原混凝土烟囱达标排放。烟气净化后的副产物为废弃干态脱硫灰，可外卖给水泥或者玻璃企业做添加剂。脱硫系统工艺流程见图2。
整个脱硫脱硝系统由以下几个部分组成：（1）脱硝反应器系统及附属设备；（2）脱硫剂投加及均布装置；（3）除尘设备及附属设备；（4）烟道系统及增压风机系统；（5）公辅设备，包括氮气或压缩空气供应系统等；（6）供配电、仪控系统、在线监测等。
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6 改造效果
3#燃气锅炉脱硫脱硝超低排放改造，于2019年12月份开工，脱硝装置当月完工，一次性通烟顺利投运。因疫情影响，脱硫部分于2020年5月开工，7月热负荷调试并顺利投入使用，锅炉稳定运行。8月实际运行数据（见图3、图4和图5）显示，原烟气经过SNCR/SCR联合脱硝+SDS钠基干法脱硫系统后出口净烟气在标态、干基、3%基准含氧量下折算值NOX浓度低于40 mg/Nm3 (最低小于10mg/Nm3 )，SO2浓度低于14mg/Nm3 (调节脱硫剂喷量完全可控制在10mg/Nm3以下甚至接近0)，颗粒物外排浓度低于1.1 mg/Nm3（基本都在1.0 mg/Nm3以下）。各项性能指标均能达到设计要求，并优于当前天津市最新超低排放标准。
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7 结语
3#燃气锅炉脱硫脱硝装置的成功投运和稳定运行，充分证明SNCR/SCR联合脱硝+SDS钠基干法脱硫工艺具备控制超低排放效果好、操作简单、易于维护、运行成本低等优点。此项目的成功实施为国内燃气锅炉和其他同类型锅炉的超低排放提供了可靠的技术路线和集成方案。
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作者通讯信息 ：游如泉，鞍钢（上海）环境工程技术有限公司，上海市浦东新区祖冲之路2290弄展想广场1号楼1209室，邮编：200120，E-mail：464813014@qq.com。