工業(yè)鍋爐煙氣脫硝的科技創(chuàng)新與工程示范
工業(yè)鍋爐的NOx排放量，是城市大氣污染源之一，而造成大氣污染主要是NO2和NO。北京市順義大龍城鄉(xiāng)建設(shè)開發(fā)總公司研制開發(fā)的“工業(yè)鍋爐煙氣尿素SCR脫硝技術(shù)裝備”，榮獲2013年度環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎二等獎。
為控制NOx的排放，2009年3月順義城北供熱中心在國家產(chǎn)業(yè)政策的支持下，歷經(jīng)5年攻關(guān)，完成科技部和北京市科委同時立項研究項目以及企業(yè)研究項目各一項，取得國家專利二項，軟件著作權(quán)二項。
2012年2月，項目通過了環(huán)境保護(hù)技術(shù)成果鑒定，總體達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。同年該項目設(shè)備技術(shù)列入《重大技術(shù)裝備自主創(chuàng)新指導(dǎo)目錄》、《工業(yè)鍋爐脫硝技術(shù)裝備》。目前，有3套鍋爐脫硝設(shè)備成功穩(wěn)定運行，煙氣脫硝指標(biāo)達(dá)到了北京市鍋爐污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，脫硝效率達(dá)到75%以上，為我國工業(yè)鍋爐脫硝技術(shù)開創(chuàng)了一條新的道路。
工業(yè)鍋爐脫硝屬于創(chuàng)新高端環(huán)保技術(shù)研發(fā)，包含技術(shù)研究和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化兩方面。當(dāng)時，我國工業(yè)鍋爐煙氣脫硝技術(shù)尚無應(yīng)用實例，多為引進(jìn)國外成熟的煙氣脫硝技術(shù)的方式，常用的處理工藝主要包括選擇性催化還原法（SCR），選擇性非催化還原法（SNCR），氧化法脫硝技術(shù)等。發(fā)達(dá)國家工業(yè)鍋爐應(yīng)用極少，工業(yè)鍋爐煙氣脫硝技術(shù)能夠直接從國外引進(jìn)的經(jīng)驗和技術(shù)較少。
根據(jù)國情，項目組在整合國內(nèi)資源的基礎(chǔ)上，吸收消化國內(nèi)外脫硝技術(shù)和經(jīng)驗，自主創(chuàng)新研發(fā)適合我國國情的工業(yè)鍋爐煙氣脫硝技術(shù)與裝備。
第一步項目組與國家863計劃鍋爐煙氣脫硝技術(shù)研究的大學(xué)進(jìn)行合作，加快研究成果的轉(zhuǎn)化，并取得了實際運行條件下的脫硝實驗數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果。通過對科研機構(gòu)技術(shù)成果的比選，該項目最終采用選擇性催化還原法做為該項目的煙氣脫硝技術(shù)，并選擇與東南大學(xué)技術(shù)合作。
第二步項目組對國內(nèi)供熱工業(yè)鍋爐設(shè)備進(jìn)一步研究，解決工業(yè)鍋爐運行期間溫度場不穩(wěn)定的問題。國內(nèi)外采用SCR脫硝技術(shù)裝備對工業(yè)鍋爐進(jìn)行尾氣處理，一直沒有成熟的范例。SCR脫硝裝置是利用催化劑對煙氣進(jìn)行催化還原反應(yīng)，將煙氣中的有害氣體氮氧化物NOx還原成無毒的氮氣N2，催化還原反應(yīng)發(fā)生的條件是催化劑要在合適的煙氣溫度環(huán)境，催化劑要求的環(huán)境溫度在330—400℃范圍內(nèi)。我國面廣量大的工業(yè)鍋爐，受使用條件、大氣環(huán)境溫度等因素的影響，每天的不同時間段都要改變鍋爐的負(fù)荷，排煙溫度隨鍋爐負(fù)荷經(jīng)常變化。SCR脫硝裝置的催化劑在過低溫度下會發(fā)生中毒而降低效用，甚至導(dǎo)致催化劑作廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失；在過高溫度下，催化劑也會失去效用。
鍋爐專家經(jīng)過重新計算和研究，通過增加鍋爐煙氣調(diào)節(jié)裝置來獲得較穩(wěn)定的排煙溫度，滿足脫硝催化劑發(fā)揮催化作用的溫度區(qū)段。此項技術(shù)創(chuàng)新，既保證了SCR裝置處于能夠連續(xù)投運的狀態(tài)，又保證了鍋爐的設(shè)計能力和熱效率，同時排煙溫度確保鍋爐和脫硝設(shè)備不會發(fā)生低溫腐蝕。
第三步是對選擇性催化還原法脫硝工藝中的還原劑的選擇。SCR脫硝裝置是利用氨氣NH3在有催化劑的情況下對煙氣進(jìn)行催化還原反應(yīng)，將煙氣中的有害氣體氮氧化物還原成無毒的氮氣和水，還原劑氨氣NH3的制備有液氨氣化和尿素?zé)峤鈨煞N做法，該項目選用了尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)。
在完成核心關(guān)鍵技術(shù)難題的攻關(guān)后，2011年安裝了順義城北供熱中心3號鍋爐的煙氣脫硝設(shè)備，并于當(dāng)年投入運行。此項工程設(shè)計是全新的挑戰(zhàn)。首先SCR裝置脫硝裝置對煙氣流速、NH3/NOx、溫度及飛灰的負(fù)載分布提出了嚴(yán)格的要求；其次傳統(tǒng)的設(shè)計方法只能給出一些定性的分析結(jié)果，而試驗研究亦因設(shè)備尺度的問題受到限制。
該項目采用智能數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了全面監(jiān)控，自動調(diào)節(jié)，智能化運行。設(shè)計過程中，成功開發(fā)了快速反應(yīng)智能化數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了尿素復(fù)合分解還原劑制備工藝對鍋爐實時負(fù)荷的快速跟蹤及快速調(diào)節(jié)。在入口參數(shù)快速變化，而出口反饋相對滯后的條件下，SCR裝置能夠及時調(diào)整尿素加入量和噴氨量，從而確保脫硝效率穩(wěn)定、保證氨出口逃逸率充分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
運行成本的控制，也是項目建設(shè)控制的重點工作。SCR裝置脫硝還原劑選用了尿素，安全性好，尿素成本也較低，可尿素?zé)峤庵苽浒睔釴H3能耗較大，運行費用較高。項目組通過技術(shù)創(chuàng)新，綜合利用了鍋爐的散熱，將電加熱作為輔助調(diào)節(jié)設(shè)備。技術(shù)改造后，每臺脫硝裝置運行能耗降低三分之一以上，大幅降低了脫硝設(shè)備運行成本，同時也減少了設(shè)備投資。
順義城北供熱中心煙氣脫硝實際運行數(shù)據(jù)顯示，脫硝效率≥80%；NOx排放濃度≤150mg/m3；設(shè)備阻力≤800Pa；氨逃逸率≤3ppm。設(shè)備煙氣脫硝指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)行相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和北京地方標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)限值，完全滿足國內(nèi)最嚴(yán)格的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)DB11/139—2007鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定NOx排放限值。
目前，國外最嚴(yán)的NOx排放限值為50mg/m3，而該項目經(jīng)機構(gòu)檢測NOx排放濃度為41mg/m3，氨的逃逸率為2.2ppm，優(yōu)于主要發(fā)達(dá)國家的同類技術(shù)指標(biāo)（氨逃逸率<5ppm），設(shè)備性能達(dá)到了世界先進(jìn)水平。經(jīng)全國推廣實施后，每年可減排NOx208萬噸。據(jù)悉，全國工業(yè)鍋爐產(chǎn)生的排放NOx總量約為300萬噸，1噸NOx間接經(jīng)濟(jì)損失2.5萬元。該裝備若減排60%，每年其環(huán)境效益可以達(dá)到每年521億元之巨。
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