工业锅炉烟气脱硝的科技创新与工程示范

 高洪瑞

工业锅炉的NOx排放量，是城市大气污染源之一，而造成大气污染主要是NO2和NO。北京市顺义大龙城乡建设开发总公司研制开发的“工业锅炉烟气尿素SCR脱硝技术装备”，荣获2013年度环境保护科学技术奖二等奖。

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为控制NOx的排放，2009年3月顺义城北供热中心在国家产业政策的支持下，历经5年攻关，完成科技部和北京市科委同时立项研究项目以及企业研究项目各一项，取得国家专利二项，软件著作权二项。

2012年2月，项目通过了环境保护技术成果鉴定，总体达到国内领先水平。同年该项目设备技术列入《重大技术装备自主创新指导目录》、《工业锅炉脱硝技术装备》。目前，有3套锅炉脱硝设备成功稳定运行，烟气脱硝指标达到了北京市锅炉污染物排放标准，脱硝效率达到75%以上，为我国工业锅炉脱硝技术开创了一条新的道路。

工业锅炉脱硝属于创新高端环保技术研发，包含技术研究和产品转化两方面。当时，我国工业锅炉烟气脱硝技术尚无应用实例，多为引进国外成熟的烟气脱硝技术的方式，常用的处理工艺主要包括选择性催化还原法（SCR），选择性非催化还原法（SNCR），氧化法脱硝技术等。发达国家工业锅炉应用极少，工业锅炉烟气脱硝技术能够直接从国外引进的经验和技术较少。

根据国情，项目组在整合国内资源的基础上，吸收消化国内外脱硝技术和经验，自主创新研发适合我国国情的工业锅炉烟气脱硝技术与装备。

第一步项目组与国家863计划锅炉烟气脱硝技术研究的大学进行合作，加快研究成果的转化，并取得了实际运行条件下的脱硝实验数据和检测结果。通过对科研机构技术成果的比选，该项目最终采用选择性催化还原法做为该项目的烟气脱硝技术，并选择与东南大学技术合作。

第二步项目组对国内供热工业锅炉设备进一步研究，解决工业锅炉运行期间温度场不稳定的问题。国内外采用SCR脱硝技术装备对工业锅炉进行尾气处理，一直没有成熟的范例。SCR脱硝装置是利用催化剂对烟气进行催化还原反应，将烟气中的有害气体氮氧化物NOx还原成无毒的氮气N2，催化还原反应发生的条件是催化剂要在合适的烟气温度环境，催化剂要求的环境温度在330—400℃范围内。我国面广量大的工业锅炉，受使用条件、大气环境温度等因素的影响，每天的不同时间段都要改变锅炉的负荷，排烟温度随锅炉负荷经常变化。SCR脱硝装置的催化剂在过低温度下会发生中毒而降低效用，甚至导致催化剂作废，造成重大经济损失；在过高温度下，催化剂也会失去效用。

锅炉专家经过重新计算和研究，通过增加锅炉烟气调节装置来获得较稳定的排烟温度，满足脱硝催化剂发挥催化作用的温度区段。此项技术创新，既保证了SCR装置处于能够连续投运的状态，又保证了锅炉的设计能力和热效率，同时排烟温度确保锅炉和脱硝设备不会发生低温腐蚀。

第三步是对选择性催化还原法脱硝工艺中的还原剂的选择。SCR脱硝装置是利用氨气NH3在有催化剂的情况下对烟气进行催化还原反应，将烟气中的有害气体氮氧化物还原成无毒的氮气和水，还原剂氨气NH3的制备有液氨气化和尿素热解两种做法，该项目选用了尿素热解制氨技术。

在完成核心关键技术难题的攻关后，2011年安装了顺义城北供热中心3号锅炉的烟气脱硝设备，并于当年投入运行。此项工程设计是全新的挑战。首先SCR装置脱硝装置对烟气流速、NH3/NOx、温度及飞灰的负载分布提出了严格的要求；其次传统的设计方法只能给出一些定性的分析结果，而试验研究亦因设备尺度的问题受到限制。

该项目采用智能数控系统，实现了全面监控，自动调节，智能化运行。设计过程中，成功开发了快速反应智能化数控系统，实现了尿素复合分解还原剂制备工艺对锅炉实时负荷的快速跟踪及快速调节。在入口参数快速变化，而出口反馈相对滞后的条件下，SCR装置能够及时调整尿素加入量和喷氨量，从而确保脱硝效率稳定、保证氨出口逃逸率充分满足标准要求。

运行成本的控制，也是项目建设控制的重点工作。SCR装置脱硝还原剂选用了尿素，安全性好，尿素成本也较低，可尿素热解制备氨气NH3能耗较大，运行费用较高。项目组通过技术创新，综合利用了锅炉的散热，将电加热作为辅助调节设备。技术改造后，每台脱硝装置运行能耗降低三分之一以上，大幅降低了脱硝设备运行成本，同时也减少了设备投资。

顺义城北供热中心烟气脱硝实际运行数据显示，脱硝效率≥80%；NOx排放浓度≤150mg/m3；设备阻力≤800Pa；氨逃逸率≤3ppm。设备烟气脱硝指标优于现行相关国家标准和北京地方标准的相应限值，完全满足国内最严格的现行标准DB11/139—2007锅炉大气污染物排放标准规定NOx排放限值。

目前，国外最严的NOx排放限值为50mg/m3，而该项目经机构检测NOx排放浓度为41mg/m3，氨的逃逸率为2.2ppm，优于主要发达国家的同类技术指标（氨逃逸率<5ppm），设备性能达到了世界先进水平。经全国推广实施后，每年可减排nox208万吨。据悉，全国工业锅炉产生的排放nox总量约为300万吨，1吨nox间接经济损失2.5万元。该装备若减排60%，每年其环境效益可以达到每年521亿元之巨。