多工况脱硝一体化余热锅炉设计

多工况脱硝一体化余热锅炉设计

催化裂化装置余热锅炉设计复杂，适应工况多，环保要求高，其排放的氮氧化物会对环境产生不利影响。在某项目220万吨/年催化裂解装置中，采用了一种多工况脱硝一体化余热锅炉设计。锅炉结构紧凑，对于烟气温度控制准确合理，工况适应性强，保证了脱硝系统在催化装置不同工况下的稳定运行。

标签：催化余热锅炉；SCR；多工况；烟气温度控制

近年来，随着国家绿色发展理念的提出，对炼厂中余热锅炉的排放指标提出了更高的要求。目前，随着国家对环保要求的日趋严格，部分地区更是对国家颁布的《火电厂大气污染排放标准》（GB13223-2011）的排放限值进行升级，余热锅炉增设脱硫脱硝措施已经势在必行。文章只就余热锅炉的脱硝技术进行讨论，介绍了对某石化厂催化裂化装置的余热锅炉的多种工况进行了详细计算，根据计算结果引入了烟气分流的理念，通过调节烟气量控制脱硝装置的入口温度，适应多种生产工况，达到了节能减排的目的。

1 烟气脱硝技术简介[1]及技术选择

烟气脱硝技术是一种在燃料基本燃烧完毕后通过还原剂把烟气中的NOx还原成N2和H2O的一种技术。通用的烟气脱硝技术包括选择性催化还原脱硝技术（SCR）和选择性非催化还原脱硝技术（SNCR）。

1.1 选择性催化还原脱硝技术（SCR）

SCR其原理是在一定的温度和催化剂作用下，还原剂有选择地把烟气中的NOx还原为无毒无污染的N2和H2O。SCR脱硝技术是目前世界上应用最多，最为成熟有效的一种烟气脱硝技术，反应温度一般在300～420℃之间，脱硝效率可达90%，催化剂使用寿命一般为3年。

1.2 选择性非催化还原脱硝技术（SNCR）

SNCR脱硝技术是把含有HNx基的还原剂（如尿素）喷入炉膛温度为800～1100℃的区域，该还原剂迅速热分解成NH3，并与烟气中的NOx进行反应，生成N2，该方法以炉膛为反应器，可通过对锅炉进行改造实现。SNCR工艺的NOx 脱除效率主要取决于反应温度，NH3与NOx的化学计量比、混合程度、反应时间等，通常设计合理的SNCR工艺能达到30%～70%的脱硝效率。SNCR技术具有一次性投资少，运行成本低等特点。

本项目的余热锅炉，正常工况时，入口高温烟气温度为540℃，经过方案比选，脱硝技术选用SCR工艺。

催化剂是SCR烟气脱硝的核心部件，性能直接影响整体脱硝效果。而烟气

温度是影响催化剂运行的重要因素，不仅决定反应物的反应速度，而且决定催化剂的反应活性，决定催化剂的寿命[2]。不同的催化剂具有不同的适宜温度范围（称为温度窗口）。对于特定的一种催化剂，其温度窗口是一定的。当反应温度低于窗口的最低温度，在催化剂上将出现副反应。氨分子与SO3和H2O反应生成（NH4）2SO4或NH4HSO4，减少了与NOx的反应，生成物附着在催化剂表面，引起污染积灰并堵塞催化剂的通道和微孔，从而降低催化剂的活性。如果工作温度高于反应温度窗口，催化剂通道与微孔发生变形，导致有效通道和面积减少，从而使催化剂失活[3]。

在本项目的设计中，根据SCR厂家的要求，SCR催化剂的最佳设计温度窗口在340±20℃的范围之间。为了把SCR的操作温度控制在340±20℃的温度范围之内，对于催化余热锅炉烟气引出位置及烟气温度的控制，成为了余热锅炉脱硝系统的设计要点，同时由于催化装置的烟气条件及热负荷的多变性，在余热锅炉的设计中，必须充分考虑其各工况下的特点，保证在任何工况下，进入SCR的烟气温度均可控制在合理温度范围之内。

2 余热锅炉的多工况介绍

催化装置的生产过程中有大量的余热产生，除了再生器产生的大量的高温烟气进入余热锅炉发生蒸汽外，同时装置中外取热器和油浆蒸汽发生器也发生了大量的饱和蒸汽，需要进入余热锅炉的过热器中过热。当催化装置本身的负荷发生变化，或者外取热器及油浆蒸汽发生器负荷发生变化时，都会对余热锅炉的负荷造成变化。余热锅炉的设计必须满足在任何工况下，保证蒸汽出口参数和SCR 入口烟气温度的要求。本项目余热锅炉的设计共考虑以下9种设计工况，其热力计算汇总表见表1。

3 余热锅炉结构

根据多工况余热锅炉热力计算结果及长周期运行的需要，余热锅炉整体呈“π”型，单锅筒自然循环、微正压、露天布置、全钢构架结构，参数为中温中压，额定蒸汽压力3.9MPa（G），额定蒸汽温度420℃。

如图1所示，多工况脱硝一体化余热锅炉，由进口烟道（1）、旁路烟道（2）、过热段（3）、1#蒸发段（4）、脱硝装置入口烟道（5）、2#蒸发段（6）、3#蒸发段（7）、省煤段（8）、出口烟道（9）、烟气控制蝶阀Ⅰ（10）、烟气控制蝶阀Ⅱ（11）、烟气控制蝶阀Ⅲ（12）、烟气控制蝶阀Ⅳ（13）、烟气控制蝶阀Ⅴ（14）和汽包（15）组成。

装置来的高温再生烟气依次流经进口烟道、过热段、1#蒸发段、脱硝装置、2#蒸发段、3#蒸发段、省煤段、出口烟道。

余热锅炉同时设置了三个烟气入口，一路为烟气流经进口烟道（1），经过烟气控制蝶阀Ⅰ（10）进入锅炉；另一路为烟气流经旁路烟道（2），经过烟气控制蝶阀Ⅲ（12）进入过热段（3）之后；第三路为烟气流经旁路烟道（2），经过烟

气控制蝶阀Ⅳ（13），进入1#蒸发段（4）之后。通过调节各烟气入口的烟气量，达到在各工况下，满足蒸汽出口参数和SCR入口烟气温度的要求。

4 余热锅炉控制

由于外取热器和油浆蒸汽发生器产生的蒸汽必须在余热锅炉内过热，余热锅炉需在任何工况下均保证蒸汽质量和蒸汽参数合格，而脱硝装置位于1#蒸發段的后面，为了保证脱硝效果必须使得脱硝装置的入口烟气温度控制在340±20℃，这就要求余热锅炉的设计必须考虑满足锅炉过热蒸汽出口温度、脱硝装置的入口温度的需要，同时还要合理布置各受热面。余热锅炉的受热面一旦布置成型就无法更改，但是为了适应这种多样化、复杂化的烟气流量的变化，只有通过调节烟气的分配，去适应烟气流量及温度的变化。因此余热锅炉的设计引入了烟气分流理念，通过烟气控制蝶阀Ⅰ（10）、烟气控制蝶阀Ⅱ（11）、烟气控制蝶阀Ⅲ（12）、烟气控制蝶阀Ⅳ（13）、烟气控制蝶阀Ⅴ（14）的调节来控制烟气分配流量，进而保证了余热锅炉在各种工况下均能保证脱硝装置340±20℃的入口温度。根据表1的计算结果，现就如下三种典型工况进行详细说明（见图2）：

（1）正常工况。由表中计算结果可以看出，在正常工况下，过热器受热面积有裕量。倘若所有烟气均通过过热器，那么必将引起蒸汽超温。因此，烟气控制蝶阀Ⅱ（11）烟气控制蝶阀Ⅲ（12）打开，保证部分高温烟气没有经过过热器。同时我们看到，1#蒸发段受热面积同样有裕量，倘若所有烟气均经过1#蒸发段，那么1#蒸发段的出口烟气温度将低于340℃，无法保证脱硝装置的正常运行。因此，烟气控制蝶阀Ⅳ（13）打开，保证部分高温烟气与经过1#蒸发段的低温烟气混合，达到合理的温度。由计算结果可知，工况3、工况4、工况5和工况8与正常工况结论相似。

（2）工况7。由表中计算结果可以看出，此条件下，过热器受热面积同样有裕量。因此，烟气控制蝶阀Ⅱ（11）烟气控制蝶阀Ⅲ（12）打开，保证部分高温烟气没有经过过热器。但是我们发现，1#蒸发段受热面积刚刚好，当所有烟气均通过1#蒸发段时，才能保证烟气温度降到脱硝装置要求的温度，因此，烟气控制蝶阀Ⅳ（13）必须关闭，保证没有任何高温烟气越过1#蒸发段与经过1#蒸发段的低温烟气混合。由计算结果可知，工况2和工况6结论相似。

（3）工况9。由表中计算结果可以看出，此条件下，过热器受热面积没有裕量。若想让蒸汽出口参数满足蒸汽参数的要求，必须保证全部高温烟气都经过过热器。因此，烟气控制蝶阀Ⅱ（11）必须关闭。同时我们看到，1#蒸发段受热面积同样有裕量，倘若所有烟气均经过1#蒸发段那么出口温度将低于340℃。因此，烟气控制蝶阀Ⅲ（12）烟气控制蝶阀Ⅳ（13）打開，保证部分高温烟气与经过1#蒸发段的低温烟气混合，达到合理的温度。

由于工况复杂，对于脱硝装置入口烟气温度的合理调节必须依赖通过烟气控制蝶阀Ⅰ（10）、烟气控制蝶阀Ⅱ（11）、烟气控制蝶阀Ⅲ（12）、烟气控制蝶阀Ⅳ（13）、烟气控制蝶阀Ⅴ（14）这五个阀门的互相配合，各阀门开度也需要根据实际情况，具体调节。