錢涇東

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌330031)

電廠煙氣脫硝工藝淺析

錢涇東

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌330031)

介紹了電廠煙氣脫硝技術(shù)的概況,對選擇性催化還原法煙氣脫硝(SCR法)和選擇性非催化還原法煙氣脫硝(SNCR法)進(jìn)行了評述和技術(shù)性比較，并通過分析國安電廠SCR調(diào)試、投運過程中遇到的問題和解決對策，進(jìn)一步探討了兩種方法的優(yōu)缺點。

火電廠；煙氣脫硝；SCR法；SNCR法；脫硝效率；氨逃逸率

隨著 《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范選擇性催化還原法》、《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》最新版的發(fā)布,火力發(fā)電廠煙氣脫硝工程正式起步,并朝著標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展。根據(jù)淮北國安電力有限公司一期2×320 MW機(jī)組煙氣脫硝改造工程的實踐,對SCR和SNCR兩種脫硝方法進(jìn)行比較,以便對這兩種煙氣脫硝技術(shù)的缺陷進(jìn)行分析與改進(jìn)。

國安電廠2臺機(jī)組的SCR系統(tǒng)入口NOX濃度為550 mg/Nm3,業(yè)主要求:第一次性能考核試驗時最大脫硝效率不低于83.2%,NOX排放濃度不超過100 mg/Nm3；在催化劑化學(xué)壽命周期16 000 h滿之前,最大脫硝效率不低于82.5%；在催化劑化學(xué)壽命周期24 000 h滿之前,脫硝效率不低于81.8%,NOX排放濃度不超過100 mg/Nm3。為此,國安電廠需選擇合適的脫硝方法來達(dá)到此項指標(biāo)。

1 電廠煙氣脫硝方法介紹

1.1 選擇性催化還原法煙氣脫硝(SCR法)

1.1.1 SCR法化學(xué)原理

選擇性催化還原法煙氣脫硝(SCR法)的化學(xué)原理主要為：氮氧化物隨鍋爐的原煙氣進(jìn)入SCR煙氣反應(yīng)系統(tǒng)中[1],首先在反應(yīng)器入口前的煙道部分處,同噴氨系統(tǒng)的氨氣均勻混合,然后進(jìn)入SCR反應(yīng)器本體內(nèi),在催化劑(主要成分為氧化鈦、五氧化二釩)的作用下,氮氧化物與氨氣被還原成氮氣和水,之后隨著凈煙道進(jìn)入空氣預(yù)熱器[2],如圖1所示。

圖1 SCR法煙氣脫硝化學(xué)原理

除上述反應(yīng)外,在脫硝系統(tǒng)裝置中另外還會發(fā)生其它的一些化學(xué)反應(yīng),如氧化反應(yīng)式1、式2、硫酸鹽反應(yīng)式3、式4[3]。

1.1.2 SCR法工藝流程

圖2為SCR法煙氣脫硝工藝的基本流程,脫硝煙氣引自鍋爐的省煤器出口,氨氣脫硝后的凈煙氣進(jìn)入鍋爐的空預(yù)器。脫硝劑采用氨氣,氨氣經(jīng)過稀釋后,通入反應(yīng)器前的煙道與煙氣混合,然后在反應(yīng)器內(nèi)通過催化劑完成反應(yīng)。

圖2 SCR法煙氣脫硝工藝流程

1.1.3 SCR法工藝系統(tǒng)說明

1)煙道。脫硝煙道的入口設(shè)置灰斗,并在適當(dāng)位置設(shè)置人孔門和清灰孔,用來維修、檢查以及清除積灰。另外,人孔門同煙道壁分開保溫,以便于開啟。根據(jù)煙氣流動模型研究結(jié)果要求,一般在切角急轉(zhuǎn)彎頭處或變截面收縮急轉(zhuǎn)彎頭處及其他變徑或認(rèn)為需要的地方,設(shè)置采用耐磨材質(zhì)制作而成的導(dǎo)流板。為了達(dá)到與煙道連接設(shè)備的受力在一定的允許范圍內(nèi),尤其考慮整個煙道的熱膨脹情況,熱膨脹可采用非金屬膨脹器進(jìn)行補償。

2)反應(yīng)器。反應(yīng)器內(nèi)部各類橫向的加強(qiáng)板、支架、密封、鋼架等全部采用方型或者長方型(內(nèi)空)鋼梁,同時考慮熱膨脹的補償措施。催化劑支撐鋼梁采用長方型(內(nèi)空)鋼梁,且在鋼梁側(cè)面設(shè)置催化劑安裝液壓小車的運行軌道,并提供相配套的液壓升降小車。反應(yīng)器設(shè)置足夠大小和數(shù)量的人孔門,并設(shè)半伸縮耙式蒸汽吹灰器(備用層預(yù)留接口)。每臺鍋爐脫硝裝置設(shè)有4套獨立的NOX/O2煙氣分析系統(tǒng),2套獨立的NH3分析系統(tǒng)。

3)催化劑。作為SCR法整個脫硝系統(tǒng)最核心的設(shè)備,催化劑直接影響脫硝效率、運行壽命等諸多因素。催化劑的基本要求見表1,以供參考。

表1 催化劑的基本要求

4)氨/空氣混合系統(tǒng)。氨氣在空氣中的體積濃度達(dá)到15%～26%時,會形成可燃爆炸性混合物(II類)。為了使進(jìn)入煙道內(nèi)的氨氣與空氣混合物絕對的安全,除了要控制氨/空氣混合器內(nèi)氨氣的濃度遠(yuǎn)低于爆炸下限外,還要保證氨氣在氨/空氣混合器內(nèi)的分布均勻。每臺鍋爐裝有2臺稀釋風(fēng)機(jī)(一運一備),將噴入反應(yīng)器入口前煙道的氨稀釋為5%左右氨氣混合氣體[4]。

5)氨/煙氣混合系統(tǒng)。為保證氨氣與空氣混合物噴進(jìn)煙道后,在比較短的距離之內(nèi)使煙氣中的氨氣與氮氧化物充分混合,即反應(yīng)器最頂層催化劑上部煙氣中的氨氣與氮氧化物分布均勻,并且能夠最大限度地適應(yīng)電廠鍋爐的燃燒負(fù)荷變化,每臺鍋爐煙氣脫硝反應(yīng)器設(shè)置一套完整的氨噴射及靜態(tài)混合系統(tǒng)。氨氣噴射采用AIG格柵式,它的每根分布管上都設(shè)有壓縮空氣管道,當(dāng)注入格柵噴嘴發(fā)生堵塞時可進(jìn)行吹掃。噴氨裝置具備橫向和縱向的分區(qū)調(diào)節(jié)功能,為每一個區(qū)域的支管設(shè)手動調(diào)節(jié)蝶閥,并配置流量測量裝置。

1.2 選擇性非催化還原法煙氣脫硝(SNCR法)

1.2.1 化學(xué)原理

選擇性非催化還原法煙氣脫硝(SNCR法)是利用機(jī)械噴槍將含有氨的還原劑(如氨氣、氨水、尿素)溶液霧化成為液滴后噴入電廠的鍋爐爐膛當(dāng)中,經(jīng)過熱解后分解成氣氨,在鍋爐的對流換熱區(qū)(850~ 1 100℃)和沒有催化劑的條件下,氨氣與NOX進(jìn)行選擇性非催化還原反應(yīng),將NOX還原成為N2和H2O。噴入鍋爐爐膛的氣態(tài)NH3同時參與還原和氧化兩個相反的反應(yīng)：當(dāng)溫度超過1 100℃時,NH3被氧化成NOX,其中氧化反應(yīng)為主要反應(yīng)；當(dāng)溫度低于1 100℃時,NH3與NOX以還原反應(yīng)為主,但反應(yīng)速率會降低。

1.2.1 SNCR法工藝流程(以尿素作還原劑)

袋裝的尿素先在尿素溶解罐中加熱溶解,然后由尿素溶液輸送泵輸送至尿素溶液儲罐內(nèi),以供爐內(nèi)脫硝使用。尿素溶液儲罐存放5~7 d脫硝所需要的尿素量。SNCR脫硝時,尿素溶液泵將40%~60%的尿素溶液輸送至混合器,在靜態(tài)混合器中和除鹽水混合,稀釋成約10%的尿素溶液,在尿素溶液泵的壓頭作用下,注入噴槍,通過機(jī)械霧化,以霧狀噴入到鍋爐爐膛中溫度為850～1 100℃范圍的區(qū)域內(nèi),與鍋爐原煙氣中的氮氧化物發(fā)生氧化反應(yīng),達(dá)到脫硝的目的。噴槍的外層注入霧化風(fēng),可將機(jī)械霧化后的尿素溶液進(jìn)一步霧化,另外又起到保護(hù)噴槍不受磨損和冷卻噴槍的效果。圖3為SNCR法煙氣脫硝工藝基本流程圖(以尿素作還原劑為例),尿素溶液經(jīng)過計量分配后霧化成液滴噴入爐膛。

圖3 SNCR法脫硝煙氣工藝流程

2 兩種煙氣脫硝技術(shù)比較

2.1 SCR法煙氣脫硝技術(shù)特點

SCR法煙氣脫硝技術(shù)特點:1)采用尿素、氨水和液氨3種還原劑,選擇性多。2)布置方式根據(jù)溫度和含塵量有高溫高含塵布置(省煤器后空預(yù)器前)、中溫低含塵布置(除塵器后煙囪前)和低溫低含塵布置(脫硫后煙囪前)。3)工作溫度低,范圍為220～450℃。4)脫硝效率可高達(dá)80%以上。5)反應(yīng)產(chǎn)物是氮氣和水,沒有二次污染。6)二氧化硫的氧化率＜1%。7)氨氣逃逸率＜3×10-6,沒有二次污染[5]。

2.2 SNCR法煙氣脫硝技術(shù)特點

相對于SCR法而言,SNCR的脫硝效率比較低。不過相應(yīng)的由于SNCR的投資和運行成本比較低,所以此法適合自備熱電廠的鍋爐使用。SNCR法煙氣脫硝技術(shù)特點如下：1)可控制氮氧化物排放量降低25%~55%,脫硝效率隨著鍋爐機(jī)組容量的增加而下降。2)還原劑需要稀釋到＜10%再噴入爐膛,而熱解過程蒸發(fā)霧化液滴需要吸收一定的熱量,這會造成鍋爐的效率降低約0.15%~0.35%。3)被霧化的還原劑液滴在＞1 050℃時分解,一部分被氧化成了NOX,增加了NOX的原始濃度,從而致使還原劑的利用率比較低。4)不會增加煙氣的阻力,也不會產(chǎn)生新的SO3,氨逃逸濃度可控制在10 μL/L之內(nèi)(SCR是3 μL/L)。5)SNCR法技術(shù)不需要對循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動,僅需在合適的位置上面開孔即可,也不需要改變鍋爐的運行方式,對鍋爐的運行參數(shù)不會有顯著影響。6）整個系統(tǒng)簡單、施工周期短。SNCR法最主要的系統(tǒng)是脫硝劑的儲存系統(tǒng)和噴射系統(tǒng),主要設(shè)備包括儲罐、泵、噴槍及其管路、測控設(shè)備等。由于設(shè)備相對簡單,工程的安裝周期比較短[6]。

3 國安電廠SCR設(shè)計應(yīng)用實例

經(jīng)過比較，為保證國安電廠脫硝的高效率，最終選擇采用選擇性催化還原法煙氣脫硝(SCR法)進(jìn)行設(shè)計。

3.1 設(shè)計調(diào)試中出現(xiàn)的問題

1)SCR投運后,其反應(yīng)生成氮氣和水氣,對鍋爐煙氣量而言,屬微量反應(yīng)。因此煙氣成分參數(shù)變化不大。反應(yīng)器及煙道有適當(dāng)保溫,因此至空氣預(yù)熱器處的煙氣溫度微下降約2～3℃。

2)安裝煙氣脫硝裝置使鍋爐尾部的煙道增加,使從鍋爐爐膛的煙道到空氣預(yù)熱器入口的煙道增加。同時，由于反應(yīng)器及其煙道安裝在溫度比較低的鍋爐廠房外,因此使煙氣的散熱損失略有增加。

3）煙氣散熱損失增加從而導(dǎo)致鍋爐煤耗的增加。

4）煙氣脫硝工程基本都是改造工程,在設(shè)計過程當(dāng)中除了需要考慮設(shè)計合理外,也需要考慮施工和安裝的方便。

3.2 工程中遇到問題的處理對策

1)為了防止煙氣中的飛灰堵塞催化劑通道,在每層催化劑之前設(shè)置吹灰器,可將沉積于入口處的飛灰吹除。在省煤器之后脫硝裝置煙道設(shè)有灰斗,當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運行或檢修吹灰時,收集煙道中的飛灰,始終保持煙道中的清潔狀態(tài)。

2)反應(yīng)器鋼架設(shè)置雙側(cè)樓梯,便于逃生。

3)反應(yīng)器內(nèi)的內(nèi)撐桿和梁的擋灰密封板都做成了完全密封狀態(tài),需要在背風(fēng)面開通氣小孔,以防隨著反應(yīng)器溫度升高而爆裂。

4)鍋爐是采用燃油點火,未完全燃燒的油會附著在催化劑表面,降低脫硝效率,建議業(yè)主盡可能縮短點火時間。

5)從鍋爐處接出的蒸汽吹灰管道上,在氣動關(guān)斷閥之前接一個調(diào)節(jié)閥。吹灰器間斷性地開啟和關(guān)斷,會造成蒸汽管道水擊事故,調(diào)節(jié)閥緩慢開啟可以減小或避免水擊事故的發(fā)生。

3.3 運行效果

工程實際運行指標(biāo)為出口NOX含量90.2 mg/m3、脫硝效率83.6%、氨逃逸率0.9×10-6,滿足技術(shù)協(xié)議中要求的出口NOX含量100 mg/m3、脫硝效率81.8%、氨逃逸率＜3×10-6的性能指標(biāo)。

4 總結(jié)

本文通過比較分析兩種脫硝方法,闡述了各自的側(cè)重和不足之處。其中,SCR煙氣脫硝技術(shù)在國際上已發(fā)展成熟,并成功地應(yīng)用到大型燃煤電廠鍋爐,但在國內(nèi)才剛剛起步。同時，SCR系統(tǒng)的投資過大,限制了該技術(shù)在國內(nèi)的普及和推廣。而SNCR技術(shù)由于它的投資成本低、建設(shè)周期短、脫硝效率適中等有利優(yōu)勢,比較適用于我國的中小型鍋爐；但SNCR技術(shù)氮氧化物脫除效率不高,氨逃逸濃度比較高,所以單獨使用該技術(shù)受到了些限制，對于中小型機(jī)組或老機(jī)組改造,由于其經(jīng)濟(jì)性能方面的優(yōu)勢,仍不失其吸引力。

[1] 中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會.火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范 選擇性催化還原法[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)院出版社，2010.

[2] 孫克勤,鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3] 周立新.工業(yè)脫硫脫硝技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4] 李魁.火電廠脫硝改造工程主要技術(shù)路線淺析[C]//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會.成都：2014中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集，2014.

[5] 王軍.淺談脫硝技術(shù)SCR[J].技術(shù)與市場，2012（9）：87.

[6] 路濤,賈雙燕,李曉蕓.關(guān)于煙氣脫硝的SNCR工藝及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].現(xiàn)代電力，2004（1）：22-27.

Analysis on Flue Gas Denitrification Process of Power Plant

QIAN Jingdong
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The paper introduces the profile of flue gas denitrification technology of power plant,describes and compares selective catalytic reduction flue gas denitrification(SCR method)and selective non-catalytic reduction flue gas denitrification(SNCR method), by analyzing the problems and countermeasures encountered in SCR commissioning and operation period of Guoan power plant,the paper discusses the advantages and disadvantages of the two methods.

power plant;flue gas denitrification;SCR method;SNCR method;denitrification efficiency;ammonia escape rate

X773

A

1004-4345(2015)05-0045-04

2015-08-01

錢涇東（1982—），男,工程師，主要從事 發(fā)電廠脫硫和脫硝工作。