王繼華

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

0 引言

燃煤電廠機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，排放的煙氣中含有大量的NOx，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，影響空氣質(zhì)量。為降低煙氣中NOx的排放量，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，各燃煤電廠陸續(xù)開始增設(shè)脫硝裝置。目前，成熟的燃煤電廠NOx控制技術(shù)主要包括燃燒中脫硝技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)，燃燒中脫硝技術(shù)是指低氮燃燒技術(shù)(LNB)，煙氣脫硝技術(shù)包括選擇性催化還原(SCR)、選擇性非催化還原(SNCR)和SNCR/SCR聯(lián)用技術(shù)[1]等。本文主要介紹3種煙氣脫硝技術(shù)的應(yīng)用及對(duì)比。

1 SCR，SNCR和SNCR/SCR脫硝技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 SCR脫硝

SCR化學(xué)反應(yīng)機(jī)制比較復(fù)雜，但主要反應(yīng)是在一定的溫度和催化劑作用下，還原劑有選擇地把煙氣中的NOx還原為無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O，工業(yè)應(yīng)用的還原劑主要是氨，其次是尿素。液氨或氨水在蒸發(fā)器蒸發(fā)后噴入系統(tǒng)中，在催化劑的作用下，氨氣將煙氣中的NOx還原為N2和H2O。SCR反應(yīng)溫度為250～450 ℃，主反應(yīng)方程式(催化劑作用下)：

副反應(yīng)方程式：

布置方式：(1)高塵布置：脫硝裝置布置在鍋爐的省煤器與空氣預(yù)熱器(以下簡(jiǎn)稱空預(yù)器)之間，如圖1a所示；(2)高溫除塵低塵布置：脫硝裝置布置在高溫除塵裝置后，如圖1b所示；(3)脫硫后低塵布置：脫硝裝置布置在脫硫裝置后，如圖1c所示。目前已建SCR法脫硝裝置大多采用高塵布置方式。SCR主要性能指標(biāo)包括脫硝效率、NH3逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率等。

國(guó)投伊犁能源開發(fā)有限公司國(guó)投伊犁熱電(2×330 MW)脫硝工程，由中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司做脫硫、脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)-采購(gòu)-施工(EPC)總承包。該項(xiàng)目為2011年新建機(jī)組，同步建設(shè)脫硫、脫硝裝置。煙氣脫硝采用SCR法，氨作還原劑，每臺(tái)鍋爐設(shè)置2臺(tái)反應(yīng)器，SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間(屬高塵布置方式)；采用2+1(備用)層蜂窩式催化劑，用聲波吹灰器進(jìn)行吹灰。該機(jī)組2012年投運(yùn)，脫硝效率達(dá)到80%以上。

1.2 SNCR脫硝

在不采用催化劑的條件下，在爐膛(或循環(huán)流化床分離器)內(nèi)煙氣適宜處(反應(yīng)溫度窗口為850～1 100 ℃)均勻噴入氨或尿素等還原劑，與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和H2O[2]。SNCR主要性能指標(biāo)包括脫硝效率、NH3逃逸率等。主反應(yīng)方程式：

當(dāng)溫度高于溫度窗口時(shí)，NH3的氧化反應(yīng)開始起主導(dǎo)作用，反而生成NO，副反應(yīng)方程式：

河北華電石家莊熱電有限公司4×410 t/h 鍋爐脫硝改造工程，由中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司做EPC總承包。采用顆粒尿素作還原劑[3]，系統(tǒng)由尿素公用區(qū)和SNCR區(qū)組成。2014年系統(tǒng)投入運(yùn)行，脫硝裝置出口NOx排放質(zhì)量濃度<100 mg/m3(標(biāo)態(tài)，干基，6% O2，下同)。

王繼華：SCR，SNCR和SNCR/SCR煙氣脫硝技術(shù)的應(yīng)用及對(duì)比

圖1 脫硝裝置布置方式

1.3 SNCR/SCR聯(lián)用技術(shù)

在煙氣流程中分別安裝SNCR 和SCR 裝置。在SNCR區(qū)段，通過(guò)布置在鍋爐爐墻上的噴射系統(tǒng)，首先將還原劑噴入爐膛，高溫下還原劑與煙氣中的NOx發(fā)生非催化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)初步脫氮；在SCR區(qū)段利用SNCR工藝逃逸的氨氣在SCR催化劑的作用下將煙氣中的NOx還原成N2和H2O。其主要反應(yīng)如下。

氨為還原劑：

尿素為還原劑：

當(dāng)溫度超過(guò)反應(yīng)溫度時(shí)，氨會(huì)被氧化成NOx：

與單一的SCR技術(shù)和SNCR技術(shù)相比，SNCR/SCR聯(lián)用煙氣脫硝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：聯(lián)用技術(shù)脫硝效率接近SCR技術(shù)；催化劑用量少；SCR反應(yīng)器體積小，空間適應(yīng)性強(qiáng)；脫硝系統(tǒng)阻力??；減少SO2向SO3的轉(zhuǎn)化，降低腐蝕危害；可以方便地使用尿素作為脫硝還原劑。SNCR/SCR聯(lián)用技術(shù)是將SNCR工藝的低費(fèi)用特點(diǎn)同SCR工藝的高脫硝效率及低的氨逸出率有效結(jié)合[4]。

新疆華電哈密熱電有限責(zé)任公司#5，#6機(jī)組脫硝改造工程，由中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司做EPC總承包。該項(xiàng)目采用低氮燃燒(LNB)+SNCR/SCR脫硝工藝，顆粒尿素作還原劑，爐側(cè)設(shè)置LNB，SNCR噴射系統(tǒng)安裝在鍋爐爐膛上，SCR裝置安裝在鍋爐省煤器出口至空預(yù)器入口之間(屬高塵布置方式)，反應(yīng)器布置在空預(yù)器上方，每臺(tái)鍋爐按一臺(tái)反應(yīng)器設(shè)計(jì)，每臺(tái)反應(yīng)器布置一層板式催化劑，采用聲波吹灰器進(jìn)行吹灰。2014年系統(tǒng)投入運(yùn)行，脫硝裝置出口NOx排放質(zhì)量濃度<100 mg/m3。

1.4 SCR，SNCR和SNCR/SCR脫硝工藝比較

3種煙氣脫硝技術(shù)的綜合對(duì)比見表1。選擇煙氣脫硝技術(shù)需根據(jù)機(jī)組的實(shí)際情況，綜合比較各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，做到既滿足國(guó)家環(huán)保要求，又不造成資金浪費(fèi)。

2 脫硝控制系統(tǒng)配置方案

2.1 脫硝系統(tǒng)控制方式

依據(jù)燃煤電站運(yùn)行特點(diǎn)及脫硝系統(tǒng)與鍋爐的關(guān)系，對(duì)于2臺(tái)鍋爐的脫硝系統(tǒng)，通?？梢钥紤]以下3種脫硝系統(tǒng)控制方式。

(1)脫硝反應(yīng)區(qū)控制直接采用分散控制系統(tǒng)(DCS)或可編程邏輯控制器(PLC)控制站，控制站布置在單元機(jī)組電子設(shè)備間內(nèi)，直接接入主機(jī)組控制系統(tǒng)；還原劑制備區(qū)控制設(shè)備采用DCS/PLC遠(yuǎn)程站或遠(yuǎn)程I/O，布置在還原劑制備區(qū)就地電子設(shè)備間內(nèi)，通過(guò)光纖連入2臺(tái)機(jī)組的公用DCS/PLC網(wǎng)。

表1 3種煙氣脫硝技術(shù)的綜合對(duì)比

通過(guò)上述控制方式，整個(gè)脫硝系統(tǒng)的監(jiān)視和控制可直接在單元機(jī)組控制系統(tǒng)操作員站上完成。該方案中的脫硝反應(yīng)區(qū)及還原劑制備系統(tǒng)只是整個(gè)DCS網(wǎng)中的一個(gè)分支系統(tǒng)。脫硝控制系統(tǒng)軟硬件應(yīng)與主機(jī)系統(tǒng)一致。

(2)脫硝反應(yīng)區(qū)部分的控制方式同上述方式；考慮還原劑介質(zhì)的特殊性，將脫硝還原劑制備區(qū)視為燃煤電站輔助車間，對(duì)其采用PLC設(shè)備，就地設(shè)控制室，重要信號(hào)通過(guò)硬接線連入主機(jī)DCS，制備區(qū)控制納入全廠輔控網(wǎng)，從而減少對(duì)機(jī)組運(yùn)行人員的干擾。在單元機(jī)組操作員站上完成脫硝反應(yīng)區(qū)的監(jiān)控，在輔控網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)脫硝還原劑制備區(qū)的監(jiān)控。

(3)脫硝反應(yīng)區(qū)控制直接采用DCS或PLC控制站，控制站布置在脫硫電子設(shè)備間內(nèi)或反應(yīng)器平臺(tái)上，直接接入脫硫控制系統(tǒng)；還原劑制備區(qū)控制設(shè)備采用DCS/PLC遠(yuǎn)程站或遠(yuǎn)程I/O，布置在還原劑制備區(qū)就地電子設(shè)備間內(nèi)，通過(guò)光纖連入2臺(tái)機(jī)組的公用脫硫網(wǎng)。脫硝系統(tǒng)重要信號(hào)通過(guò)硬接線連入主機(jī)DCS，整個(gè)脫硝系統(tǒng)的監(jiān)視和控制直接在脫硫控制室內(nèi)完成。此種控制方式適合脫硫脫硝為建設(shè)-經(jīng)營(yíng)-轉(zhuǎn)讓(BOT)運(yùn)營(yíng)模式的項(xiàng)目。

2.2 控制機(jī)柜布置

不論采用哪種脫硝工藝方案和控制方式，脫硝還原劑制備區(qū)的控制機(jī)柜均統(tǒng)一布置在就地電子設(shè)備間。根據(jù)脫硝工藝方案、控制方式及甲方的具體要求，脫硝反應(yīng)區(qū)控制柜的布置方式通?？梢钥紤]以下幾種方案。

(1)布置在單元機(jī)組電子設(shè)備間。控制柜電源取自機(jī)組DCS電源柜，電纜敷設(shè)可利舊使用部分主機(jī)電纜通道，便于單元機(jī)組對(duì)脫硝系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控。適用于采用2.1章節(jié)中第(1)，(2)種控制方式的脫硝系統(tǒng)。

(2)布置在脫硝平臺(tái)上或脫硝煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)小間?？刂乒耠娫纯扇∽詸C(jī)組電源柜，亦可取自就近脫硝電氣電源；控制電纜的距離較短，電纜敷設(shè)和檢修維護(hù)方便。適用于各種控制方式的脫硝系統(tǒng)。

(3)布置在脫硫電子設(shè)備間?？刂乒耠娫慈∽悦摿駾CS電源柜，電纜敷設(shè)可利舊使用部分脫硫電纜通道，便于脫硫?qū)γ撓跸到y(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控。僅適用于采用2.1章節(jié)中第(3)種控制方式的脫硝系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

截至2018年，全國(guó)90%以上的火電廠已設(shè)有脫硝裝置，大部分電廠已完成煙氣脫硝超低排放改造。SCR，SNCR，SCR/SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù)廣泛應(yīng)用于全國(guó)各類火電燃煤機(jī)組，每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)改造機(jī)組的工藝參數(shù)、地理位置、空間要求等情況，合理地選擇脫硝技術(shù)方案和控制方式。