摘要: 近年來國家環保總局已批復20 個左右的電廠要求安裝煙氣脫硝裝置, 采用的工藝有SCR、SNCR 和SNCR+SCR 組合, 但使用較多的還是SCR 工藝。結合廣州恒運熱電廠的SCR 脫硝項目, 介紹了SCR 工藝的原理、流程、技術特點和運行成本分析等, 闡述了SCR 工藝具有技術成熟、運行易于控制、安全可靠、脫硝率高、運行成本比較低等優點, 針對SCR 工藝存在的空氣預熱器積鹽堵塞提出了預防措施: ( 1) 降低氨氣逃逸量, 嚴格控制在3×10- 6 以下; ( 2) 采用低SO2/SO3 轉化率的脫硝催化劑; ( 3) 降低飛灰含碳量; ( 4) 選擇合適的空氣預熱器和吹灰系統; ( 5) 采用低過量空氣燃燒方式。

關鍵詞: 火電廠, 煙氣脫硝, SCR 脫硝, 氨氣, 蒸汽吹掃

廣州恒運熱電廠擴建2 臺300MW燃煤發電機組, 根據國家環境保護總局環審[ 2005] 292 號文件要求, 該項目要同步建設煙氣脫硫和脫硝裝置, 配套的煙氣脫硝工藝是引進德國魯奇能捷斯集團的選擇性催化還原法( SCR) 全煙氣脫硝。

1 脫硝原理

脫硝裝置采用高塵布置的方式: SCR 反應器布置在鍋爐省煤器和空氣預熱器之間。在反應器中, 噴入的氨氣與煙氣中NOx 在催化劑和280～420 ℃溫度作用下, 發生如下脫硝反應:

4NO+ 4NH3 +O2 = 4N2 + 6H2O

2NO2 + 4NH3 +O2 = 3N2 + 6H2O

6NO+ 4NH3 = 5N2 + 6H2O

6NO2+ 8NH3 = 7N2 + 12H2O

脫硝產物是氣態N2 和H2O, 隨煙氣排向大氣, 不會造成二次污染。

2 工藝流程及設計參數

2.1 工藝流程

每臺300 MW 機組配置2 個脫硝反應器, 2 臺300 MW 機組共用1 套氨系統, 其工藝流程見圖1。

煙氣從鍋爐省煤器出來后分2 路, 每路煙氣進入一個脫硝反應器, 在反應器中完成脫硝反應, 進入空氣預熱器, 經脫硫、除塵煙氣凈化處理后排入大氣。每個脫硝反應器設有旁路, 煙氣可以從省煤器出來后經旁路直接進入空氣預熱器。

脫硝用的氨氣是由液氨儲存罐中液氨經加熱蒸發產生的濃氨氣, 與稀釋空氣風機送來的風在混合器中稀釋混合后, 噴入脫硝反應器。

脫硝反應器中采用蜂窩狀催化劑, 這種催化劑比表面積大, 有利于氨氣與煙氣中的氮氧化物進行充分反應。由于脫硝反應器采用高塵布置, 運行中在催化劑表面會積灰, 必須采用蒸汽定期吹掃。每層催化劑都布置蒸汽吹掃裝置, 吹掃蒸汽取自鍋爐吹掃蒸汽系統。

2.2 設計參數

300MW機組脫硝系統設計參數如表1 所示。

3 運行控制

3.1 氨氣投加控制

液氨經過加熱器蒸發產生氨氣, 在混合器中被空氣稀釋成氨氣體積分數為5%的氣體, 噴入反應器中進行脫硝反應, 稀釋的氨氣質量濃度是根據純氨氣給料來控制的。氨氣投加量根據反應器進出口 NOx 質量濃度差來調整控制, 氨氣系統設有反應器低溫、高溫保護以及反應器進出口壓差保護, 當溫度低于280 ℃或高于420 ℃時, 氨氣停止投加; 當反應器進出壓差超過設定值時, 氨氣也要停止投加。

3.2 吹灰控制

吹灰采用蒸汽吹掃方式, 吹灰頻率根據反應器進出壓差來調整控制。

4 工藝特點

4.1 無固體廢物和廢水產生

氨與煙氣中的氮氧化物在催化劑作用下完成脫硝反應, 反應產物是氣態N2 和H2O, 隨煙氣排向大氣。反應過程在氣相中進行, 反應溫度為280～ 420 ℃, 無水參與反應, 也沒有氣態水冷凝。所以, SCR 煙氣脫硝工藝無固體廢物和廢水產生。

4.2 脫硝反應充分、氨氣逃逸少

反應器殼體為長方體, 垂直布置, 煙氣沿垂直方向自上而下流至空氣預熱器。在殼體內水平布置多層蜂窩狀催化劑, 煙氣沿催化劑孔隙穿流而過, 這樣使煙氣在反應器內均勻布置。氨氣從反應器進口噴入, 隨煙氣經過反應器入口導流板、均流器后, 進入催化劑層, 使氨氣在煙氣中混合均勻。氨氣與煙氣中的氮氧化物充分接觸, 反應完全, 脫硝率高達80% 以上; 殘留氨氣少, 可控制氨氣逃逸率在3×10-6 以下。

4.3 與主機鍋爐聯系密切

反應器布置在省煤器與空氣預熱器之間, 設有旁路, 可以實現SCR 煙氣脫硝裝置的在線檢修和催化劑更換。從結構上講, 支撐脫硝裝置的鋼架與鍋爐鋼架連在一起, 而且, 脫硝裝置的運行與主機鍋爐運行也密切相關, 因此, 控制系統可以做在一起, 這樣使運行管理既方便又安全可靠。

4.4 催化劑要定期更換

反應器中催化劑長時間運行后, 催化反應的效能會慢慢下降, 直至失效。SCR 煙氣脫硝裝置運行引起催化劑失效原因有化學和物理2 個方面因素。煤在鍋爐中燃燒會產生重金屬, 隨煙氣進入脫硝反應器, 與催化劑發生置換反應, 引起催化劑化學中毒, 這是化學方面的原因。催化劑表面積灰, 也會引起失效, 這就是物理方面的原因。

4.5 工藝簡單、易于控制

在鍋爐左側、右側排煙各裝1 個反應器, 2 臺鍋爐共4 個反應器, 4 個反應器共用1 套氨氣系統, 工藝簡單。脫硝反應過程僅需要投加氨氣, 運行中定期吹灰, 加氨和吹灰比較容易控制。

5 運行中注意事項

5.1 防止空氣預熱器積鹽堵塞

氨氣是堿性物質, 與煙氣中的酸性物質發生中和反應生成鹽類物質, 如硫酸氫銨、硫酸銨等。

SO2+1/2O2=SO3

NH3+SO3+H2O=NH4HSO4

2NH3+SO3+H2O=(NH4)2SO4

化學反應產物隨煙氣進入空氣預熱器后, 煙氣與冷空氣發生熱交換, 溫度降低, 達130 ℃, 硫酸氫銨、硫酸銨在空氣預熱器換熱板上冷凝析出晶體物質與煙塵粘結一起沉積在空氣預熱器, 造成空氣預熱器堵塞。防止堵塞主要措施有: ( 1) 降低氨氣逃逸量, 嚴格控制在3×10-6 以下; ( 2) 采用低SO2/SO3 轉化率的脫硝催化劑; ( 3) 降低飛灰含碳量; ( 4) 選擇合適的空氣預熱器和吹灰系統; ( 5) 采用低過量空氣燃燒方式。

5.2 防止氨氣爆炸和泄漏

氨是有毒、有氣味、爆炸性物質, 熔點- 77.75 ℃,沸點- 33.42 ℃, 臨界溫度132.30 ℃, 臨界壓力 11.283MPa。根據《建筑設計防火規范》規定, 氨的火災爆炸危險性屬于乙類。根據GB50058《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》規定, 氨氣屬于 ⅡAT1 級組; 根據GB5044—85《職業性接觸毒特危害程度分級》規定, 氨的毒性屬于Ⅳ級。氨系統設計要嚴密, 根據有關防爆要求, 氨儲罐防火圍墻與廠內重要設施的安全距離達30 m。因此, 氨儲存區域占地很大, 占地約5 600m2。

6 工藝分析

6.1 SCR 煙氣脫硝工藝技術分析

目前, 國際上主要有2 種煙氣脫硝技術, 一種是選擇性非催化還原脫硝技術( 簡稱SNCR) , 另一種是選擇性催化還原脫硝技術( 簡稱SCR) 。這2 種技術化學原理是一樣的, 不同之處在于反應條件和效率。 SNCR 脫硝技術, 在鍋爐爐膛折焰角上方或過熱器、再熱器等水平煙道中噴入NH3、尿素等還原劑, 反應溫度為800～1 000 ℃。當溫度高于1 000 ℃ 時, NH3 被氧化成NOx, 當溫度低于800 ℃時, 脫硝率低。SNCR 脫硝技術脫硝效率為30%～50%, 氨氣的逃逸量大, 造成環境污染。

SCR 脫硝技術, 在溫度280～420 ℃和催化劑作用下, 通過向煙氣中噴入氨氣實現脫硝的目的, 該技術脫硝率最高可達90%, 氨氣逃逸可以控制在3× 10- 6 以下, SO2/SO3 轉化率可控制在1%以下。SCR 脫硝技術之所以達到比較高的脫硝率, 在于設置了專門的脫硝反應器, 使還原劑氨氣與煙氣充分混合均勻, 氨氣分子與氮氧化物分子充分碰撞并在催化劑作用下發生化學反應。圖2、3 是反應器的數字模擬結果。

圖3 表示通過改變反應器進口導流板的數量和進口均流器高度, 采用數學方法來模擬反應器的均勻性, 結果表明反應器的均勻性很好。煙氣與噴入的氨氣在反應器進氣口混合經導流板、均流器進入反應器, 再進入蜂窩狀催化劑層, 使煙氣中NO、NO2 與NH3 均勻混合, 這是脫硝反應徹底、脫硝率高的可靠保障。 SCR 脫硝技術用的氨氣是比較常用的化工原料, 也是比較常用的工業制冷劑, 價格低廉, 容易液化, 便于運輸。

在德國脫硝鍋爐總裝機容量超過32 855 MW, 其中應用SCR 工藝的鍋爐裝機容量達31 855MW, 占總容量的95%以上。

6.2 SCR 煙氣脫硝工藝經濟性分析

SCR 脫硝裝置運行損耗主要是氨氣用量、電耗、催化劑更換、維修、人工成本、設備折舊等, 這些損耗費用按年運行7 000 h 估算如表2 所示。

6.3 SCR 煙氣脫硝工藝安全性分析

在氨氣供應區域設置了氨氣監測報警設備、氨設備淋水系統、洗眼與淋浴設備等。操作人員配備手套、面罩等防護器材, 嚴格遵守操作規程, SCR 運行是安全可靠的。

7 結語

SCR脫硝系統是成熟、可靠的工藝, 該工藝不僅容易控制, 而且運行安全可靠; 脫硝產物可直排大氣, 對大氣不會造成二次污染, 具有廣闊的應用前景。SCR 工藝初始投資較大, 但脫硝率高、運行成本比較低。

參考文獻:

[ 1] 東方鍋爐廠環保工程公司.廣州恒運熱電廠2×300 MW 機組脫硝初步設計說明書[R] .2005.

Environment Protection Project Ltd. of Dongfang Boiler Group Co., Ltd. Preliminary design of De-NOx project for 2×300MW Guangzhou Hengyun Thermal Power Plant[R] . 2005.

[ 2] 國家環保總局.國家環保總局環審( 2005) 292 號文件[Z] .2005.

State Environment Protection Administration of China. ( 2005) 292 document approved by the State Environment Protection Administration ofChina [ Z] .2005.

[ 3] 東方鍋爐廠環保工程公司.廣州恒運熱電廠2×300 MW 機組脫硝反應器數學模型報告書[R] . 2005.

Environment Protection Project Ltd. ofDongfangBoilerGroupCo., Ltd. Report of mathematical models for the De-NOx reactor in 2×300 MW Guangzhou Hengyun Power Thermal Power Plant[R] . 2005.

（本文作者來自廣州恒運集團公司）

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