600MW燃煤機組 SCR脫硝工程設計特點

王文選,趙繼海,周建鋒,陳海杰

(中國大唐集團科技工程有限公司,北京 100097)

600MW燃煤機組 SCR脫硝工程設計特點

王文選,趙繼海,周建鋒,陳海杰

(中國大唐集團科技工程有限公司,北京 100097)

介紹了我國第一批煙氣脫硝工程之一——山西陽城電廠 600MW燃煤機組 SCR工程的設計特點,包括反應器本體設計、催化劑選型設計和氨區(qū)設計等。結合實踐經(jīng)驗,對脫硝系統(tǒng)設計提出了一些優(yōu)化建議。

SCR;燃煤機組;設計

2004年 11月,國華寧海電廠和臺山電廠600MW機組煙氣脫硝工程的啟動,標志著我國煙氣脫硝工作的正式起步。在短短 4年時間里,我國的煙氣脫硝工作取得了飛速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計,截至 2007年底,已有 100多個電廠完成煙氣脫硝工程招標工作,裝機容量超過 120 G W。

大唐集團科技工程公司脫硝工作始于 2004年底,簽訂的第一個煙氣脫硝項目為山西陽城發(fā)電廠1×600MW機組煙氣脫硝工程。并于 2007-08-29與主機組同步一次通過了 168 h測試,并完成了性能考核試驗,脫硝效率完全滿足設計要求。本工程被國家環(huán)保協(xié)會評選為“國家重點環(huán)境保護實用技術示范工程”。

1 脫硝工程設計

1.1 設計參數(shù)

山西陽城電廠燃用山西陽城寺河礦無煙煤,該脫硝項目是目前我國煙氣 NOx排放濃度最高的脫硝工程,煙氣中 NOx質量濃度高達 1300mg/m3(本文煙氣量均為標準狀態(tài)值),設計脫硝效率為 80%。陽城電廠 SCR脫硝系統(tǒng)設計參數(shù)詳見表 1。

1.2 工藝流程

山西陽城電廠 600MW機組 SCR脫硝系統(tǒng)主要包含反應器系統(tǒng)和氨區(qū)系統(tǒng)。反應器系統(tǒng)為省煤器出口煙氣經(jīng)由 SCR入口擋板進入 SCR入口煙道,與噴入的氨 /空氣混合氣均勻混合,從上部進入反應器,通過整流裝置,垂直流經(jīng)催化劑,在催化劑的作用下,氨氣與煙氣中的 NOx反應生成氮氣和水,最后通過出口煙道進入空預器;氨區(qū)系統(tǒng)利用液氨卸料壓縮機將液氨由槽車輸入液氨儲罐內(nèi)。液氨儲罐中的液氨通過自身壓力輸送到液氨蒸發(fā)槽內(nèi),蒸發(fā)為氨氣后進入氨氣緩沖槽并控制至一定的壓力,然后通過調節(jié)閥控制其流量并與稀釋空氣在混合器中混合均勻,再送到脫硝系統(tǒng)。山西陽城電廠 SCR系統(tǒng)流程詳見圖 1。

表 1 山西陽城電廠 SCR脫硝系統(tǒng)設計參數(shù)

圖 1 山西陽城電廠 SCR脫硝系統(tǒng)工藝流程

1.3 反應器本體設計

每臺鍋爐配置 2個脫硝反應器,反應器尺寸為12.85m(W)×15.3m(L)×12m(H)。在設計中,根據(jù)煤質特點和性能要求,確定反應器中的煙氣流速,從而確定了反應器的橫截面積;對于每層催化劑的高度,是基于防堵灰要求、催化劑用量和催化劑的生產(chǎn)工藝特點等確定的。反應器包括流場整流器、進氣和排氣罩、催化劑層支撐和密封裝置等。

煙道和反應器本體設計的關鍵是使氨氣與煙氣充分混合,確保 NOx/NH3分布均勻、煙氣速度均勻、減小煙氣溫度偏差并使煙氣垂直射入催化劑。在進入第一層催化劑時,煙氣應滿足以下條件:

(1)NH3/NOx摩爾比的最大偏差平均值為 ±5%;

(2)速度最大偏差平均值為 ±15%;

(3)溫度最大偏差平均值為 ±10℃;

(4)煙氣入射催化劑最大角度為 ±10°。

為此,采取的措施是優(yōu)化煙道、氨噴射系統(tǒng)設計及合理布置煙道內(nèi)導流板等整流裝置。在 SCR入口煙道的垂直段[13680mm(L)×2300mm(W)]設置 1套氨噴射系統(tǒng) (A IG),包括集合管、連接管、分配管、噴射管及噴嘴。每根噴射管上安裝有 14個噴嘴,氨氣/空氣混合氣通過噴嘴注入煙道。每根連接管上安裝有流量測量裝置和手動閥,用以調整連接管中氨 /空氣混合氣的分配量。連接管中氨 /空氣混合氣的分配量和噴嘴尺寸取決于其上游的煙氣 NOx含量。噴射系統(tǒng)具有良好的熱膨脹性、抗熱變形性、抗振性和耐磨性。

圖 2為根據(jù)陽城電廠煙道及反應器的實際布置情況,按照 1∶12的比例制作的實物模型,以此來研究煙氣的流場分布,并為導流板設計提供依據(jù)。沿著煙氣流向共設置了 5組導流板,其中 1號導流板是為了保證進入 A IG的煙氣分布更加均勻;2號導流板用于降低壓力損失和使煙氣經(jīng)過 90°彎頭后仍保持均勻;3號導流板的設置是使進入催化劑的煙氣流場更加均勻;4號導流板是為了防止反應器出口大彎頭的積灰;5號導流板可使進入空預器的煙氣更加均勻,同時也能降低壓力損失。

圖 2 煙道內(nèi)導流板布置示意

1.4 催化劑選型設計

催化劑設計是個復雜的過程,既要考慮煙氣成分,又要考慮鍋爐類型、SCR布置方式和所需性能等,只有充分了解這些因素對脫硝系統(tǒng)和催化劑性能產(chǎn)生的影響才能設計出合理的催化劑用量。圖 3為催化劑的設計流程。

圖 3 催化劑設計流程

因煙氣中粉塵質量濃度不大于 21 g/m3,NOx質量濃度高達 1300mg/m3,設計中采用了活性高、SO2氧化率低的波紋板式催化劑 (DNX-464)。催化劑的加工工藝是先制作玻璃纖維加固的 TiO2基板,再把基板放到催化活性溶液中浸泡,以使活性成分均勻地吸附在基板上。活性成分包括WO3和 V2O5。

本工程選用的催化劑總體積約為 630m3,分別布置在 2個相同尺寸的反應器中。反應器中的催化劑模塊分上、下兩層布置,每層含有 7×13個模塊。圖 4～7為催化劑的性能曲線。從圖中可看出,NOx脫除率隨NOx入口濃度、運行時間的增大而降低,隨鍋爐負荷的降低而升高。

催化劑層為“2+1”層布置,初裝 2層,預留 1層備用。按照圖 8的催化劑管理曲線進行催化劑管理。運行 24000 h后安裝備用層催化劑,60000 h后替換一層催化劑,84000 h后替換另一層催化劑,然后依此類推進行催化劑替換,從而保證脫硝效率和氨逃逸率。

圖 8 催化劑管理曲線

1.5 氨區(qū)設計

目前,對于發(fā)電廠脫硝項目氨區(qū)設計還沒有統(tǒng)一的國家標準。氨區(qū)設計參照了石化或相關行業(yè)的標準和規(guī)范?！妒突て髽I(yè)防火規(guī)范》中規(guī)定,可燃氣體與空氣混合物的爆炸下限大于等于 10%(體積)為乙類火災危險性,其附表 5.2中明確指出合成氨及氨加工產(chǎn)品中液氨儲罐為乙類火災危險性;《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級 》中規(guī)定氨為 IV級——輕度危害的職業(yè)性接觸毒物;《壓力容器中化學介質毒性危害和爆炸危險程度分類》中規(guī)定氨為中度毒性的化學介質。根據(jù)這些標準,遵循相應的規(guī)定可確定氨區(qū)設備間、氨區(qū)與周圍建筑物等的防火間距和布置。

2 設計優(yōu)化

通過陽城電廠煙氣脫硝項目實踐,在系統(tǒng)組成、煙道和反應器等方面都進行了設計優(yōu)化。

2.1 系統(tǒng)優(yōu)化

陽城電廠脫硝項目煙氣系統(tǒng)中設置了 SCR反應器旁路,在機組冷啟或長期不脫硝時對于催化劑具有一定的保護作用,但缺點也很明顯。如增加了1套高溫擋板門,投資費用高,系統(tǒng)復雜。旁路長期不用會造成旁路擋板門積灰,開啟時容易卡澀,陽城電廠脫硝系統(tǒng)就曾發(fā)生過擋板門卡澀的情況。我們建議:如果機組冷態(tài)啟動次數(shù)很少、脫硝系統(tǒng)長期運行,則不設置旁路。

2.2 煙道加固肋設計

對于煙道加固肋的設計,《火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術規(guī)程》給出的計算方法是橫向加固肋參與道體強度、剛度和穩(wěn)定性計算,縱向加固肋僅作為負壓道體橫向加固肋防失穩(wěn)用。這樣設計的結果是橫向加固肋間距小,僅為 1m左右,煙道內(nèi)內(nèi)撐桿布置較多,對煙氣流場有一定的影響。為此,我們結合國外煙道設計經(jīng)驗,在陽城項目中采用橫向與縱向加固肋均參與道體計算的方法,從而增大了橫向加固肋的間距。

2.3 反應器設計

陽城項目中的反應器設計采用內(nèi)部主要支撐梁與外部主要受力的縱向加固肋整體計算,保證主要支撐梁的變形撓度要求,使催化劑的重量通過連接的縱向加固肋傳遞到外部支持結構上。在此基礎上,對反應器設計進行了一些優(yōu)化,如催化劑支撐層沿周圈設置支撐、非框架柱截面采用分段截面、整流層的立板板厚減小等。通過空間結構的整體協(xié)調作用,使鋼結構中的各個構件能夠協(xié)調承擔外部荷載作用,鋼結構布置中的支撐布置和橫向加強筋布置更加合理,部分構件的截面得到優(yōu)化,并減少了部分不必要的構件。

2.4 規(guī)范和標準采用

脫硝氨區(qū)設計中涉及到化工行業(yè)的一些規(guī)范,如《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》(GB 50160-92),《建筑設計防火規(guī)范》(GBJ 16-87)等,其他設計則盡量采用電力行業(yè)標準。氨區(qū)設計時,盡量減少管子類別,支、吊架多采用管卡形式。

3 技術研發(fā)

(1)收集并分析脫硝工程運行資料及經(jīng)驗。我國煙氣脫硝起步較晚,脫硝機組連續(xù)運行時間較短,現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)還很欠缺;脫硝系統(tǒng)和催化劑設計主要是借鑒國外的工程經(jīng)驗,這種設計方法是否符合我國國情,還需時間檢驗。

(2)建立流場模型的試驗基地。對于脫硝技術而言,無論是低 NOx燃燒技術還是煙氣脫硝技術,流場計算及實物模型試驗都至關重要。因此,應該建立流場模型的試驗基地,隨著脫硝工程經(jīng)驗的積累,提升煙氣流場的計算和模擬試驗水平。

(3)推動催化劑國產(chǎn)化。目前,已有多家公司通過催化劑生產(chǎn)技術轉讓實現(xiàn)了催化劑在國內(nèi)生產(chǎn),但由于催化劑的原材料還依賴進口,還不是完全意義上的催化劑國產(chǎn)化。我們應該審時度勢,既利用國外成熟的催化劑生產(chǎn)技術,又要緊跟國內(nèi)最新的催化劑研究成果;既實現(xiàn)催化劑在國內(nèi)生產(chǎn),又要實現(xiàn)從催化劑原材料、生產(chǎn)過程等的完全國產(chǎn)化。

(4)研究脫硝技術專題。目前,我國的脫硝工程多集中在電力行業(yè),并以 300MW以上燃煤機組為主要對象。隨著脫硝工程的日益增多,脫硝技術將涉及到其他領域。如循環(huán)流化床鍋爐加裝SNCR,垃圾焚燒爐加裝 SCR或 SNCR等。

4 結語

山西陽城電廠 600MW燃煤機組脫硝項目是我國較早的脫硝工程,目前又被評為“國家重點環(huán)境保護實用技術示范工程”,它的順利投運為我國脫硝技術應用奠定了堅實的基礎。我們將緊跟脫硝技術的最前沿,本著理論聯(lián)系實際的宗旨,踏踏實實地把煙氣脫硝推向一個新的高度。

[1]陳進生.火電廠煙氣脫硝技術——選擇性催化還原法 [M].北京:中國電力出版社,2007.

[2]張強.燃煤電廠 SCR煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

[3]GBJ 16-87(2001修訂版),建筑設計防火規(guī)范[S].

[4]GB 50160-92,石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范[S].

[5]SH 3007-1999,石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(guī)范[S].

[6]GB 50058-92,爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范[S].

[7]SH 3063-1999,石油化工企業(yè)可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范[S].

[8]王義兵,孫葉柱,陳 豐,等.火電廠 SCR煙氣脫硝催化劑特性及其應用[J].電力環(huán)境保護,2009,25(4):13-15.

[9]馬新義.超超臨界鍋爐 SCR脫硝工藝及其調試[J].電力環(huán)境保護,2009,25(4):16-18.

[10]于洪,劉慷.選擇性催化還原煙氣脫硝技術在玉環(huán)電廠 4×1000MW機組上的應用[J].電力環(huán)境保護,2009,25(3):1-3.

[11]易玉萍,吳碧君,魏 晗.高井熱電廠 SCR脫硝系統(tǒng)性能檢測[J].電力環(huán)境保護,2009,25(3):4-6.

[12]郝吉明,王書肖,陸永琪.燃煤二氧化硫污染控制技術技術手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2001.

[13]劉 慷,張 強,虞 宏,等.火電廠脫 NOx用 SCR催化劑種類及工程應用[J].電力環(huán)境保護,2009,25(4):9-12.

[14]孫克勤,鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術工程應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

Design features of 600MW coal-fired units SCR DeNOxsystem

The selective catalyst reduction(SCR)DeNOxsystem design features of 600MW coal-fired units of Yangcheng Power Plant in Shanxiprovince were introduced which was one of the earliest SCR DeNOxprojects in China.The features included the reactor design,catalyst choice and ammonia area design.O ther w ise,some opt im ized propo sals were p roposed according to the design experience.

SCR;coal-fired unit;design

X701.2

B

1674-8069(2010)01-049-04

2009-10-06;

2009-12-26

王文選 (1973-),男,山西絳縣人,博士 (后),高級工程師,主要從事火電廠煙氣污染物治理的研發(fā)和設計工作。E-mail:wangwx@cdte.com.cn