SCR 技術(shù)在云南滇東電廠中的應(yīng)用

吳繼云，顧 源

（云南省火電建設(shè)公司，云南昆明 650032）

1 工程概況

云南滇東第二發(fā)電廠4×600MW鍋爐由北京B＆W公司生產(chǎn)的亞臨界、一次再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、自然循環(huán)汽包爐，設(shè)計(jì)燃用無(wú)煙煤，采用W火焰燃燒方式，配24只濃縮型EI－XCL低氮雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器，分別布置在爐墻前后拱上，2#機(jī)組煙氣脫硝裝置由北京B＆W公司和北京博奇科技有限公司負(fù)責(zé)設(shè)備采購(gòu)、設(shè)計(jì)，采用選擇性催化還原法(SCR)。該系統(tǒng)用氨(NH3)作為還原劑來(lái)減少氮氧化物的排放，不設(shè)煙氣旁路，于2010年9月15日首次通過(guò)168h試運(yùn)行。SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 NOx生成原理

在通常燃燒溫度下，由煤燃燒生成的NOx不足1%，其中 NO占90%以上，NO2占5% ～10%，而N2O只占1%左右，在燃燒過(guò)程中，NOx的生成途徑有三個(gè):

(1)燃料型NOx:它是燃料中含有的氮化合物在燃燒過(guò)程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化生成的NOx;

(2)快速型NOx:它是燃燒時(shí)空氣中氮與燃料中的碳?xì)淞Ｗ訄F(tuán)反應(yīng)生成的，其生成速度對(duì)溫度的依賴性弱;

(3)熱力型NOx:它是由空氣中的氮在高溫下氧化生成的，其生成速度與燃燒溫度有關(guān)。

3 SCR脫硝工藝

3.1 SCR脫硝原理

將符合要求的氨噴入煙道，并使氨與煙氣均勻混合，在催化劑作用下，NH3選擇性地與NOx(主要是NO和NO2)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成無(wú)害的N2和H2O。其反應(yīng)式為:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

另外，由于煤炭中硫的氧化產(chǎn)生的SO2與氨反應(yīng)生成有害的副產(chǎn)物，即硫酸銨和硫酸氫銨。

3.2 SCR工藝流程

脫硝系統(tǒng)中使用日立板式催化劑，干法脫硝工藝。SCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)主要由氨噴射系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、氨儲(chǔ)存系統(tǒng)(制氨區(qū))、煙道系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 SCR工藝流程

3.2.1 反應(yīng)系統(tǒng)

鍋爐有A、B兩個(gè)反應(yīng)器，直接布置在省煤器與空預(yù)器之間。每個(gè)反應(yīng)器中裝催化劑176件，分兩層布置，預(yù)留一層，預(yù)留層布置在已安裝的催化劑層的最下面，在脫硝效率下降的情況下，安裝預(yù)留層。這種逐層更換方式，可利用初始催化劑的活性，提高脫硝效率，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。每層布置8×11件，在催化劑上部每件之間裝有密封裝置，以防止未處理的煙氣泄漏。初始催化劑的體積為648m3/爐，板式結(jié)構(gòu)，催化劑由1mm、間距6mm的多塊板元件(不銹鋼篩網(wǎng))組成，在其上涂表面有活性催化劑成分的二氧化鈦載體，煙氣平行通過(guò)催化劑，使壓損最小化，催化劑活性溫度為320～425℃。在每層催化劑的上方安裝60塊/托架、尺寸100mm2性能與催化劑相同的測(cè)試塊，測(cè)試塊所處的煙氣環(huán)境和實(shí)際催化劑一樣，停爐期間取出，在試驗(yàn)室中通標(biāo)氣對(duì)其活性、轉(zhuǎn)換率進(jìn)行分析，從而確定催化劑是否失效。催化劑組成成分見表2。

表2 催化劑組成成分

為了防止煙氣的飛灰在催化劑的表面沉積，堵塞催化劑孔道，降低催化劑活性，在每層催化劑上方安裝了4只(16只/爐)蒸汽吹灰器。吹灰器汽源一路接自鍋爐本體吹灰蒸汽;另一路來(lái)自空預(yù)器吹灰器的輔助蒸汽。在鍋爐啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)，不完全燃燒的油霧和未燃盡飛灰使催化劑溫度升高，導(dǎo)致催化劑熱損壞，需投入吹灰器進(jìn)行連續(xù)吹灰。

3.2.2 氨噴射系統(tǒng)

氨噴射系統(tǒng)包括稀釋風(fēng)機(jī)、靜態(tài)(氨/空氣)混合器、供應(yīng)支管和噴射格柵(AIG)。在鍋爐0 m平臺(tái)裝有2臺(tái)100%稀釋風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)為入口帶有消聲器的離心風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)流量為10500m3/h。氨氣/空氣混合器內(nèi)設(shè)隔板，使得經(jīng)過(guò)壓力流量調(diào)整后的氨氣與空氣能在混合器內(nèi)充分混合，將NH3稀釋成體積比小于5%的混合氣后送入煙道。A、B反應(yīng)器入口各安裝28根供應(yīng)支管，每根供應(yīng)支管上裝有手動(dòng)節(jié)流閥和流量孔板，通過(guò)調(diào)節(jié)可獲得氨氣在煙氣中的均勻分布。每個(gè)反應(yīng)器進(jìn)出口煙道中各布置7只測(cè)試管，測(cè)試管均勻分布在煙道中，根據(jù)煙氣取樣分析得出的NH3和NOX的分布值，來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)流閥。噴射格柵安裝在反應(yīng)器前的豎直煙道中，氨噴射格柵包括格柵管和順著煙氣流動(dòng)方向的噴嘴。

3.2.3 氨儲(chǔ)存系統(tǒng)

液氨供應(yīng)由液氨槽車運(yùn)送，利用氨卸料壓縮機(jī)將液氨由槽車輸入到2個(gè)氨罐內(nèi)，將氨罐中的氨送到脫硝系統(tǒng)，有2種方式。正常情況時(shí)，氨罐的氣相側(cè)通過(guò)減壓閥直接輸送到氨氣緩沖罐內(nèi)，經(jīng)緩沖罐送達(dá)脫硝系統(tǒng);另一種情況是氨罐的液相側(cè)輸出的液氨，通過(guò)液氨蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)成氨氣，經(jīng)緩沖罐送達(dá)。氨氣系統(tǒng)緊急排放的氨氣則排入氨氣稀釋槽中，經(jīng)水的吸收排入廢液池，經(jīng)廢液泵送至煤場(chǎng)。

另外，氨氣的爆炸極限是空氣中氨的濃度為15% ～28%，因此在卸料機(jī)、氨罐、氨蒸發(fā)器、氨緩沖罐等安裝有氮?dú)獯祾吖芫€。在液氨卸料前后，通過(guò)氮?dú)獯祾吖芫€對(duì)以上設(shè)備分別進(jìn)行嚴(yán)密性檢查和氮?dú)獯祾?，防止泄漏和系統(tǒng)殘留的氨與空氣混合造成危險(xiǎn)。

4 控制系統(tǒng)

4.1 控制原理

SCR控制系統(tǒng)的基本原理是通過(guò)反饋控制供氨量，保持出口NOx值恒定。進(jìn)口NOx的濃度與煙氣流量的乘積作為NOx流量信號(hào)，然后此信號(hào)與取決于脫硝效率的NH3/NOx摩爾比相乘得到氨消耗量。氨噴射流量初始值由公式(1)計(jì)算:式中，G——鍋爐煙氣流量(干基，N m3/h);鍋爐的干煙氣流量由燃料量計(jì)算得到，由于燃燒空氣量因燃料的種類、每種負(fù)荷下燃料混合比和過(guò)量空氣系數(shù)的不同發(fā)生變化，故提供多種計(jì)算程序，以備不同煤種的需要。

NOx——入口 NOx濃度(實(shí)際 O2干基，ppmvd)。

β——NH3/NOx摩爾比，由編程給出并自動(dòng)設(shè)定與鍋爐負(fù)荷相適應(yīng)。

NH3——氨氣量(kg/h)。

4.2 氨的供應(yīng)控制系統(tǒng)

氨氣流量控制采用前饋反饋調(diào)節(jié)，以消除流量需求量與反饋量的偏差，從而保持出口氮氧化物的濃度值。主噴氨量由前饋調(diào)節(jié)確定，前饋調(diào)節(jié)由當(dāng)前SCR入口氮氧化物濃度、鍋爐煙氣量和NH3/NOx摩爾比組成。氨需求量按公式(1)進(jìn)行最初計(jì)算，噴氨調(diào)節(jié)前饋控制來(lái)完成，為了適應(yīng)鍋爐負(fù)荷和煤種的改變而引起NOx的變化，提供了4種輔助調(diào)節(jié):①SCR出口NOx對(duì)摩爾比的修正調(diào)節(jié);②SCR入口NOx對(duì)摩爾比的修正調(diào)節(jié);③用于煤燃燒器啟動(dòng)偏差調(diào)節(jié)，它是為了響應(yīng)由于燃燒器啟停引起NOx瞬時(shí)變化，需要一個(gè)適應(yīng)氨流量偏差，提高可控性;④摩爾比偏置。在氨供應(yīng)管道上設(shè)有緊急關(guān)斷閥，在煙氣溫度低于310℃或氨氣稀釋比例高于12%時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉，同時(shí)流量調(diào)節(jié)閥也聯(lián)鎖關(guān)閉，切斷氨氣供應(yīng)。

4.3 稀釋風(fēng)的供應(yīng)控制系統(tǒng)

稀釋風(fēng)機(jī)提供到混合器的稀釋空氣量，采用手動(dòng)控制，設(shè)定好空氣流量后，不再隨鍋爐負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)氨氣占整個(gè)混合氣體的比例約5%計(jì)算稀釋風(fēng)流量，在低負(fù)荷或低NOx時(shí)，氨的濃度將低于5%，將空氣流量信號(hào)與氨氣流量信號(hào)相比較，得出稀釋比例，控制在爆炸極限15%以內(nèi)。

4.4 氨/空氣混合氣體的供應(yīng)控制

由于煙氣分布的不均勻性，所以氨氣與空氣在混合器中混合后，通過(guò)分配總管，接入各噴氨支管，每支管上都有手動(dòng)節(jié)流閥和節(jié)流孔板，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，保證混合氣噴入量與NOx濃度分布相一致。

4.5 SCR出口逸氨量超標(biāo)的控制

將通過(guò)空氣加熱器后的稀釋風(fēng)連接到反應(yīng)器出口，當(dāng)催化劑失效或控制系統(tǒng)故障引起反應(yīng)器出口氨氣濃度超標(biāo)時(shí)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)管道上的節(jié)流閥，控制稀釋風(fēng)量及時(shí)稀釋，控制氨在爆炸極限內(nèi)。

5 存在的問(wèn)題及注意事項(xiàng)

氨流量調(diào)節(jié)閥原設(shè)計(jì)通徑DN100，設(shè)計(jì)認(rèn)為通徑過(guò)大后，改為DN25。在調(diào)試期間，通過(guò)提高調(diào)節(jié)閥前氨氣壓力0.4MPa，最大流量約113kg/h，無(wú)法滿足要求。按公式(1)計(jì)算，在滿負(fù)荷時(shí)，設(shè)計(jì)理論氨氣量654.84kg/h，每側(cè)約327kg/h，根據(jù)閥門流量特性，修改為DN65的調(diào)節(jié)閥后，能滿足要求。

氨罐的氣相側(cè)通過(guò)減壓閥直接輸送到氨氣緩沖罐內(nèi)，經(jīng)緩沖罐送達(dá)脫硝系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，減壓閥失效，氨罐液氨設(shè)計(jì)壓力1.58MPa，調(diào)整減壓閥出口壓力為0.3～0.4MPa，減壓閥設(shè)計(jì)為垂直安裝方式，而實(shí)際應(yīng)該為水平安裝，經(jīng)修改后運(yùn)行正常。

為防止制氨區(qū)各輸送管道上氨氣過(guò)壓，設(shè)計(jì)各種安全閥13只，整定值1.5MPa，緊急排放到稀釋槽，當(dāng)安全閥動(dòng)作，安全閥與管道間無(wú)隔離措施，增加了手動(dòng)閥，當(dāng)安全閥動(dòng)作，可以立即隔離檢修，同時(shí)防止大量氨泄漏引起事故。

增加了反應(yīng)器出口氨在線分析儀表，煙氣脫硝效率隨NH3/NOx摩爾比增加而增大。當(dāng)增大到1.0時(shí)，NH3逃逸量急劇上升，氨的逸出副反應(yīng)速率也加快，生成大量的硫酸銨和硫酸氫銨，對(duì)下游的空預(yù)器造成堵塞等。

增加了反應(yīng)器進(jìn)出口SO2在線分析儀表，確認(rèn)SO2氧化成SO3的轉(zhuǎn)化率，SO3對(duì)尾部腐蝕更嚴(yán)重。

鍋爐點(diǎn)火前啟動(dòng)稀釋風(fēng)機(jī)，防止氨噴射管和噴嘴堵塞，停機(jī)后保持稀釋風(fēng)機(jī)運(yùn)行至少3min，對(duì)混合器進(jìn)行吹掃，防止煙氣到混合管路中，催化劑活性溫度320～425℃，否則禁止向煙道中注氨。

根據(jù)反應(yīng)器差壓，及時(shí)投入吹灰器，及時(shí)清除飛灰和飛灰中的重金屬(如煤炭里的砷)，防止催化劑堵塞及引起催化劑中毒而失去活性。

鍋爐啟動(dòng)時(shí)維持適當(dāng)?shù)倪^(guò)?？諝猓梢杂行Ы档痛呋瘎┲械目扇嘉镔|(zhì)，防止催化劑失活。

運(yùn)行中記錄并分析燃料量、反應(yīng)器差壓、空氣量、反應(yīng)器進(jìn)出口煙氣溫度、煙氣成分、氨氣流量。定期對(duì)測(cè)試塊進(jìn)行檢測(cè)，以便及早發(fā)現(xiàn)催化劑老化，及時(shí)檢查氨系統(tǒng)管道、法蘭等泄漏情況，發(fā)現(xiàn)泄漏及時(shí)消除，防止氨濃度超標(biāo)發(fā)生危險(xiǎn)。

安裝、檢修結(jié)束后必須對(duì)氨系統(tǒng)進(jìn)行氣體嚴(yán)密性試驗(yàn)。用卸料壓縮機(jī)對(duì)系統(tǒng)充氣至額定壓力，然后用氮?dú)馔ㄟ^(guò)氮?dú)獯祾吖芫€向系統(tǒng)加壓到系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，檢查系統(tǒng)無(wú)任何泄漏，否則禁止向系統(tǒng)注氨。

6 結(jié)束語(yǔ)

在SCR區(qū)運(yùn)行168h內(nèi)，SCR系統(tǒng)脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、氨氣消耗量等主要指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)值，各設(shè)備運(yùn)行正常，滿足了環(huán)保對(duì)脫硝的要求。

隨著環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，火力發(fā)電廠僅靠低氮燃燒已不能滿足更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐證明，SCR工藝是減少固定源NOx排放的一個(gè)行之有效辦法，SCR法煙氣脫硝所采用的催化劑是該工藝的核心，是獲得較高脫硝效率的關(guān)鍵。

［1］ 郝吉明，馬廣大.大氣污染控制工程［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［2］ GB 16297－1996，大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.