高塵段布置SCR脫硝裝置對鍋爐運行的影響

浙江浙能樂清發(fā)電有限責任公司 陳 俊 鄭星偉 王 毅

高塵段布置SCR脫硝裝置對鍋爐運行的影響

浙江浙能樂清發(fā)電有限責任公司 陳 俊 鄭星偉 王 毅

一、電廠脫硝的必要性

氮氧化物主要包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4和N2O5。大氣中以NO和NO2為主要形式存在，這二者也就是我們通常所說的NOx。NOx作為大氣污染源，帶來的環(huán)境問題包括形成酸雨、湖泊水系酸性化、森林破壞、能見度降低、在空氣中形成細小顆粒等。另外NOx導致呼吸疾病，影響人類的健康。資料表明自然界中的NOx有63%來自工業(yè)污染的排放，是自然發(fā)生源的2倍，其中發(fā)電工業(yè)和汽車尾氣各占40%，其他工業(yè)占20%，而在以煤炭為主要一次能源的中國，火力發(fā)電作為理想的煤炭消費終端，燃煤電站鍋爐排放的NOx絕對占比在60%以上?？刂迫济弘姀SNOx排放量在維持環(huán)境可持續(xù)發(fā)展工程中占有重要地位。2011年1月14日環(huán)保部發(fā)布《火電廠大氣污染物排放標準（二次意見稿）》，規(guī)定從2012年1月1日開始，要求所有新建火電機組NOx排放量控制在100mg/m3，重點地區(qū)新建火電廠必須同步建設(shè)煙氣脫硝裝置，2015年年底前，現(xiàn)役機組全部完成脫硝改造。

二、SCR脫硝原理簡介

在現(xiàn)有的煙氣脫硝方法中，選擇性催化還原（SCR）法最為成熟，也因其具有脫除效率高（可達90%）、無副產(chǎn)物、不形成二次污染，裝置結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等優(yōu)點，使用最為廣泛。SCR脫硝的基本原理是氮氧化物在催化劑作用下，在一定溫度條件（一般為250～450℃）時，被還原劑（一般選擇用NH3）還原為無害的氮氣和水。

SCR法煙氣脫硝的主要反應(yīng)方程式如下：

在反應(yīng)過程中，NH3選擇性地和NOx反應(yīng)生成N2和H2O，而不是被O2氧化，所以反應(yīng)被稱為具有“選擇性”。SCR脫硝裝置常用的還原劑有氨水、液氨和尿素，催化劑則多采用以TiO2為載體的堿金屬（V2O5、WO3、Mn2O3等）。

三、SCR脫硝裝置簡介

在SCR脫硝工藝中，根據(jù)反應(yīng)器和電除塵的相對安裝位置，可將SCR分為高粉塵布置方式、低粉塵布置方式和尾部布置方式三類。

在高塵段布置方式中，SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間，其煙氣溫度高，可以滿足催化劑活性要求。缺點是煙氣中的飛灰含量高，對催化劑的防磨損和防堵塞的性能要求較高。

在低粉塵布置方式中，SCR反應(yīng)器布置在靜電除塵器之后、煙氣脫硫裝置之前。此時煙氣中的粉塵含量極小，但煙氣中的SOx仍然存在，與殘留的氨反應(yīng)生成(NH4)2SO4、NH4HSO4，而發(fā)生堵塞的可能性仍然存在，且一旦發(fā)生堵塞，運行中較難處理。一般這種方式很少采用。

在尾部布置方式中，SCR布置在二氧化硫吸收塔之后、煙囪之前。此時煙氣中的飛灰含量大幅減少，但為了提高溫度以增強催化劑反應(yīng)活性，需要安裝蒸汽加熱器和煙氣換熱器，將煙氣加熱至300～400℃，系統(tǒng)會變得復雜，增加了投資。

以上三種方式中，應(yīng)用最為廣泛的是高塵段布置方式。采用高塵段布置方式的SCR煙氣流程如圖1所示。

SCR脫硝系統(tǒng)由SCR反應(yīng)器及輔助系統(tǒng)、氨儲存及處理系統(tǒng)、氨注入系統(tǒng)等三個子系統(tǒng)組成。在SCR工藝中，催化劑放在SCR反應(yīng)器里，還原劑液態(tài)氨在注入SCR系統(tǒng)煙氣之前經(jīng)由蒸發(fā)器蒸發(fā)汽化，汽化后的氨和稀釋空氣混合，通過噴氨格柵噴入SCR反應(yīng)器上游的煙氣中。充分混合后的還原劑和煙氣在SCR反應(yīng)器中反應(yīng)，去除NOx。SCR反應(yīng)器采用分層的方式布置催化劑。通常先將催化劑制成板狀或蜂窩狀的催化劑元件，然后結(jié)合成組塊，最后構(gòu)成反應(yīng)器的催化劑層。反應(yīng)器內(nèi)催化劑的層數(shù)取決于所需催化劑反應(yīng)表面積，對于工作在高塵環(huán)境中的催化反應(yīng)器，典型的布置方式是采用2＋1層催化劑，最上層催化劑的上面還要設(shè)一層無催化劑的整流層，以保證煙氣進入催化劑層的氣流均勻。通常，還要在第二層催化劑下面預(yù)留一備用空間，以便在上面的某一催化劑層失效時，增加第三層催化劑層。催化劑的最佳工作溫度約在300~400℃ 的范圍內(nèi)，NOx的脫除效率可達90%以上。高塵段布置SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

四、高塵段布置SCR脫硝裝置對鍋爐運行的影響

高塵段布置SCR脫硝裝置是當下電廠中采用最為廣泛的煙氣脫硝方式，脫硝裝置的增設(shè)，在滿足鍋爐排煙環(huán)保性要求的同時，也會對鍋爐的安全運行和經(jīng)濟運行產(chǎn)生一定程度的負面影響，分析這些負面影響，提出改善措施，對保證鍋爐穩(wěn)定經(jīng)濟運行有著十分積極的意義。

1. 對鍋爐尾部煙道積灰的影響。SCR脫硝裝置投運時，向煙道內(nèi)噴射的氨氣（NH3）不可能實時與NOx完全發(fā)生反應(yīng)，或多或少總有部分部分氨氣會在未與NOx發(fā)生反應(yīng)的情況下離開反應(yīng)器，進入空預(yù)器（稱為氨的逃逸率）。逃逸的氨氣在一定的溫度下，會與煙氣中的SO3和H2O反應(yīng)生成硫酸氨和硫酸氫氨。在空預(yù)器區(qū)域，SO2的濃度遠大于SO3的濃度，反應(yīng)生成物基本上都是硫酸氫氨（NH4HSO4），硫酸氫氨在150～200℃范圍內(nèi)會發(fā)生沉積，形成一種很黏稠的物質(zhì)，易造成空預(yù)器的積灰（硫酸氫氨型積灰）。

鍋爐燃煤中的硫分在燃燒后產(chǎn)生SO2和SO3氣體，SO3氣體與水蒸氣結(jié)合生成硫酸蒸氣，其凝結(jié)露點溫度高達120℃以上，當空氣預(yù)熱器管壁溫度低于所生成的硫酸露點時，硫酸就在管壁上凝結(jié)，產(chǎn)生凝結(jié)酸液，凝結(jié)酸液腐蝕金屬并黏結(jié)飛灰，同時酸又與灰中的Fe、Na和Ca起反應(yīng)，易造成空預(yù)器積灰（結(jié)露型積灰）。一般情況下，燃料燃燒產(chǎn)物中SO3占比很?。ú坏?%），但高塵段布置SCR脫硝裝置的催化劑層位于空預(yù)器前的煙道中，催化劑的氧化作用會將煙氣中的部分SO2氧化成SO3（稱之為SO2/SO3轉(zhuǎn)化率），從而加劇了空預(yù)器結(jié)露型積灰。

空預(yù)器積灰到一定程度會造成空預(yù)器堵灰，在實際運行中，如果煙氣側(cè)堵灰會影響空預(yù)器換熱元件的傳熱效率，增大排煙熱損失，降低爐效；空預(yù)器堵灰還會引起尾部煙道流動阻力增大，使管道特性曲線變陡，引風機流量不穩(wěn)定工作區(qū)域上移，影響鍋爐安全穩(wěn)定運行。

2. 對鍋爐效率的影響。如上所述，SCR脫硝會加大空預(yù)器積灰的傾向性，若積灰不能及時處理會使鍋爐排煙溫度升高，增大排煙熱損失；高塵段布置SCR脫硝裝置的反應(yīng)器面積大，連接煙道較長，增大鍋爐散熱損失；SCR脫硝反應(yīng)器布置在空預(yù)器前的煙道中，管道沿程阻力增大，空預(yù)器出入口負壓增加較多，使空預(yù)器漏風率增加，影響爐效。

3. 對引風機的影響。SCR反應(yīng)器及其連接煙道布置于空預(yù)器上游煙道中，使煙氣側(cè)阻力增加，增加的阻力包括煙道沿程阻力、局部阻力和催化劑本身的阻力（對于布置三層催化劑層的SCR反應(yīng)器，整個反應(yīng)器的流通壓降約在1kPa左右），為維持爐膛負壓，引風機的功耗勢必增加。同時因管道特性發(fā)生變化，對應(yīng)負荷下引風機的工作點也發(fā)生變化，低負荷時引風機可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定工作區(qū)可能上移。對于某些引風機功率裕量不大的在役機組，若進行SCR脫硝改造還須對引風機進行改造或更換。

五、結(jié)論

高塵段布置SCR脫硝裝置，因其所處煙氣段溫度為催化劑活性溫度范圍內(nèi)，無需增設(shè)專門的煙氣加熱裝置，結(jié)構(gòu)相對簡單，便于維護，同時脫硝效率高，運行可靠性有一定保證，能較好地滿足電廠排煙的環(huán)保性要求，而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代火電廠。但SCR脫硝裝置的裝設(shè)亦會給鍋爐運行產(chǎn)生負面影響，其中最為突出的是尾部煙道積灰問題。從原理上看，控制氨氣逃逸率和SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率是抑制SCR所引起的積灰最有效的途徑，但我們也應(yīng)認識到，氨氣逃逸率和SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率是SCR脫硝裝置帶來的固有問題，不能完全消除。運行維護人員只能通過調(diào)配入爐煤種、調(diào)整噴氨氣量等手段盡量控制氨氣逃逸率和SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率，并及時對積灰采取清除手段，力保在鍋爐正常運行周期內(nèi)控制尾部煙道積灰在可允許范圍內(nèi)。對于裝設(shè)SCR反應(yīng)器致使的鍋爐散熱損失增加問題，可以通過合理減少煙道長度，緊湊布置相關(guān)設(shè)備來加以控制；空預(yù)器漏風、引風機運行等問題，則可以通過選用空預(yù)器漏風控制系統(tǒng)（LCS）和合適的引風機型號來解決。