選擇性催化還原法煙氣脫硝技術(shù)和設(shè)計管理特點(diǎn)

崔超

(中國大唐集團(tuán)科技工程有限公司，北京 100097)

0 引言

燃煤在發(fā)電過程中會排放大量的氮氧化物，燃燒1 t煤炭會產(chǎn)生5～30 kg的氮氧化物。氮氧化物是大氣的主要污染物，它與碳?xì)浠锓磻?yīng)生成的光化學(xué)煙霧嚴(yán)重危害人類健康。另外，氮氧化物還是造成酸雨的一個主要原因，酸雨的頻繁發(fā)生給生態(tài)環(huán)境和國民經(jīng)濟(jì)造成極大的影響。

為了達(dá)到“十二五”期間火電廠大氣污染物總量控制與達(dá)標(biāo)排放的目標(biāo)，滿足氮氧化物排放限值以及政府提出的限期開展煙氣脫硝改造的要求，各地火電企業(yè)都在積極進(jìn)行煙氣脫硝改造。相關(guān)資料顯示，2013年全國超過700臺火電機(jī)組進(jìn)行了脫硝改造。

對于國內(nèi)的煙氣脫硝設(shè)計技術(shù)，目前國內(nèi)尚處于消化吸收階段，創(chuàng)新明顯不足，個別技術(shù)細(xì)節(jié)仍停留在工程反饋后重新進(jìn)行認(rèn)識和矯正的階段。煙氣脫硝總承包(EPC)工程項(xiàng)目管理研究是一個系統(tǒng)工程，設(shè)計管理是總承包工程項(xiàng)目管理的一個重要組成部分，總結(jié)煙氣脫硝技術(shù)和設(shè)計管理的特點(diǎn)，有利于進(jìn)一步加強(qiáng)精細(xì)化設(shè)計管理。

1 選擇性催化還原法煙氣脫硝技術(shù)特點(diǎn)

適用于燃煤電廠鍋爐的煙氣脫硝技術(shù)主要有低氮燃燒技術(shù)(LNB)、選擇性非催化還原脫硝技術(shù)(SNCR)、選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)等。在眾多的脫硝技術(shù)中，SCR是脫硝效率最高、最成熟的脫硝技術(shù)，SCR已成為目前國內(nèi)外電廠脫硝的主流技術(shù)［1］。SCR煙氣脫硝技術(shù)具有如下特點(diǎn)。

1.1 與主機(jī)運(yùn)行密切相關(guān)

煙氣脫硝的主要反應(yīng)原理是:煙氣中的氮氧化物與噴入煙道的氨氣在高溫及催化劑作用下進(jìn)行反應(yīng)，生成氮?dú)夂退魵狻煔饷撓跸到y(tǒng)主要包括還原劑儲存與制備系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)。煙氣脫硝系統(tǒng)與煙氣脫硫系統(tǒng)相類似，設(shè)備不多。煙氣脫硝系統(tǒng)屬于電廠的一個子系統(tǒng)，而煙氣脫硫系統(tǒng)則相對獨(dú)立，若個別設(shè)備短期故障或者停運(yùn)，一般不會影響脫硫系統(tǒng)和主機(jī)的安全運(yùn)行。煙氣脫硝系統(tǒng)的煙氣來自鍋爐省煤器出口的高溫?zé)煔猓坏┟撓跸到y(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障，會直接影響主機(jī)的運(yùn)行安全，甚至?xí)斐赏C(jī)。

1.2 安全要求高

還原劑的選擇是影響SCR脫硝效率的主要因素之一，它具有效率高、價格低、安全可靠、存儲方便、運(yùn)行穩(wěn)定、占地面積小等特點(diǎn)。目前，常用的還原劑有液氨、尿素和氨水3種類型。由于液氨來源廣泛、價格便宜、投資及運(yùn)行費(fèi)用少，因而國內(nèi)大多數(shù)SCR裝置都采用液氨作為SCR脫硝還原劑。液氨屬于危險品，對于存儲、卸車、制備、采購及運(yùn)輸路線等均有較為嚴(yán)格的規(guī)定。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜

SCR脫硝裝置通常采取高塵布置，即按煙氣流程布置在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間。脫硝反應(yīng)器是一個鋼架結(jié)構(gòu)體，它包括反應(yīng)器殼體、催化劑、氨噴射與導(dǎo)流裝置、反應(yīng)器內(nèi)部支撐與支撐鋼架，整體坐落在獨(dú)立的構(gòu)架平臺上。此外部分SCR輔助設(shè)備(稀釋風(fēng)機(jī)、混合器、吹灰器)也布置在反應(yīng)器平臺上。因此，作為SCR脫硝裝置主要部件的反應(yīng)器，其溫度高、三維變形大、荷載大，需要對其進(jìn)行線性靜態(tài)分析及勁度矩陣計算，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計十分復(fù)雜。

1.4 反應(yīng)器及支架布置困難

大部分的改造項(xiàng)目爐后的空間狹小，一般沒有預(yù)留脫硝裝置空間，地上布置有風(fēng)機(jī)、煙道及支架，地下設(shè)施和管線復(fù)雜。在這種條件下，反應(yīng)器及支架布置困難，無論是加固原有煙道支架，還是插空新立鋼支架，施工難度都較大，工期不確定因素較多。

1.5 鍋爐改造難度大

煙氣一般從鍋爐省煤器出口引出，經(jīng)反應(yīng)器與氨氣反應(yīng)后，再返回空氣預(yù)熱器入口。當(dāng)引出和接入煙氣時，要對鍋爐尾部鋼架局部進(jìn)行加固和改造。因鍋爐鋼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加固核算需要非常專業(yè)的知識，還要熟悉原有鍋爐鋼架計算模型，所以，一般需要鍋爐廠專業(yè)技術(shù)人員才能完成這部分的設(shè)計工作。

1.6 流場要求高

不同類型的氨噴射混合技術(shù)都必須進(jìn)行煙道及反應(yīng)器流場計算和物理模型試驗(yàn)，優(yōu)化調(diào)整反應(yīng)器進(jìn)、出口煙道的外形和布置方式、導(dǎo)流板的形狀和位置、噴氨格柵的布置位置等，使反應(yīng)器入口煙氣流場達(dá)到一定的均勻程度。脫硝系統(tǒng)流場計算和物理流場模型優(yōu)化試驗(yàn)范圍一般涵蓋從鍋爐省煤器出口到鍋爐空氣預(yù)熱器入口的全部煙氣系統(tǒng)，其中包含煙氣系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)流板、噴氨裝置、反應(yīng)器入、出口煙道和反應(yīng)器等。

1.7 涉及改造的系統(tǒng)多

1.7.1 低氮燃燒改造

國內(nèi)切圓燃燒技術(shù)源自美國CE公司，從早期的集中送風(fēng)高溫富氧燃燒到目前的多級空氣深度分級燃燒，在不同時期已發(fā)生了4次重大變化。目前國內(nèi)采用了不同階段的低氮燃燒技術(shù)，雖然效果不同，但可以在一定程度上降低燃燒過程中NOx的生成量。排放質(zhì)量濃度仍然較高的鍋爐(在名義工況下，通常大于600 mg/m3，下同)，如果不進(jìn)行低氮燃燒改造而只進(jìn)行選擇性催化還原法煙氣脫硝改造，相應(yīng)改造投資與運(yùn)行費(fèi)用會大幅增加。經(jīng)綜合考慮，無論是從機(jī)組達(dá)標(biāo)排放要求還是從技術(shù)或工程實(shí)施角度、經(jīng)濟(jì)性角度考慮，對鍋爐進(jìn)行低氮燃燒改造是非常必要的。

1.7.2 省煤器除灰系統(tǒng)改造

目前，有些鍋爐未設(shè)置省煤器灰斗及省煤器輸灰系統(tǒng)，存在著輸灰不暢的問題，煙塵會在省煤器出口至反應(yīng)器上升煙道水平段聚集，隨著煙氣流動，大量積灰會帶入后續(xù)反應(yīng)器內(nèi)，堵塞催化劑孔道。因此，在煙氣脫硝改造期間，需要增加省煤器灰斗或改造現(xiàn)有輸灰系統(tǒng)。若省煤器出口水平煙道較長，還需要在反應(yīng)器入口煙道底部(即省煤器出口)增設(shè)小灰斗并設(shè)置輸灰系統(tǒng)，將SCR入口積灰及時排出。此外，還可在水平煙道上設(shè)置人孔，在水平煙道少量積灰的情況下，在機(jī)組小修期間，可通過人孔進(jìn)行清除。

1.7.3 空氣預(yù)熱器改造

大多數(shù)機(jī)組空氣預(yù)熱器在設(shè)計初期并未考慮脫硝預(yù)留。因冷端元件高度預(yù)留不夠，脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后副反應(yīng)生成的NH4HSO4沉積點(diǎn)會高于低溫段換熱元件高度，導(dǎo)致?lián)Q熱元件堵塞及腐蝕。若不采取改造措施，脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后會在下級換熱元件內(nèi)產(chǎn)生NH4HSO4沉積，并在換熱元件內(nèi)發(fā)生堵塞并出現(xiàn)腐蝕，影響空氣預(yù)熱器及整個機(jī)組的正常運(yùn)行。考慮到上述情況，一般在脫硝改造的同時，需對空氣預(yù)熱器換熱元件進(jìn)行更換，也對相關(guān)沖洗設(shè)備進(jìn)行配套改造，以滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

1.7.4 引風(fēng)機(jī)改造

脫硝改造對引風(fēng)機(jī)的影響主要是系統(tǒng)阻力的增加而使引風(fēng)機(jī)出力也相應(yīng)增加。在通常情況下，脫硝裝置增加阻力可按1000～1200 Pa考慮，對于引風(fēng)機(jī)裕量不足的電廠，就需要對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。

2 SCR法煙氣脫硝設(shè)計管理特點(diǎn)

不同類別的工程都有其本身獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，隨之而來的設(shè)計管理也要對癥下藥，需要總結(jié)出一套行之有效的管理方法，才能達(dá)到事半功倍的效果。根據(jù)煙氣脫硝項(xiàng)目的特點(diǎn)和項(xiàng)目的實(shí)際執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將煙氣脫硝設(shè)計管理特點(diǎn)總結(jié)如下。

2.1 工期短

目前大多數(shù)電廠受煤價上揚(yáng)和電價受限因素的影響，經(jīng)濟(jì)效益不好，很多電廠負(fù)債率明顯偏高，職工收入多年沒有增長。加上脫硝電價尚未落實(shí)，即便落實(shí)后，根據(jù)目前政策也無法彌補(bǔ)脫硝運(yùn)行成本。所以，大多數(shù)電廠對于脫硝改造并不積極，能拖則拖?？墒?，迫于全社會治理環(huán)境污染的壓力，脫硝項(xiàng)目又不得不上。這種矛盾的心理，造成了脫硝項(xiàng)目一旦開工，工期就會奇短;并且沒有拖延的余地，否則就會面臨停產(chǎn)。

一般來說，煙氣脫硝總承包單位介入半年至1年項(xiàng)目就要投運(yùn)，而且項(xiàng)目進(jìn)度要依賴于電廠停機(jī)檢修計劃及節(jié)點(diǎn)。需要在停機(jī)的半個月至2個月內(nèi)完成煙氣系統(tǒng)的貫通、催化劑的安裝等重要工序。工期奇短，設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)周期無法改變，安裝工期也無法進(jìn)一步壓縮，給設(shè)計工期帶來了巨大的壓力。盡管相關(guān)部門一再強(qiáng)調(diào)禁止“三邊”(邊勘測、邊設(shè)計、邊施工)工程，但設(shè)計工期過短很容易成為“三邊”工程，如此局面會帶來很大的風(fēng)險。一方面，設(shè)計人員在重壓和資料不全的情況下，其設(shè)計技術(shù)參數(shù)偏于保守;另一方面，由于圖紙未經(jīng)校審和考慮不周，設(shè)計變更會比較多。在這種情況下，面臨著工期拖延和成本大幅增加的風(fēng)險。

2.2 管理難度大

對于常規(guī)脫硝改造項(xiàng)目，設(shè)計管理人員一般會涉及眾多的相關(guān)單位、部門及個人:脫硝設(shè)備生產(chǎn)廠家(幾十家)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計單位、鋼結(jié)構(gòu)制造單位、施工圖設(shè)計單位、初步設(shè)計審查單位、鍋爐廠、電廠、施工單位、現(xiàn)場項(xiàng)目部、公司內(nèi)部各業(yè)務(wù)部門、設(shè)計院內(nèi)部各專業(yè)人員、主管領(lǐng)導(dǎo)等。如果復(fù)雜一些的脫硝改造項(xiàng)目還要涉及低氮燃燒改造單位、空氣預(yù)熱器改造單位、引風(fēng)機(jī)改造單位、除灰系統(tǒng)改造單位、空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)改造單位等。短期內(nèi)需要協(xié)調(diào)的單位和人員如此之多，管理工作量甚大。再加上脫硝項(xiàng)目很多，每個設(shè)計管理人員同時負(fù)責(zé)多個脫硝項(xiàng)目的設(shè)計管理工作，管理工作難度更大。

2.3 影響因素眾多

隨著脫硝項(xiàng)目管理幅度的增大，影響質(zhì)量、進(jìn)度和成本的因素也增多，稍有疏忽，就有可能出現(xiàn)問題，看似不是關(guān)鍵路線的工作也會變成制約項(xiàng)目執(zhí)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。比如，在通常情況下，土建工作作為關(guān)鍵工作，啟動較早，若與設(shè)備廠家配合出現(xiàn)問題或遲遲定不了設(shè)備廠家，土建設(shè)計工作就受到制約，現(xiàn)場施工就會受到影響。又比如，鋼結(jié)構(gòu)制造工期基本不變，如果前期鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案出現(xiàn)了問題或工藝方案出現(xiàn)較大調(diào)整，就會影響到后期的鋼結(jié)構(gòu)交貨，進(jìn)而影響到現(xiàn)場施工進(jìn)度。再比如，鍋爐改造設(shè)計工期較難控制，因?yàn)檫@部分設(shè)計合同額較低，鍋爐廠不愿意做或?qū)@部分改造設(shè)計工作不夠重視，假如工藝方案對鍋爐改動較大，就有可能被否決。若重新進(jìn)行方案設(shè)計，又要耗費(fèi)大量的精力和時間，工程整體進(jìn)度就會受到較大影響。

2.4 行業(yè)跨度大

大多數(shù)脫硝工程的還原劑均為液氨，該產(chǎn)品屬于危險品。還原劑儲存及制備區(qū)域需要有化工行業(yè)設(shè)計資質(zhì)的單位才能從事施工圖設(shè)計。脫硝又屬于電力工程項(xiàng)目，從事該項(xiàng)目的設(shè)計管理人員多為長期從事電力行業(yè)設(shè)計的相關(guān)人員，接觸的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也多為電力相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。若從事脫硝工程設(shè)計管理，又要跨行業(yè)對化工設(shè)計單位進(jìn)行設(shè)計管理，在設(shè)計管理過程中，存在標(biāo)準(zhǔn)不一、習(xí)慣不同等差異，溝通起來較為困難。

2.5 相似度高

由于各個機(jī)組容量等級的爐后布置方式均有相似或相通之處，脫硝工藝基本一致，故脫硝裝置布置也可相互借鑒。在還原劑制備及儲存區(qū)域，工藝系統(tǒng)基本一致。一般來說，電廠可提供一塊空地作為還原劑制備及儲存區(qū)域。在通常情況下，該空間相對寬松，各項(xiàng)目之間也可相互參考并進(jìn)行相應(yīng)修改。

2.6 區(qū)域特點(diǎn)明顯

受各項(xiàng)目區(qū)域地址位置和氣候的影響，各項(xiàng)目需要考慮的工藝措施也不一樣。比如我國北方地區(qū)的項(xiàng)目，由于冬季氣溫偏低，液氨無法靠自身壓力流到蒸發(fā)器，就需要增加液氨輸送泵。北方冬季偏冷，管道就要考慮防凍保溫措施，反應(yīng)器就要做緊身封閉。再比如，我國南方地區(qū)的項(xiàng)目，由于雨水較多，工藝設(shè)備露天布置很容易造成銹蝕，需增加相應(yīng)的工藝罩棚，而在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)就要把工藝設(shè)備放在室內(nèi)。

3 SCR法煙氣脫硝設(shè)計管理建議

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計

由于煙氣脫硝工程大都類似，系統(tǒng)也不太復(fù)雜，可以根據(jù)執(zhí)行項(xiàng)目，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將氨區(qū)和SCR法煙氣脫硝區(qū)分門別類做成標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計。對于提高工程設(shè)計質(zhì)量、提高工作效率、縮短設(shè)計和采購工期都有很大的幫助。比如氨區(qū)布置圖，一般來說電廠提供氨區(qū)位置均為一片空地，場地基本不受太大限制，可以直接拿來就用，即便調(diào)整也是局部微調(diào)。還可以參考已執(zhí)行項(xiàng)目的氨區(qū)布置，挑選專業(yè)水平較高的設(shè)計人員進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計，設(shè)備之間的相對位置基本固定，考慮到設(shè)備外形的差別不大，將設(shè)備間距適當(dāng)放大，以滿足所有項(xiàng)目的需要。這樣就能避免設(shè)計人員花費(fèi)很大精力對每個項(xiàng)目都要重新設(shè)計和布置一遍，節(jié)省了人力和物力。

3.2 借鑒以往工程的經(jīng)驗(yàn)

大部分常規(guī)脫硝項(xiàng)目的工藝流程與以往項(xiàng)目都類似。所以，在投標(biāo)方案和工程量估算上，參考以往項(xiàng)目的布置和實(shí)際執(zhí)行工程量，有利于縮短設(shè)計時間，方案更加合理，工程量更加準(zhǔn)確。在項(xiàng)目總結(jié)報告中要進(jìn)行設(shè)計方面的工作總結(jié)，將項(xiàng)目設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)反饋給相關(guān)部門及專業(yè)人員。在新項(xiàng)目執(zhí)行中，要注意學(xué)習(xí)借鑒其他項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，避免再次出現(xiàn)其他項(xiàng)目的失誤。要堅持學(xué)習(xí)同行的先進(jìn)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)設(shè)計方案，節(jié)約投資。

3.3 設(shè)計管理與采購、施工管理深度交叉

改進(jìn)總承包設(shè)計流程，將各個階段的設(shè)計工作模糊化處理，采購與施工配合工作從項(xiàng)目啟動即著手配合，平行工作。比如，一旦中標(biāo)或者項(xiàng)目正式啟動后，就一邊要開展設(shè)計工作，一邊進(jìn)行設(shè)計、施工和鋼結(jié)構(gòu)、流場計算等分包單位的招標(biāo)工作，同時要進(jìn)行催化劑、氨罐、進(jìn)口設(shè)備等主要設(shè)備的采購工作。前期設(shè)計階段將設(shè)計過程作為關(guān)鍵路線，其他工作要圍繞著設(shè)計工作進(jìn)行。一旦開工，就將施工作為關(guān)鍵路線，一切工作要根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整。這樣的深度交叉，會大大縮短工期，在節(jié)省人力和成本的同時，也會創(chuàng)造更大的利潤。

3.4 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)及早參與設(shè)計管理

團(tuán)隊(duì)成員應(yīng)盡早地參與工程項(xiàng)目的設(shè)計，從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，及早考慮設(shè)計的可施工性、可操作性和可維護(hù)性。這樣，加強(qiáng)了方案優(yōu)化，減少了設(shè)計變更，從而達(dá)到節(jié)約成本、壓縮工期、提高質(zhì)量之目的。

3.5 組建專家團(tuán)隊(duì)

將個別有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計人員從繁瑣的低端事務(wù)中解放出來，讓他們從事與自身經(jīng)驗(yàn)和水平匹配的專業(yè)技術(shù)工作。優(yōu)化設(shè)計方案、處理設(shè)計問題、改進(jìn)工藝流程，做好了這些工作以后，在解放設(shè)計人員的同時，也能創(chuàng)造更大的效益。

3.6 優(yōu)選設(shè)計單位

分包設(shè)計費(fèi)用僅占項(xiàng)目總成本的一小部分，但是設(shè)計質(zhì)量和進(jìn)度卻對項(xiàng)目成本有很大影響。從“性價比”的角度來說，選好設(shè)計單位是非常重要的。推行全過程限額設(shè)計，將限額設(shè)計運(yùn)用到項(xiàng)目設(shè)計的各個階段，在滿足質(zhì)量和工期要求的前提下，最大限度地控制成本。

3.7 加強(qiáng)交流與培訓(xùn)

許多設(shè)計人員脫硝工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)不足，對于個別技術(shù)細(xì)節(jié)把控不夠，很容易造成現(xiàn)場施工和調(diào)試運(yùn)行出現(xiàn)問題。總承包單位在設(shè)計管理中應(yīng)注重溝通，使總承包單位與電廠、設(shè)計院之間及總承包方內(nèi)部各部門之間聯(lián)系通暢，使總承包工程各方之間溝通程序化、規(guī)范化，保證設(shè)計方案能在設(shè)計過程中及時得到反饋、優(yōu)化，從而有利于整個工程的順利實(shí)施及成本控制。

4 結(jié)論

分析了SCR法煙氣脫硝技術(shù)和設(shè)計管理特點(diǎn)，提出了幾點(diǎn)設(shè)計管理的建議，旨在通過開展設(shè)計管理研究，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計管理，從而提高工程管理水平，向管理和創(chuàng)新要效益。

［1］西安熱工研究院.火電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2013.