火電廠SCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)設(shè)計

孫娜

摘要：目前國內(nèi)燃煤電廠已投入使用的SCR 脫硝機組大多數(shù)采用國外技術(shù)，而我國的脫硝工作現(xiàn)在還處于初步階段，SCR 脫硝技術(shù)的工藝設(shè)計和運行控制經(jīng)驗相對缺乏，尚未形成一套完整成熟的自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)。SCR 脫硝技術(shù)工藝設(shè)計和運行控制手段的不斷完善和優(yōu)化，對于SCR 技術(shù)的應(yīng)用和推廣具有積極的推動作用，也對改善我國大氣環(huán)境質(zhì)量有著深遠的意義。因此，本文主要對火電廠SCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)設(shè)計進行了一系列的探討和論述。

關(guān)鍵詞：火電廠，SCR，煙氣脫硝，系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： N945 文獻標(biāo)識碼： A

一、引言

SCR技術(shù)是當(dāng)前世界上主流的煙氣脫硝工藝，自上世紀(jì)70年代在日本燃煤電廠開始正式商業(yè)應(yīng)用以來，目前在全世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，也是中國煙氣脫硝采用最多的技術(shù)，特別是近幾年SCR煙氣脫硝得到大面積的應(yīng)用。SCR煙氣脫硝技術(shù)具有脫硝效率高，成熟可靠，工藝系統(tǒng)簡單，雖然投資費用偏高，但是運行十分穩(wěn)定。然而在進行火電廠SCR煙氣脫硝工藝設(shè)計的過程中往往存在一些問題，會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。所以加強火電廠SCR煙氣脫硝設(shè)計探討及學(xué)習(xí)是十分有必要的。

二、SCR脫硝工藝介紹

選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)工藝是當(dāng)今世界各國應(yīng)用最多且最為成熟的工藝。SCR原理是在催化劑作用下，還原劑NH3在300-420℃下將NO和NO2還原成N2，而幾乎不發(fā)生NH3的氧化反應(yīng)，從而提高了N2的選擇性，減少了NH3的消耗。煙氣脫硝SCR工藝根據(jù)反應(yīng)器在煙氣系統(tǒng)中的位置主要分為三種類型：高灰型、低灰型和尾部型等。

1、高灰型SCR工藝：脫硝催化劑布置在省煤器和空預(yù)器之間，煙氣中粉塵濃度和SO2含量高，工作環(huán)境相對惡劣，催化劑活性下降較快，需選用低SO2氧化活性、大節(jié)距、大體積催化劑，但煙氣溫度合適（300-400℃），經(jīng)濟性最高，是目前燃煤電廠煙氣脫硝的主流布置形式。

2、低灰型SCR工藝：脫硝催化劑位于除塵器和脫硫設(shè)施之間，煙氣中粉塵濃度低，但SO2含量高，可選用低SO2氧化活性、小節(jié)距、中體積催化劑，但為了滿足催化劑反應(yīng)活性溫度要求，需相應(yīng)配置高溫除塵系統(tǒng)，目前此項工藝僅在日本有所應(yīng)用。

3、尾部型SCR工藝：脫硝催化劑位于脫硫設(shè)施后，煙氣中粉塵濃度和SO2含量都很低，可選用低SO2氧化活性、小節(jié)距、小體積催化劑，但由于煙氣溫度低于80℃，與低灰布置形式類似，需要采用GGH煙氣換熱或外部熱源加熱方式將煙氣溫度升至催化劑活性反應(yīng)溫度，系統(tǒng)復(fù)雜，同樣只適用于煙氣成分復(fù)雜或者空間布置受到限制特定情況，此種布置形式在垃圾焚燒廠中有較多應(yīng)用。

三、SCR煙氣脫硝系統(tǒng)技術(shù)原理

典型的燃煤電廠鍋爐選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)采用氨(NH3)作為還原介質(zhì),主要由供氨和噴氨系統(tǒng)、催化反應(yīng)器、煙氣管道與控制系統(tǒng)等組成。SCR反應(yīng)器通常布置在鍋爐省煤器出口與空氣預(yù)熱器入口之間。離開省煤器的熱煙氣在進入SCR反應(yīng)器前,在遠離SCR反應(yīng)器的上游煙道中噴入氨(NH3),與煙氣充分均勻混合后進入反應(yīng)器。氨在反應(yīng)器中，由于催化劑的作用下,選擇性地與煙氣中的NOx(主要為NO和少量的NO2)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將NOx轉(zhuǎn)換成無害的氮氣(N2)和水蒸氣(H2O),從而完成脫硝過程。脫硝后的凈煙氣從反應(yīng)器底部流出,經(jīng)出口煙道進入下游的空氣預(yù)熱器。研究認(rèn)為,在290-400e有如下幾種反應(yīng)：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

四、SCR系統(tǒng)各部分工藝設(shè)計要點

1、氨氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計要點

氨氣供應(yīng)系統(tǒng)主要由液氨儲罐、氨氣蒸發(fā)器、氨氣緩沖槽、氨/空氣混合器等組成，此套系統(tǒng)的主要作用是為脫硝系統(tǒng)提供還原劑（NH3），此過程中設(shè)計要點：

（1）液氨儲罐設(shè)計要點

液氨儲罐日常運行過程中可能遇到液氨泄漏、火災(zāi)及爆炸的風(fēng)險事故，為了防止相關(guān)風(fēng)險事故的發(fā)生，在工藝設(shè)計過程中需考慮以下相關(guān)設(shè)計要點：

①在儲罐相關(guān)位置設(shè)置超流閥、逆止閥、緊急關(guān)斷閥和安全閥等，以防止液氨的泄漏；②在儲罐相關(guān)位置設(shè)置溫度計、壓力表、液位計、高位報警儀等，以對液氨儲存狀態(tài)進行實時監(jiān)督；③儲罐周圍設(shè)計有噴淋裝置，適時對儲罐進行噴淋降溫，同時也可對揮發(fā)的微量氨氣進行吸收。

（2）氨氣蒸發(fā)器設(shè)計要點

為了保證進入氨/空氣混合器內(nèi)的氨氣滿足壓力和溫度上的要求，氨氣蒸發(fā)器內(nèi)應(yīng)設(shè)計相關(guān)的過高溫斷源裝置、過低溫斷源裝置和過壓力斷源裝置，在蒸發(fā)出的氨氣不滿足相關(guān)壓力和溫度的要求時，切斷氨氣蒸汽源，以保證進入后續(xù)工段的氨氣滿足壓力和溫度上的要求。

（3）氨/空氣混合器設(shè)計要點

氨/空氣混合器的作用是調(diào)節(jié)氨的濃度，同時使氨在空氣中分布均勻。通常工藝設(shè)計上通過設(shè)置稀釋風(fēng)機和氨氣流量控制器來控制氨氣和空氣的混合比例關(guān)系，以滿足脫硝反應(yīng)對于還原氣體的濃度要求。

（4）氨氣供應(yīng)系統(tǒng)相關(guān)安全措施設(shè)計要點

氨氣供應(yīng)系統(tǒng)部分在設(shè)計上主要考慮的相關(guān)安全措施包括氨氣泄漏檢測器和氮氣吹掃措施，氨氣泄漏檢測器實時對各部位的氨氣濃度進行檢測，氮氣吹掃措施用來防止氨氣的泄漏和潛在的爆炸危險。

2、進出口煙道設(shè)計要點

進出口煙道在設(shè)計上主要考慮煙道拐彎處的導(dǎo)流葉片設(shè)計，導(dǎo)流葉片的設(shè)計主要考慮葉片的形狀、位置和數(shù)量。另外，還需要考慮煙道的加固和支撐問題，以及導(dǎo)流葉片和拐彎處的防磨問題。

3、氨噴射裝置設(shè)計要點

氨噴射裝置通常采用噴射格柵的形式，在煙道截面上布置若干個控制區(qū)域，在不同控制區(qū)域上布設(shè)數(shù)目不等的氨氣噴射頭。氨噴射裝置在工藝設(shè)計上需要考慮的問題主要有以下幾個要點：（1）每個控制區(qū)域的噴射頭流量可單獨控制，適時匹配煙氣中的NOx的濃度分布；（2）根據(jù)具體的鍋爐尾部煙道的布置形式，合理設(shè)計噴氨格柵的位置及噴嘴形式；（3）在煙道的適當(dāng)位置加設(shè)導(dǎo)流擋板，使氨氣與煙氣混合更充分均勻；（4）噴氨部位應(yīng)設(shè)計在NOx濃度與煙氣流速都分布較均勻的部位，以提高物料效能及脫硝效率；（5）NH3/NOx的摩爾比通常按0.75～1.00設(shè)計，以保證在提高脫硝效率的同時，盡可能的降低副反應(yīng)的反應(yīng)速率。

4、SCR 反應(yīng)器設(shè)計要點

SCR 反應(yīng)器是脫硝系統(tǒng)中的核心部件，主要由反應(yīng)器殼體、催化劑布置層和吹灰器組成。

（1）SCR 反應(yīng)器殼體設(shè)計要點

SCR 反應(yīng)器殼體是影響 NOx/NH3的混合效果和煙氣速度均勻分布的核心部件，為了保證較為理想的反應(yīng)條件，SCR 反應(yīng)器殼體在設(shè)計上主要需要考慮加固、防震、載重、密封、抗拉、抗壓、隔熱等設(shè)計要求。

（2）催化劑布置層設(shè)計要點

催化劑布置層是影響SCR 反應(yīng)條件的核心設(shè)備部件，在設(shè)計上主要考慮以下幾點內(nèi)容：①SCR 反應(yīng)器中的催化劑一般為 2～4 層，通常垂向布置（平行于煙氣通過的方向）；②空塔氣速的選擇；③催化劑體積的選擇；④選擇合適的催化劑型式（平板式、蜂窩式或波紋板式）；⑤選擇合理的催化劑層距、過氣孔隙面積和過氣孔隙密度。

（3）吹灰器設(shè)計要點

吹灰器的作用是除去催化劑活性表面及堵塞在氣流通道內(nèi)的顆粒物，以起到恢復(fù)催化劑表面活性和降低反應(yīng)器壓降的作用，通常采用蒸汽吹灰器和聲波吹灰器。吹灰器在設(shè)計上主要考慮吹灰氣流或聲波的指向性，使它們更有效地作用于積灰表面。根據(jù)不同催化劑層的布置情況，有針對性地布設(shè)吹灰器的位置及指向作用范圍；對于吹灰器處于兩層催化劑之間的情況，在設(shè)計上需同時考慮氣流或聲波的反射作用，以便更充分地利用吹灰能。

五、結(jié)束語

總之，SCR 法煙氣脫硝技術(shù)作為目前應(yīng)用最成熟的煙氣脫硝技術(shù)，在我國燃煤電廠氮氧化物控制領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。在 SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)工藝設(shè)計和運行控制過程中，可以借鑒發(fā)達國家已經(jīng)取得的成功經(jīng)驗，但要結(jié)合我國鍋爐和燃煤的特性，進行合理的優(yōu)化設(shè)計和運行控制，以研發(fā)出具有我國自身特色的SCR法煙氣脫硝技術(shù)，為我國的氮氧化物控制工作出更大的貢獻。

參考文獻：

[1] 馮立波 羅鐘高：《火電廠SCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)設(shè)計》，《能源與環(huán)境》,2009年01期

[2] 郭斌 廖永進：《SCR煙氣脫硝系統(tǒng)性能試驗中幾個問題的探討》，《鍋爐技術(shù)》,2009年40期

[3] 劉國華 張江洪：《大型火電機組SCR煙氣脫硝技術(shù)探討》，《河南機電高等專科學(xué)校學(xué)報》,2008年16期

[4] 趙宗讓：《電廠鍋爐 SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化》，《中國電力》,2005年38期