SCR脫硝技術(shù)的應(yīng)用實例

黃秋麗 李 玲 董強強 沈 健

(1.河源市環(huán)境監(jiān)測站，廣東 河源 517000;2.深能合和電力(河源)有限公司，廣東 河源 517000)

0 引言

燃煤電廠煙氣脫硝分為選擇性催化還原(SCR)、選擇性非催化還原(SNCR)和SCR/SNCR聯(lián)用三種技術(shù)。其中選擇性催化還原(SCR)是目前最成熟的煙氣脫硝技術(shù)，其脫硝效率高(70% ～90%)，選擇性好，無二次污染，因此在我國得到了最廣泛的應(yīng)用［1－2］。

2010年，我國火電行業(yè)N O x排放量達(dá)到1 038萬t，預(yù)計到2015年全國將有約5億kw的燃煤電廠進(jìn)行煙氣脫硝。而據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會提供的數(shù)據(jù)，截至2008年底，已有超過2 000萬kw的煙氣脫硝機(jī)組投運，其中絕大部分采用的是 SCR法［1］。SCR技術(shù)工業(yè)設(shè)備緊湊，運行可靠，脫硝效率可達(dá)85%，使用催化劑，反應(yīng)溫度低，還原生成氮氣，無二次污染。但是存在以下缺點:煙氣成分復(fù)雜，某些污染物可使催化劑中毒;系統(tǒng)存在一些未反應(yīng)的NH3和煙氣的 S O2作用，生成易腐蝕和堵塞設(shè)備的(NH4)2S O4和NH4HS O4，會降低氨的利用率，同時加劇空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕［3］。

SCR脫硝技術(shù)在國內(nèi)外已運行一段時間，現(xiàn)階段運行仍然存在以下問題:若煙氣溫度低于最低投運溫度，則脫硝退出;高分散的粉塵會覆蓋催化劑的表面，使其活性下降;發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率下降導(dǎo)致機(jī)組長期處于低負(fù)荷狀態(tài)下運行，脫硝設(shè)施撤出時間增加，不利于污染物減排;若脫硝設(shè)施長期在低負(fù)荷、煙氣溫度不高的情況下運行，則會對脫硝設(shè)施的催化劑產(chǎn)生一定的副作用，影響催化劑的實際催化效果和使用壽命［4］。本文以某電廠為例，通過分析SCR脫硝技術(shù)在該廠的實際應(yīng)用，以期為SCR脫硝工程工藝設(shè)計和設(shè)備選型提供借鑒。

1 電廠煙氣處理概況

1.1 煙氣處理背景

該電廠2×600 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組采用低氮燃燒技術(shù)，分別于2008年12月和2009年8月投入商業(yè)運行，同期建設(shè)脫硫系統(tǒng)，并預(yù)留脫硝接口。煙氣自省煤器后進(jìn)入高頻電除塵設(shè)備進(jìn)行除塵，最后進(jìn)入FGD脫硫系統(tǒng)除去S O2后進(jìn)入煙囪排放。在機(jī)組本體及脫硫系統(tǒng)的進(jìn)出口煙道上均設(shè)有回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，實現(xiàn)煙氣系統(tǒng)的熱交換。

該電廠1、2號機(jī)組脫硝改造工程分別于2014年1月、2013年3月投運，同期建設(shè)可存儲90 t液氨的液氨站。

1.2 脫硝工藝

該電廠脫硝工程選用福建龍凈環(huán)保股份有限公司設(shè)計制造的全套煙氣脫硝系統(tǒng)，采用SCR脫硝裝置，按入口N O x濃度450 mg/Nm3、處理100%煙氣量及最終N O x排放濃度為90 mg/Nm3進(jìn)行設(shè)計。脫硝還原劑采用99.8%液氨氣化處理后的氣氨。如圖1所示，在催化劑作用下，氣氨與煙氣中的N O x反應(yīng)生成無害的 N2和H2O，從而去除氮氧化物［3］。該電廠在SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的設(shè)備選型階段，就充分考慮了催化劑最低投用煙溫與機(jī)組低負(fù)荷運行時省煤器出口煙氣溫度的匹配性，為了保證脫硝投用率，選擇最低投用煙氣溫度較低的催化劑。

圖1 SCR煙氣脫硝反應(yīng)示意

化學(xué)反應(yīng)式如下:

如圖2所示，鍋爐配置A、B兩臺SCR脫硝反應(yīng)器。從鍋爐省煤器來的煙氣經(jīng)SCR裝置入口補償器、氨噴射格柵(AIG)、反應(yīng)器入口補償器，然后進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，煙氣豎直向下流動。催化劑為蜂窩式，設(shè)計為3層，其中一層為預(yù)留層?？紤]到溫度可控且裕量充足，未設(shè)省煤器調(diào)溫旁路和反應(yīng)器旁路煙道。氨站儲罐內(nèi)儲存的液氨經(jīng)加熱蒸發(fā)后形成氨氣，經(jīng)穩(wěn)壓、流量調(diào)節(jié)、空氣混合后，由噴氨格柵進(jìn)入脫硝反應(yīng)器入口混合煙道中，與煙氣進(jìn)行充分混合，在催化劑表面進(jìn)行反應(yīng)。工藝參數(shù)見表1。

圖2 該電廠脫硝工藝流程

表1 SCR脫硝系統(tǒng)主要工藝參數(shù)

2 系統(tǒng)設(shè)備

2.1 氨站

2.1.1 卸料系統(tǒng)

氨站設(shè)有2臺美國C O RKEN壓縮機(jī)，出力為48 m3/h，用于正常狀態(tài)下液氨的卸料，以及檢修狀態(tài)下液氨的倒罐和裝車。以卸料過程為例，其工作原理是將液氨儲罐內(nèi)部的氣體經(jīng)過增壓后輸入槽車中，形成壓差將槽車中的液氨壓入儲罐，如圖3所示。

2.1.2 存儲系統(tǒng)

氨站設(shè)2臺92 m3水平臥式的氨儲罐，儲罐及其管路上均配有安全閥，避免氨氣超壓泄漏爆炸。每個儲罐設(shè)有磁翻板式和超聲波式液位計、溫度計、壓力計等監(jiān)控保護(hù)裝置，此外罐體周圍還布有工業(yè)水噴淋管道，實現(xiàn)超溫超壓時的緊急噴淋。

圖3 卸料壓縮機(jī)工作原理示意［5］

2.1.3 蒸發(fā)系統(tǒng)

氨站設(shè)有2臺蒸發(fā)器，其作用是將液氨加熱轉(zhuǎn)化為氨氣。液氨(流量由調(diào)節(jié)閥根據(jù)氨氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制)進(jìn)入盤管中，被盤管外的水浴加熱氣化，之后進(jìn)入緩沖罐，壓力穩(wěn)定在約0.30 MPa。水的熱量來自鍋爐輔助蒸汽，并通過溫度控制裝置將水溫恒定在約70℃。

2.2 反應(yīng)區(qū)

2.2.1 反應(yīng)器

反應(yīng)器本體采用板箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)橫向加強板、支架、密封、鋼架等均采用方型或者長方型(內(nèi)空)鋼梁，設(shè)計成不易積灰的型式。反應(yīng)器入口及出口段應(yīng)設(shè)導(dǎo)流板，SCR反應(yīng)器與進(jìn)、出口煙道范圍內(nèi)的導(dǎo)流板、整流裝置、靜態(tài)混合器、支撐及附件等材質(zhì)為Q345鋼，并對內(nèi)部易磨損的部位采取耐磨合金鋼防護(hù)板。反應(yīng)器設(shè)有入孔，并在最下層催化劑下部布置永久氮氧化物抽氣測點。

2.2.2 催化劑

選用成都東方凱特瑞環(huán)保催化劑有限責(zé)任公司生產(chǎn)的釩鈦基催化劑，主要成分有二氧化鈦(Ti O2)、五氧化二釩(V2O5)、三氧化鎢(W O3)、三氧化鉬(Mo O3)。每層布有72個催化劑箱。催化劑的型式為蜂窩式，單體模塊孔數(shù)18×18孔，帶有測試模塊，可在機(jī)組維護(hù)期間進(jìn)行取樣測試。催化劑的化學(xué)壽命大于24 000運行小時。圖4為催化劑及蒸汽吹灰系統(tǒng)的布置。

2.2.3 吹灰系統(tǒng)

單個反應(yīng)器上，每層設(shè)有5個聲波吹灰器和4個半伸縮耙式蒸汽吹灰器。聲波吹灰器采用瑞典科康品牌，所用壓縮空氣壓力為0.60 MPa。蒸汽吹灰器采用上?？巳R德貝爾格曼機(jī)械有限公司生產(chǎn)的耙式吹灰設(shè)備，對催化劑上表面進(jìn)行伸縮式吹灰。

2.2.4 氨氣供給管路設(shè)備

氨氣自氨站輸送至反應(yīng)器本體外部，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥對其流量進(jìn)行控制后，進(jìn)入氨空混合器與空氣混合，最后進(jìn)入噴氨格柵。氨氣在空氣中的爆炸極限為15% ～27%，為保證安全，采用稀釋風(fēng)機(jī)將空氣注入氨空混合器，將其濃度控制在5%以下。每臺鍋爐設(shè)3臺稀釋風(fēng)機(jī)，采用法國風(fēng)力嘉工業(yè)風(fēng)機(jī)，流量為3 550 Nm3/h。

2.2.5 噴氨格柵AIG

噴氨格柵關(guān)系到反應(yīng)器內(nèi)的氨氣與煙氣中的N O x混合均勻的程度，直接關(guān)系到脫硝效率和氨逃逸率兩個重要指標(biāo)。每個反應(yīng)器上設(shè)有1組噴氨格柵，具有18根噴氨支管分區(qū)域進(jìn)行噴氨，每根支管上有8個噴頭，共144個噴頭組成格柵，均勻分布在入口煙道的橫截面上。每根支管設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥和壓差計，用于調(diào)節(jié)噴氨場的均勻性。

圖4 催化劑及蒸汽吹灰系統(tǒng)［5］

3 技術(shù)特點

3.1 氨區(qū)的安全技術(shù)

由于氨是化學(xué)危險品，具有爆炸性和可燃性，泄漏時，氨的擴(kuò)散能力很強，對周圍環(huán)境及人體的毒害性大。因此，氨站內(nèi)設(shè)有6個氨泄漏監(jiān)測儀、3臺消防炮、滅火器、洗眼器等消防安全設(shè)施。此外，氨站附近配備有8套防護(hù)裝備，包括正壓式呼吸器、全身防護(hù)服、全面罩、半面罩、長筒膠靴、防凍手套、護(hù)目鏡等，分別放置在氨站控制室及化水集控室內(nèi)。特別在氨站附近建有急救設(shè)備存放亭，在事故狀態(tài)下能夠及時穿戴，保證氨站的安全與穩(wěn)定運行。

3.2 未設(shè)旁路

設(shè)置旁路的SCR脫硝系統(tǒng)存在旁路擋板的密封和積灰問題，而且投資、運行和維護(hù)費用較高?？紤]到該工程每年正常啟停次數(shù)在10次以下，借鑒國內(nèi)外的經(jīng)驗，取消旁路設(shè)置，簡化系統(tǒng) 。

3.3 氨氣/煙氣的混合技術(shù)

注入的氨氣與煙氣均勻混合是保證脫硝率和減少氨逃逸率的重要措施。該工程在每個SCR反應(yīng)器上設(shè)有一組噴氨格柵，共有144個噴頭，均勻分布在入口煙道的橫截面上。格柵上的每根支管設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥和壓差計，用于調(diào)節(jié)噴氨場的均勻性。

3.4 催化劑層數(shù)的設(shè)置

層數(shù)設(shè)置是以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)為前提，盡量減小初期投資為原則。每臺SCR反應(yīng)器采用2+1層催化劑布置方式，其中最下層為預(yù)留層，減少了SCR所占空間和初投資及運行、檢修維護(hù)的費用。同時，預(yù)留備用層從遠(yuǎn)期角度滿足我國不斷提高的環(huán)保要求，靈活性強［5］。

3.5 廢水回用

該電廠氨站設(shè)置有162 m3的廢水池貯存廢水。當(dāng)液氨儲罐和蒸發(fā)系統(tǒng)需要檢修時，可將氣氨排入氨稀釋槽中，經(jīng)水吸收后再排往氨區(qū)廢水池，減少環(huán)境污染。氨區(qū)廢水池設(shè)有2臺廢水泵，將含氨廢水輸送至廠區(qū)工業(yè)廢水池中進(jìn)行處理并回用，達(dá)到“廢水零排放”的標(biāo)準(zhǔn)。另設(shè)有32 m3的回用水池，主要用于加熱用蒸汽水的儲存、回用。

4 系統(tǒng)性能測試

2013年5月，委托廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院對2號機(jī)組脫硝系統(tǒng)性能進(jìn)行測評，對脫硝率、煙氣流場分布、溫度場分布、進(jìn)出口N O x分布、出口NH3分布、系統(tǒng)阻力、氨氮摩爾比等參數(shù)進(jìn)行了實測分析。

2號機(jī)組SCR脫硝裝置第一次性能試驗的主要結(jié)果匯總見表2，主要測量參數(shù)滿足設(shè)計值要求，脫硝效果良好。

表2 2號SCR脫硝裝置性能試驗主要結(jié)果匯總

5 結(jié)語

該電廠2×600 MW燃煤機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置分別于2013年3月和2014年1月通過168 h試運行并投產(chǎn)使用，各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求，在100%、75%、60%工況條件下，脫硝效率分別為82%、87%和90%，氨逃逸率均小于2%，系統(tǒng)總阻力低于500 Pa。煙氣N O x排放濃度達(dá)到最新國家標(biāo)準(zhǔn)GB 13223—2011的要求。

綜上所述，SCR工藝因其脫硝效率高，選擇性強，是國內(nèi)脫硝工藝的首選。隨著國家節(jié)能減排力度的加大，在借鑒發(fā)達(dá)國家成功經(jīng)驗的同時，應(yīng)完善和解決SCR工藝運行過程中存在的問題，提高脫硝設(shè)備的投運穩(wěn)定性和投運率，裝備國產(chǎn)化，整體降低電力行業(yè)N O x排放。

［1］譚青，馮雅晨.我國煙氣脫硝行業(yè)現(xiàn)狀與前景及SCR脫硝催化劑的研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2011，30:709－713.

［2］付興金.王海良，孫藝心，等.哈鍋SCR脫硝技術(shù)在廣東德勝電廠的應(yīng)用［J］.鍋爐制造，2010(1):26－28.

［3］吳金泉，淺談SCR煙氣脫硝工藝特點［J］.海峽科學(xué)，2011(5):22－24.

［4］陸建偉，曹志勇，李輝.燃煤機(jī)組煙氣脫硝設(shè)施建設(shè)和運行情況及存在問題淺析［J］.電力科技與環(huán)保，2013，29(5):4－7.

［5］陳進(jìn)生.嵩嶼電廠煙氣SCR脫硝工藝及特點分析［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2006，22(6):40－43.

［6］曾令大，周懷春，傅培舫，等.后石電廠選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置的應(yīng)用［J］.潔凈煤技術(shù)，2007，13(1):66－69.