基于SCR的火力發(fā)電廠脫硝改造方案研究與設(shè)計(jì)

摘 要：本文從脫硝方案設(shè)計(jì)原則、煙氣脫硝裝置工藝選擇、還原劑選擇、脫硝工藝系統(tǒng)及設(shè)備選擇以及還原劑儲(chǔ)存制備等方面深入討論了山西魯能河曲發(fā)電有限公司脫硝升級(jí)改造工程的方案設(shè)計(jì)，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，改造效果顯著，NOX有所降低符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：SCR；脫硝改造方案；工藝選擇；還原劑；設(shè)備

Abstract：This article from the project design principle，flue gas denitration device technology selection，reducing agent selection，denitration process systems and equipment selection and reducing agent storage preparation etc.，in-depth discussion of the Shanxi Luneng Hequ Power Generation Co. Ltd. denitration upgrading design engineering project，through production practice，the transformation effect is significant，NOX reduced in accordance with the relevant norms and standards.

Key words：SCR；Denitrification Reconstruction Scheme；Process Selection；Reducing Agent；Equipment

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ畹挠秒娏恳部焖僭鲩L(zhǎng)，這直接造成了我國(guó)的能源消耗形成了快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，相信不久的將來(lái)我國(guó)將成為能源消耗第一大國(guó)。更為嚴(yán)重的問(wèn)題是隨著能源的消耗將帶來(lái)大氣環(huán)境的污染將我國(guó)甚至世界人類的日常生活、身體健康等帶來(lái)愈來(lái)愈嚴(yán)重的影響，其中最為嚴(yán)重、危害最大、污染范圍最廣的是由于煤燃燒所產(chǎn)生的氮氧化物、硫化物，這些有害氣體是造成酸雨、霧霾的最直接因素。隨著我國(guó)各種各樣的工業(yè)企業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)工業(yè)所產(chǎn)生的Sox、NOX的妥善處理儼然成為了當(dāng)前最為緊迫和最為重要的研究課題。尤其是火力發(fā)電行業(yè)的對(duì)大氣污染必須引起相關(guān)部門的高度重視，為了減少有害氣體的排放量，對(duì)火電廠設(shè)備、工藝流程的升級(jí)改造迫在眉睫。山西魯能河曲發(fā)電有限公司積極響應(yīng)國(guó)家有關(guān)部門的號(hào)召，遵循相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)公司現(xiàn)有的脫硫脫硝相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程進(jìn)行升級(jí)改造[1]。本文結(jié)合山西魯能河曲發(fā)電有限公司生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)脫硝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)原則

方案采用低溫SCR選擇性催化還原技術(shù)工藝，按裝設(shè)3層低溫催化劑，預(yù)留運(yùn)行一定年限后再增加1層催化劑空間，以滿足催化劑運(yùn)行后期效果降低或催化劑再生期間，排放煙氣的氮氧化物始終能夠環(huán)保法規(guī)要求。煙氣由地下煙道引出匯集成一條煙道，進(jìn)入上行煙道，煙氣自下向上流動(dòng)，還原劑——氨水汽化霧則從每層催化劑上方向下噴射，以保證氨水氣霧與煙氣良好混合接觸，獲得良好的脫硝效果[2]。

方案設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)有氨水、工藝水、氣源參數(shù)、吹灰蒸汽參數(shù)和電源。其中氨水為20%氨水溶液；工藝水采用廠區(qū)工業(yè)水，供水壓力0.3MPa；氣源參數(shù)為0.4～0.6MPa壓縮空氣；吹灰蒸汽參數(shù)為0.5～0.66MPa，溫度250C°吹灰蒸汽；電源提供交直流電源，等級(jí)為380V，控制電源為交流220V和直流220V。

發(fā)電設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量煙氣，較高的pH值和SO32-不完全氧化物在煙氣中產(chǎn)生自由氨，方案應(yīng)能夠有效防止硫—銨氣溶膠、液滴帶出等方式的氨逃逸。方案設(shè)計(jì)采用控制pH值、促進(jìn)SO32-的氧化、控制除霧器出口煙氣溫度（溫度越高氨氣溶解度越低更易形成氣溶膠）的基本原理，采用加大外塔噴淋層噴淋量，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)pH值、用調(diào)整脫硫劑的方法控制系統(tǒng)pH值等方法有效防止氨逃逸。

2 煙氣脫硝裝置工藝選擇

燃料的生命周期包括燃燒之前、燃燒中和燃燒之后3個(gè)階段，燃燒排放的NOX有害氣體的有效控制方式就從這3個(gè)階段入手。目前就脫硝方面的研究成果來(lái)說(shuō)，燃燒之前相關(guān)研究幾乎沒(méi)有，所有的研究都是在燃料燃燒之中或者之后對(duì)NOX進(jìn)行控制。通常在國(guó)際上將對(duì)NOX在燃燒過(guò)程中所采用的一切控制手段統(tǒng)稱為一次措施，對(duì)NOX在燃燒之后所采用的一切控制手段統(tǒng)稱為二次措施，也可以稱為煙氣脫硝技術(shù)。當(dāng)前火電脫硝最常采用的處于燃燒過(guò)程中控制NOX技術(shù)就叫做低NOX燃燒技術(shù)，該技術(shù)具有低NOX燃燒器、空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒。

在火電廠使用在燃煤鍋爐上的比較流行、成熟的脫硝方法主要包括選擇性非催化還原技術(shù)（Selective Non-Catalytic Reduction，簡(jiǎn)稱SNCR），選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，簡(jiǎn)稱SCR）、以及上述兩種技術(shù)的混合煙氣脫硝技術(shù)。

2.1 SCR煙氣脫硝技術(shù)

最近這些年來(lái)選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)（SCR）在發(fā)達(dá)國(guó)家（例如日本和歐洲大多數(shù)國(guó)家等）得到很好的發(fā)展和應(yīng)用，其發(fā)展速度比較快。除此之外，被各個(gè)電廠采用最多的技術(shù)還有氨催化還原煙氣脫硝技術(shù)。

選擇性催化還原技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)原理相對(duì)較為繁瑣，在其反應(yīng)過(guò)程中最核心、最根本的反應(yīng)就是在特定的溫度以及催化劑影響下將NH3有選擇地把煙氣中的NOX還原為N2。

4NH3+4NO+O2 → 4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2 → 3N2+6H2O

這兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式中，其中主要的是第一個(gè)反應(yīng)4NH3+4NO+O2 → 4N2+6H2O，因?yàn)樵谏a(chǎn)排除的煙氣中基本所有的NOX都是以NO的形式存在的。如果生產(chǎn)過(guò)程不適用催化劑，這些化學(xué)反應(yīng)將只能在很小的溫度區(qū)間（980℃）進(jìn)行；如果選擇使用特定的催化劑，反應(yīng)溫度要求將大大降低，溫度要求大致應(yīng)該在300～430℃的范圍，這也是大多數(shù)電廠實(shí)際使用的溫度范圍。

SCR脫硝系統(tǒng)的工作原理是在未使用催化劑之前，對(duì)排出的煙氣中加入一定量的特定還原劑或者氨氣等，使用特定催化劑和煙氣進(jìn)行反應(yīng)，將其中的NOX反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)夂退Ｔ诖蠖鄶?shù)脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，使用無(wú)水的液氨或一定濃度的氨的水溶液，不管采用什么形式來(lái)使用氨，首先就是使氨的進(jìn)行蒸發(fā)，然后將蒸發(fā)的氨和稀釋空氣或煙氣進(jìn)行混合，最后利用噴氨格柵將其噴入SCR反應(yīng)器上游的煙氣中。

2.2 SNCR煙氣脫硝技術(shù)

催化劑的壽命長(zhǎng)短嚴(yán)重影響著選擇性還原去除煙氣中NOX的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本，顯然不用催化劑就能夠?qū)煔庵蠳OX進(jìn)行選擇性還原這樣一種方式會(huì)更加受人推崇，這種方式方法就是選擇性非催化還原技術(shù)。這種技術(shù)是在不使用催化劑的前提下，使用尿素以及NH3等還原劑噴入爐內(nèi)，使之能夠與爐中的NOX進(jìn)行選擇性的化學(xué)反應(yīng)，所以這種技術(shù)將必須在爐內(nèi)的高溫區(qū)中加入還原劑。在爐中850～1100℃的位置地帶加入還原劑，這種還原劑（通常采用的還原劑為尿素）將進(jìn)行快速分解生成NH3，生成的NH3將和爐內(nèi)煙氣中的NOX產(chǎn)生SNCR化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)最終生成N2，這種技術(shù)是采用爐膛作為化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器[3]。

通過(guò)理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不是催化劑的情況下，爐內(nèi)溫度區(qū)間為850～1100℃的這一狹小空間，還原劑（尿素）或者NH3等氨基還原劑將有選擇性地去還原去除煙氣中的NOX，一般情況下不會(huì)和煙氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)這種原理從而產(chǎn)生了SNCR煙氣脫硝技術(shù)法。

2.3 SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術(shù)

SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術(shù)將是SNCR煙氣脫硝技術(shù)和SCR煙氣脫硝技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短形成一種新的混合煙氣脫硝技術(shù)。這種技術(shù)的工作原理是：將SNCR技術(shù)中的還原劑加入技術(shù)和SCR使用采用逃逸氨產(chǎn)生催化反應(yīng)的方法有效統(tǒng)一起來(lái)，從而能夠?qū)煔庵蠳OX進(jìn)行還原去除。這種混合煙氣脫硝技術(shù)在20世紀(jì)70年代日本進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)被首次采用，試驗(yàn)環(huán)境是一座燃油裝置，該試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果證明了這種技術(shù)的可行性。從技術(shù)理論的角度來(lái)看，SNCR煙氣脫硝技術(shù)既去除煙氣中部分NOX還為SCR煙氣脫硝技術(shù)中催化方法提高其所需要的氨，并且可以提供氨的數(shù)量十分充足，可以有一個(gè)關(guān)鍵難題是必須要控制好氨的合理分布從而和煙氣中NOX的分布的改變進(jìn)行有效統(tǒng)一并匹配。為了解決這一個(gè)關(guān)鍵難題，SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術(shù)將提供一個(gè)具有輔助氨噴射功能的系統(tǒng)，并將其安裝在SCR反應(yīng)器中。實(shí)驗(yàn)表明該裝置可以有效改善SCR反應(yīng)器中氨的分布效果[4]。

2.4 低溫催化劑SCR煙氣脫硝技術(shù)

低溫催化劑SCR煙氣脫硝技術(shù)是基于常規(guī)催化劑SCR、SNCR、SNCR+SCR工藝的缺陷而研發(fā)的新技術(shù)。在煙氣溫度220C°左右工況下，可獲得較高的脫除氮氧化物的效果，最高可達(dá)95%以上。

由于下列原因，本文設(shè)計(jì)脫硝方案工程煙氣脫硝不考慮采用低溫催化劑SCR技術(shù)。

①根據(jù)國(guó)外的工程經(jīng)驗(yàn)，SNCR技術(shù)的脫硝效率在20～40%，其氮氧化物排放濃度在150～280mg/m3，不符合國(guó)家最新《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中標(biāo)準(zhǔn)低于50mg/m3的要求。

②與SCR技術(shù)相比，SNCR技術(shù)脫硝效率較低，即相對(duì)而言，氨的逃逸率較高，排入大氣中的煙氣的氨味較重，對(duì)環(huán)境影響較大。

③新建火電廠采用SNCR技術(shù)不符合國(guó)家環(huán)保部頒布的《燃煤電廠污染防治最佳可行技術(shù)指南（試行）》（HJ-BAT-001）、以及《火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》提出的主要技術(shù)原則與技術(shù)路線。

2014年9月12日，國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）的通知》（發(fā)改能源[2014]2093號(hào)），提出了超凈排放的要求。根據(jù)本設(shè)計(jì)方案煤質(zhì)資料和所處地理位置，以及為響應(yīng)環(huán)保要求，參照《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011），本設(shè)計(jì)方案將在大氣污染物排放濃度按重點(diǎn)區(qū)域執(zhí)行，即氮氧化物排放濃度小于50mg/m3。本設(shè)計(jì)方案脫硝效率不低于90%，故設(shè)計(jì)方案推薦采用選擇性低溫催化還原法（SCR）技術(shù)，該技術(shù)的脫硝效率在95%，是今年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家（日本、韓國(guó)等）研發(fā)的新技術(shù)產(chǎn)品，且在大型鍋爐上已有較成熟的運(yùn)行業(yè)績(jī)。

3 還原劑選擇

液氨、氨水和尿素是當(dāng)前各個(gè)火電廠最常使用的脫硝還原劑，這3種還原劑在脫銷方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，三者之間的比較如表1所示。

通過(guò)表1對(duì)這3種還原劑的比較，氨水供應(yīng)廠家較多，運(yùn)輸快鍵安全，使用方便，不屬于危險(xiǎn)物品范疇。液氨方案系統(tǒng)簡(jiǎn)單成熟、造價(jià)低，液氨屬于是容易對(duì)人體引起傷害的危險(xiǎn)品，在液氨的運(yùn)輸和實(shí)用過(guò)程中必須遵循相關(guān)的安全規(guī)范規(guī)程，具有相當(dāng)大的安全隱患。尿素?zé)峤庵瓢庇捎诓捎迷蠟槟蛩?，尿素不具有易燃易爆、有毒、具有重大危險(xiǎn)的特點(diǎn)，因此安全距離也大大降低，但由于尿素由氨合成，再耗能分解成氨，非常不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)還存在尿素儲(chǔ)存過(guò)程的板結(jié)、建設(shè)投資及運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題。所以，本設(shè)計(jì)方案的煙氣脫硝還原劑暫按氨水蒸發(fā)（或汽化）方案設(shè)計(jì)采用公路運(yùn)輸，煙氣脫硝采用氨水作為還原劑，所用氨水由當(dāng)?shù)鼗蚋浇少?gòu)，其品質(zhì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《氨水》（HG1-88-81）的要求。

4 脫硝工藝系統(tǒng)及設(shè)備

煙氣脫硝系統(tǒng)包括脫硝反應(yīng)系統(tǒng)（煙氣系統(tǒng)、催化劑、吹灰系統(tǒng)）和氨系統(tǒng)（吸收劑儲(chǔ)存、供應(yīng)系統(tǒng)、制備）。來(lái)自氨站區(qū)的氨氣與從稀釋風(fēng)機(jī)來(lái)的空氣先在氨/空氣混合器內(nèi)充分混合，然后混合氣體進(jìn)入氨注入柵格，并與鍋爐尾部煙氣充分混合，混合煙氣經(jīng)過(guò)整流后，進(jìn)入低溫SCR反應(yīng)器，在SCR反應(yīng)器內(nèi)氨與氮氧化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?/p>

4.1 煙氣系統(tǒng)

鍋爐省煤器出口煙氣進(jìn)入低溫SCR反應(yīng)器脫硝，經(jīng)過(guò)低溫SCR反應(yīng)器處理的煙氣進(jìn)入鍋爐空氣預(yù)熱器、除塵器、引風(fēng)機(jī)和FGD系統(tǒng)最后從煙囪排入大氣。煙道橫截面為矩形，設(shè)有非金屬膨脹節(jié)。脫硝系統(tǒng)自帶煙氣接口處的膨脹節(jié)以吸收鍋爐膨脹量，連接煙道的部分重量需另行新建鋼筋混凝土框架承受。

4.2 氨注射系統(tǒng)

制氨車間儲(chǔ)罐中的氨水送到蒸發(fā)器中蒸發(fā)產(chǎn)生氣態(tài)氨，氣態(tài)氨經(jīng)氨注射柵格注入低溫SCR反應(yīng)器入口前的煙道中。噴入反應(yīng)器煙道的氨氣為含5%左右氨氣的混合氣體。可滿足脫除煙氣中NOX最大值的要求，并留有一定的余量。氨注射柵格（AIG）—安裝于通向低溫SCR的煙道內(nèi)部帶有注射噴嘴的柵格，柵格噴入的氨流量與NOX濃度匹配。

4.3 低溫SCR反應(yīng)器

低溫SCR反應(yīng)器和附屬系統(tǒng)由氨注入格柵、氨/煙氣混合器、低溫SCR反應(yīng)器、催化劑、吹灰系統(tǒng)和煙道等組成。來(lái)自鍋爐省煤器出口的煙氣通過(guò)低溫SCR反應(yīng)器，低溫SCR反應(yīng)器包含催化劑層，在催化劑作用下，NH3與NOX反應(yīng)從而脫除NOX，催化劑促進(jìn)氨和NOX的反應(yīng)。在低溫SCR反應(yīng)器最上面有整流柵格，使流動(dòng)煙氣分布均勻[5]。催化劑裝在模塊組件中，便于搬運(yùn)、安裝和更換。低溫SCR反應(yīng)器催化劑層間安裝吹灰器用來(lái)吹除沉積在催化劑上的灰塵和SCR反應(yīng)副產(chǎn)物，以減少反應(yīng)器壓力降。

4.4 催化劑

催化劑的型式采用蜂窩式，共設(shè)四層空間，三層運(yùn)行、一層備用。根據(jù)鍋爐飛灰的特性合理選擇孔徑大小并設(shè)計(jì)有防堵灰措施，以確保催化劑不堵灰。在換加新的催化劑之前，催化劑的體積滿足性能保證中關(guān)于脫硝效率和氨的逃逸率等的要求。

4.5 吹灰系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)有蒸汽吹灰裝置，確保催化劑表面不被灰塵堵塞。本工程與煙氣脫硝相關(guān)的系統(tǒng)按照安裝低溫SCR后的工況條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在低溫SCR投運(yùn)后，提高鍋爐引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以克服增加的阻力；風(fēng)機(jī)負(fù)荷按照裝設(shè)SCR后的要求計(jì)算配置增壓風(fēng)機(jī)，以適應(yīng)增加的負(fù)壓。在鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間鍋爐兩側(cè)加裝低溫SCR裝置，基礎(chǔ)考慮SCR荷載。

5 還原劑儲(chǔ)存制備

氨水供應(yīng)、儲(chǔ)存、制備系統(tǒng)包括：氨水卸料泵、氨水儲(chǔ)罐、氨水蒸發(fā)器、氨穩(wěn)壓罐、氨稀釋罐、廢水泵、廢水池及氨氣泄漏檢測(cè)器、報(bào)警系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等。氨水由供貨廠家用專用氨水槽車運(yùn)送到電廠，利用氨水卸料泵將氨水由槽車輸入氨水儲(chǔ)罐內(nèi)，用氨水泵將儲(chǔ)槽中的氨水輸送到氨水蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為氨氣，經(jīng)氨氣穩(wěn)壓罐來(lái)控制一定的壓力及其流量，然后與稀釋空氣在混合器中混合均勻，再送至爐后脫硝反應(yīng)器前。氨氣系統(tǒng)緊急排放的氨氣則排入氨氣稀釋罐中，經(jīng)水的吸收排入廢水池，經(jīng)廢水泵送至電廠工業(yè)廢水處理系統(tǒng)處理，經(jīng)處理后回用。

6 結(jié)論

本文從脫硝方案設(shè)計(jì)原則、煙氣脫硝裝置工藝選擇、還原劑選擇、脫硝工藝系統(tǒng)及設(shè)備選擇以及還原劑儲(chǔ)存制備等方面深入討論了山西魯能河曲發(fā)電有限公司脫硝升級(jí)改造工程的方案設(shè)計(jì)，通過(guò)改造工程后的生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，改造效果顯著，NOX有所降低符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王雪嬌，郭家秀，尹華強(qiáng).我國(guó)火電廠煙氣脫硝技術(shù)綜述[A].2013火電廠污染物凈化與節(jié)能技術(shù)研討會(huì)[C]. 2013：288-293.

[2]李建國(guó)，陳鑫，楊金勝.內(nèi)蒙古大型火電廠脫硝技術(shù)的應(yīng)用[J].環(huán)境與發(fā)展，2014，11（23）：143-146.

[3]王鐘，王穎.火電廠煙氣脫硝技術(shù)探討[J].吉林電力，2015，（6）：101-106.

[4]陳梅倩，何伯述.氨法脫除煙氣中氣態(tài)污染物的應(yīng)用分析[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，27（4）：121-125.

[5]中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)脫硫脫硝委員會(huì).我國(guó)脫硫脫硝行業(yè)2013年發(fā)展綜述[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2014，（9）：4-15.

（作者單位：山西魯能河曲發(fā)電有限公司）