燃煤煙氣脫硫脫硝非標(biāo)設(shè)備的工程設(shè)計

吳海亮/上海泰欣環(huán)境工程股份有限公司

燃煤煙氣脫硫脫硝非標(biāo)設(shè)備的工程設(shè)計

吳海亮/上海泰欣環(huán)境工程股份有限公司

燃煤煙氣脫硫脫硝非標(biāo)設(shè)備的工程設(shè)計中，本文首先分析目前主要大氣污染源SO和NOX的危害，進(jìn)一步探討大氣污染物控制技術(shù)現(xiàn)狀，最后研究燃煤煙氣脫硫脫硝非標(biāo)設(shè)備的工程設(shè)計，從在脫硫吸收塔的設(shè)計、SCR脫硝反應(yīng)器等方面展開，應(yīng)根據(jù)其各自不同的特點做特殊考慮，并提出需要解決的問題。希望本文能起到拋磚引玉的作用。

燃煤煙氣脫硫脫硝；非標(biāo)設(shè)備；工程設(shè)計；

引言

化石燃料開采利用量的不斷增加，造成有害物質(zhì)的排放越來越嚴(yán)重，其中SO2和NOx污染不斷加劇，使局部地區(qū)出現(xiàn)了酸雨、光化學(xué)煙霧等大氣污染。SO2和NOx排放主要來自于煤炭的直接燃燒，成為主要的大氣污染源之一。為減少燃煤煙氣中的SO2和NOx排放，必須對燃煤煙氣進(jìn)行脫硫脫硝處理，燃煤煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)中非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計與常規(guī)的化工機(jī)械設(shè)備相比，具有自身特有的結(jié)構(gòu)型式，在脫硫吸收塔和SCR脫硝反應(yīng)器等方面，需要在相應(yīng)的工程設(shè)計中做特殊的考慮。

一、目前主要大氣污染源SO和NOX的危害分析

目前，煤炭等化石燃料的應(yīng)用形式仍然是以直接燃燒為主，然而其在燃燒過程中由于高溫反應(yīng)會使化石燃料在氧化反應(yīng)下生成SO2，這種化學(xué)物會對環(huán)境造成相當(dāng)嚴(yán)重的污染，它排放到高空以后形成酸雨，降落到地面以后不僅侵蝕建筑物，還會對植物、動物、人類造成危害，污染環(huán)境。同時對于人體的危害極大，二氧化硫通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體的呼吸器官以及人體內(nèi)部，同人體的體液融合形成亞硫酸溶液或者硫酸溶液，對人體造成刺激和侵蝕，從而威脅到人體的健康。SO2進(jìn)入到人體內(nèi)部以后會和血液融合產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，對于人體的臟腑器官產(chǎn)生危害，破壞人體的免疫系統(tǒng)。化石燃料在燃燒時也會產(chǎn)生NOX，當(dāng)NOX被排放到空氣中時與氧氣、水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成酸雨，對于環(huán)境造成更大的污染。

二、大氣污染物控制技術(shù)現(xiàn)狀

1.煙氣脫硫技術(shù)。

（1）石灰石－石膏濕法脫硫

石灰石－石膏濕法脫硫工藝采用Ca(OH)2或CaCO3粉末的料漿來除去SO2，該方法脫硫效率高、穩(wěn)定性好、投資較低，因此是所有脫硫方法中應(yīng)用最廣泛的，該方法占火電行業(yè)現(xiàn)役脫硫機(jī)組的90%以上。在石灰石－石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中，堿性吸收劑漿液與煙氣在噴淋塔中相遇，煙氣中SO2溶解在水中形成一種稀酸溶液，然后與漿液中的Ca(OH)2或CaCO3發(fā)生中和反應(yīng)生成亞硫酸鈣，經(jīng)強(qiáng)制氧化成為脫硫副產(chǎn)品石膏。石灰石－石膏濕法脫硫效率比較高，一般可達(dá)到95%以上，最高可達(dá)99%，基本可保證排放煙氣中SO2濃度滿足GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

（2）氨法脫硫

氨法脫硫是用氨水作為吸收劑與煙氣中SO2進(jìn)行反應(yīng)以凈化煙氣中SO2的濕法煙氣脫硫技術(shù)，該工藝的優(yōu)點是脫硫效率高(脫硫效率為95%～99%)、能耗低、反應(yīng)速率快、吸收劑利用率高。從實際運行效果看，副產(chǎn)品可作為農(nóng)用肥料。氨法脫硫是較適宜中國國情的一項煙氣脫硫技術(shù)，但其凈化氣中可能會殘留NH3，容易造成二次污染。另外，由于氨法脫硫副產(chǎn)品硫酸銨的價格受市場波動影響較大，同時硫酸銨作為肥料其價格受季節(jié)影響也較大，因此其運行費用也會受到影響而產(chǎn)生波動。

（3）其他脫硫技術(shù)

半干法脫硫技術(shù)主要是以鈣基脫硫劑在反應(yīng)器內(nèi)大量循環(huán)，并采用高CaS來達(dá)到一定的脫硫效率，半干法的脫硫效率一般很難達(dá)到95%。隨著煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，半干法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)愈來愈難，目前半干法脫硫技術(shù)應(yīng)用范圍較小。海水脫硫技術(shù)應(yīng)用受到了區(qū)域的限制，只有在臨近海邊有合適條件才可應(yīng)用，目前海水脫硫技術(shù)基本屬于非主流技術(shù)。

2.煙氣脫硝技術(shù)。

（1）低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)是通過改變?nèi)紵龡l件來降低NOx的排放量。低氮燃燒技術(shù)主要包括:低NOx燃燒器技術(shù)、空氣分級燃燒技術(shù)、燃料分級燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)和循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)，低氮燃燒技術(shù)的脫硝效率僅為25%～40%。低氮燃燒技術(shù)均是通過改變鍋爐原有的燃燒條件和燃燒方式，來降低空氣比，改變空氣混合方式，控制燃燒溫度，進(jìn)而降低NOx的生成率。低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用造成爐膛內(nèi)的含氧量降低，提高了燃料的不完全燃燒比例，同時增加了爐壁腐蝕和結(jié)渣的風(fēng)險。低氮燃燒技術(shù)通過控制爐內(nèi)的溫度而控制NOx的生成，因而鍋爐的熱效率會有相應(yīng)的損失(能耗約0.5g(kW·h))。

（2）SNCR脫硝技術(shù)

SNCR脫硝技術(shù)是在800～1100℃內(nèi)，NOx與還原劑尿素或氨類化合物發(fā)生反應(yīng)生成N2，從而減少NOx的排放量。在高溫的環(huán)境中使得反應(yīng)迅速達(dá)到所需的較高活化能，避免了催化劑的使用。SNCR脫硝技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、投資少、阻力小、系統(tǒng)占地面積小等優(yōu)點，但其脫硝效率較低。SNCR脫硝效率一般被限制在20%～40%，如再進(jìn)一步增加脫硝效率，氨逃逸率會大幅度提高，對下游設(shè)備造成影響，并可能造成二次污染。

（3）SCR脫硝技術(shù)

SCR脫硝技術(shù)是指在催化劑的作用下，煙氣中的NOx有選擇性地與氨發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成無污染的N2和H2O。SCR脫硝技術(shù)是在煙氣溫度300～400℃的鍋爐尾部反應(yīng)器內(nèi)完成，脫硝效率可達(dá)90%以上，在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，特別是火電行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，2016年全行業(yè)火電SCR脫硝機(jī)組容量達(dá)3.4×108kW，約占現(xiàn)役機(jī)組容量的97.18%。SCR脫硝技術(shù)具有初投資和運行費用較高、占地面積較大、催化劑需要更換且易中毒等缺點。

三、燃煤煙氣脫硫脫硝非標(biāo)設(shè)備的工程設(shè)計

通過上述探討大氣污染物控制技術(shù)現(xiàn)狀，下面筆者研究燃煤煙氣脫硫脫硝非標(biāo)設(shè)備的工程設(shè)計：

1.脫硫吸收塔。

目前燃煤煙氣脫硫的主導(dǎo)技術(shù)是濕法煙氣脫硫，即WFGD系統(tǒng)。脫硫吸收塔是該系統(tǒng)的核心設(shè)備，作用是使煙氣中的二氧化硫與塔內(nèi)各噴淋層噴淋的石灰漿液發(fā)生氣液反應(yīng)，以脫除煙氣中的硫。部分老裝置在改造過程中受空間限制，需脫硫、濕電除塵和煙囪三者一體化。其中濕電除塵裝置自重較大并設(shè)置在吸收塔之上，給脫硫吸收塔本體施加一高質(zhì)點的載荷，需要考慮脫硫塔的穩(wěn)定性問題。該類脫硫吸收塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計目前還沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，缺乏比較清晰的理論分析和指導(dǎo)規(guī)范。根據(jù)國外的引進(jìn)技術(shù)（如美國的B&W公司），整個塔體自下而上依次分段采用不同的壁厚，塔體底部至矩形開孔段由于受力情況復(fù)雜采用比較大的壁厚值，向上依次減少壁厚值。這樣的壁厚布置，雖然在強(qiáng)度上能滿足要求，但是實際工程中并未達(dá)到很好的經(jīng)濟(jì)性能。部分研究發(fā)現(xiàn)，在正常工況下，除了矩形開孔部位有比較大的應(yīng)力外，其他區(qū)域應(yīng)力都不太大，可采用局部加結(jié)構(gòu)型鋼的方式減小局部應(yīng)力，整個塔體存在較大優(yōu)化空間。

2.SCR脫硝反應(yīng)器。

SCR脫硝反應(yīng)器是完成脫硝化學(xué)反應(yīng)、提供氮氧化物降解的裝置，是脫硝系統(tǒng)中最核心的設(shè)備。催化劑以單元模塊形式疊放在若干層托架上，需要大型鋼結(jié)構(gòu)支撐，這些鋼結(jié)構(gòu)體型龐大，長期工作在高溫狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)設(shè)備不同，還沒有一種精確的設(shè)計方法。SCR脫硝反應(yīng)器為矩形截面平板薄壁鋼殼結(jié)構(gòu)，為提高SCR脫硝反應(yīng)器的機(jī)械承載能力，反應(yīng)器采用梁柱—蒙皮、外加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。所有機(jī)械載荷由梁柱結(jié)構(gòu)承受，蒙皮不承受機(jī)械載荷，可保證SCR脫硝反應(yīng)器安全穩(wěn)定長周期運轉(zhuǎn)。SCR脫硝反應(yīng)器能承受長期載荷和短期載荷。SCR脫硝反應(yīng)器的設(shè)計溫度較高，針對高溫?zé)嵝?yīng)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計，外部加強(qiáng)筋的布置及規(guī)格，既要滿足強(qiáng)度、剛度和振動要求，又要經(jīng)濟(jì)合理。為保證煙氣進(jìn)入反應(yīng)器時分布均勻，反應(yīng)器進(jìn)口設(shè)置導(dǎo)流板和整流格柵，導(dǎo)流板、整流格柵的型式及分布對煙氣流形影響較大，除需要工程經(jīng)驗外，還需要流場模擬的配合。

四、結(jié)語

綜上可知，（1）脫硫脫硝主設(shè)備的設(shè)計方法尚沒有一個確切的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如脫硫吸收塔的穩(wěn)定性分析以及局部應(yīng)力的分析，SCR脫硝反應(yīng)器的支撐梁柱的布置及大小的強(qiáng)度和剛度分析，煙道加固肋的布置及規(guī)格確定，現(xiàn)階段的設(shè)計相對不完善，仍然依賴國外公司的技術(shù)成果。（2）脫硫脫硝的非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計與設(shè)備布置、內(nèi)件布置以及工藝要求有密切的關(guān)系，如煙道的強(qiáng)度、剛度、振動和流場分析，脫硫吸收塔的開孔及內(nèi)件布置，SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)出口導(dǎo)流板及催化劑的布置，需要多個專業(yè)協(xié)作完成。

[1]陳進(jìn)生.火電廠煙氣脫硝技術(shù)— —選擇性催化還原法[M].2015.

[2]張強(qiáng).燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].2014.