火電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)研究

郝哲晶

(大唐長(zhǎng)春第二熱電有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130031)

《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，火電廠二氧化硫、氮氧化物、粉塵排放濃度應(yīng)分別控制在35 mg/Nm3、50 mg/Nm3、5 mg/Nm3以內(nèi)，達(dá)到“超低排放”水平。目前多數(shù)火電廠使用“爐內(nèi)低氮燃燒器+尾部SCR煙氣脫硝”路線[1-2]，低氮燃燒器技術(shù)是控制氮氧化物的首選技術(shù)，確保機(jī)組能夠長(zhǎng)期安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，盡可能控制爐膛出口煙氣中的氮氧化物濃度，利用“空氣分級(jí)燃燒+低過(guò)量空氣燃燒”技術(shù)，通過(guò)調(diào)整燃燒器、爐內(nèi)一、二次風(fēng)配比和燃盡風(fēng)擺角等方法，確保爐膛出口氮氧化物濃度小于200 mg/Nm3。爐后采用SCR煙氣脫硝技術(shù)，煙氣通過(guò)高溫段受熱面，進(jìn)入布置氨氣噴氨系統(tǒng)的煙道中，與氨氣充分混合后，通過(guò)選擇性催化劑反應(yīng)器，與煙氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將氮氧化物去掉，煙道中布置相關(guān)導(dǎo)流板等措施，保證脫硝效率，實(shí)現(xiàn)氮氧化物的超低排放。

1 SCR煙氣脫硝技術(shù)

隨著《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，僅在鍋爐燃燒過(guò)程中采用低氮燃燒技術(shù)降低NOx濃度，已經(jīng)不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。需要采用燃燒后煙氣脫硝技術(shù)，其中應(yīng)用最成熟的技術(shù)就是SCR煙氣脫硝技術(shù)。

選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)是目前普遍采用的脫硝技術(shù),其主要原理是用氨氣作為還原劑與煙氣中的氮氧化物接觸發(fā)生反應(yīng)，以去除或減少煙氣中氮氧化物。用氨氣(NH3)做還原劑噴射到煙氣中，在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下通過(guò)催化劑層進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)方程式為

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

4NO+2NO2+4NH3→5N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

由于NH3選擇性與煙氣中的NO、NO2發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和H2O，這種脫硝技術(shù)稱為選擇性催化還原法。SCR煙氣脫硝裝置主要由氨氣噴射系統(tǒng)、氨氣供應(yīng)系統(tǒng)、SCR煙道系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、催化劑反應(yīng)器等組成。

2 氨氣噴射系統(tǒng)

氨氣噴射系統(tǒng)由混合氣聯(lián)箱、氨/空混合分支管道、噴氨格柵、空氣阻板等組成?；旌蠚饴?lián)箱與稀釋氨氣后的混合煙道連接，每個(gè)聯(lián)箱接引若干個(gè)氨/空混合分支管道，每個(gè)氨/空混合分支管道對(duì)應(yīng)若干個(gè)氨氣噴嘴，每個(gè)氨/空混合分支管道上安裝1臺(tái)空氣阻板。利用空氣阻板測(cè)出壓差，調(diào)整閥門的開(kāi)關(guān)位置，保證通過(guò)每個(gè)氨/空混合分支管道的氨氣流量均勻，并且需要定期對(duì)氨氣的流量進(jìn)行校核，確保脫硝效率穩(wěn)定。

3 氨氣供應(yīng)系統(tǒng)

3.1 氨氣流程

目前SCR煙氣脫硝系統(tǒng)所用還原劑氨氣的制備方式主要有2種。第1種是直接采用液氨，將液氨儲(chǔ)存在液氨罐中，經(jīng)過(guò)蒸汽加熱進(jìn)入緩沖罐內(nèi)，再送入氨/空混合氣，通過(guò)氨/空混合分支管道進(jìn)入煙道中的煙氣中，與煙氣中的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；另1種方式是尿素通過(guò)熱解或水解工藝產(chǎn)生氨氣，進(jìn)入煙道中與煙氣發(fā)生反應(yīng)。每臺(tái)鍋爐配備1臺(tái)水解器、2臺(tái)稀釋風(fēng)機(jī)，熱風(fēng)取自鍋爐熱風(fēng)道。在熱風(fēng)進(jìn)入稀釋風(fēng)機(jī)前，安裝除塵裝置，防止熱風(fēng)中的灰塵磨損稀釋風(fēng)機(jī)葉輪，堵塞氨/空混合分支管道，產(chǎn)生的氨氣進(jìn)入氨/空混合器中與熱風(fēng)混合，稀釋風(fēng)機(jī)的主要作用是將熱風(fēng)與氨氣的混合氣體送入氨噴射系統(tǒng)內(nèi)。

3.2 尿素?zé)峤夤に?/h3>

尿素?zé)峤夤に囍饕鞒蹋簩⒛蛩剡\(yùn)輸?shù)絻?chǔ)倉(cāng)中，由斗提機(jī)輸送到尿素溶解罐，用除鹽水將尿素溶解成40%～55%質(zhì)量濃度的尿素溶液，通過(guò)循環(huán)泵將尿素溶液輸送到儲(chǔ)存罐內(nèi)，尿素溶液再通過(guò)供液泵、計(jì)量裝置、尿素噴槍等噴入熱解爐內(nèi)，稀釋風(fēng)經(jīng)電加熱至500 ℃以上的熱風(fēng)進(jìn)入熱解爐內(nèi)，尿素經(jīng)噴槍霧化后在熱解爐內(nèi)分解，生成的熱解產(chǎn)物為NH3、H2O和CO2，尿素?zé)峤夂螽a(chǎn)生濃度不大于5%的氨氣，經(jīng)氨氣噴射系統(tǒng)送入煙道中[3]。

3.3 尿素水解工藝

尿素水解工藝主要流程：尿素溶液經(jīng)傳輸裝置進(jìn)入水解器內(nèi)，同時(shí)將除鹽水、尿素催化劑也送入水解器內(nèi)。利用在冷段再熱器出口聯(lián)箱處取得高溫高壓蒸汽送入水解器盤管內(nèi)，將水解器內(nèi)的尿素水解生成NH3、CO2。水解器內(nèi)需要的壓力不低于2.0 MPa，水解溫度不低于250 ℃，水解器出口的氨氣混合氣體溫度不低于200 ℃，防止尿素溶液結(jié)晶堵塞管道。

4 SCR煙道系統(tǒng)

根據(jù)SCR煙氣脫硝系統(tǒng)催化劑適用的溫度范圍，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)布置在H型省煤器與回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器之間，氨氣噴射系統(tǒng)(AIG)布置在催化劑反應(yīng)器之前。機(jī)組在額定工況下，該區(qū)域的煙氣溫度范圍可以達(dá)到320～420 ℃，符合催化劑的使用范圍，其主要原因是進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣溫度達(dá)到這個(gè)范圍內(nèi)，多數(shù)催化劑在這個(gè)溫度范圍內(nèi)有足夠的活性。溫度高于420 ℃極易燒損催化劑，溫度低于320 ℃氨氣生產(chǎn)的堿性物質(zhì)極容易腐蝕催化劑。該區(qū)域的煙氣沒(méi)有經(jīng)過(guò)除塵裝置，煙氣中的飛灰含量較多，使催化劑的飛灰磨損十分嚴(yán)重，容易造成催化劑單體堵塞，并且飛灰中含有大量Na、K、Ca、Si、As等元素，導(dǎo)致催化劑容易中毒，減少催化劑的使用年限。

5 吹灰系統(tǒng)

5.1 吹灰裝置

為了減少煙氣中飛灰對(duì)催化劑的損害，每一層催化劑層布置4臺(tái)聲波吹灰器和2臺(tái)蒸汽吹灰器，定期對(duì)催化劑進(jìn)行吹掃，防止催化劑積灰。聲波吹灰器的氣源取自本爐的壓縮空氣，壓縮空氣母管上安裝儲(chǔ)氣罐、濾油濾水等裝置，將壓縮空氣中的油、水、雜質(zhì)除掉，確保聲波吹灰器正常投入運(yùn)行。蒸汽吹灰器的蒸汽汽源取自本爐出口聯(lián)箱，母管上安裝疏水閥，在投入蒸汽吹灰器前，先將蒸汽中的水、管道中的雜質(zhì)排干凈，先保證蒸汽的品質(zhì)，再投入蒸汽吹灰器。

5.2 聲波吹灰器

聲波吹灰器是以壓縮空氣為氣源，通過(guò)自動(dòng)設(shè)定程序?qū)﹄姶砰y進(jìn)行控制，當(dāng)閥門開(kāi)啟時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入發(fā)生器，使膜片依靠自身的彈性和聲能轉(zhuǎn)換器造成前、后腔內(nèi)壓力的交叉變換，產(chǎn)生低頻率高強(qiáng)度的聲波，低頻率高強(qiáng)度聲波通過(guò)喇叭的聲阻抗匹配輸送至煙道出口處，形成聲場(chǎng)，可降低飛灰顆粒之間、粉塵與煙道壁之間的粘結(jié)力，使飛灰顆粒處于松散狀態(tài)，脫離催化劑表面，隨煙氣被引風(fēng)機(jī)吸走，從而達(dá)到清理催化劑表面積灰的目的。

5.3 蒸汽吹灰器

蒸汽吹灰器是以高溫蒸汽作為介質(zhì)，蒸汽進(jìn)入蒸汽母管中，當(dāng)達(dá)到300 ℃以上時(shí)，開(kāi)啟蒸汽吹灰器的電磁閥，蒸汽通過(guò)伸縮旋轉(zhuǎn)的吹灰槍管端部的噴嘴進(jìn)入催化劑層，噴出的蒸汽持續(xù)沖擊、清洗催化劑，從而達(dá)到積灰清理的作用。

6 催化劑反應(yīng)器

每臺(tái)鍋爐各配備1臺(tái)脫硝反應(yīng)器，催化劑為“2+1”層布置，隨著“超低改造”要求，大多數(shù)電廠將預(yù)留層已安裝催化劑，煙道的彎頭處布置導(dǎo)流板，并且在煙道內(nèi)部鑲嵌陶瓷防止氨氣腐蝕。催化劑的類型分為蜂窩狀、樣板狀、波紋板狀等，其中反應(yīng)溫度、催化劑量、氨氣的投入量等對(duì)催化劑性能的影響較大。催化劑的成分分類為金屬基催化劑含有氧化礬(V2O5)、氧化鈦(TiO2)等，其中氧化礬的性能較好[4]。催化劑的選用應(yīng)具備高活性、壽命長(zhǎng)、抗磨損、防堵塞、結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。目前多數(shù)電廠使用蜂窩式氧化礬成分的催化劑。

7 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的噴氨需求量是根據(jù)煙氣流量、反應(yīng)器進(jìn)出口NOx與O2濃度、脫硝效率及氨逃逸濃度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。為此，需要在SCR反應(yīng)器入口煙道布置流量測(cè)量?jī)x、NO與O2濃度測(cè)量?jī)x，出口布置NO、O2與NH3測(cè)量?jī)x。在每層催化劑上方安裝可遠(yuǎn)傳的煙氣溫度和壓力監(jiān)測(cè)裝置，SCR進(jìn)出口設(shè)置一套煙氣在線監(jiān)測(cè)裝置(CEMS)，合理設(shè)置采樣位置，同步設(shè)置CEMS上位機(jī)，選用儀器的技術(shù)指標(biāo)和性能應(yīng)符合《火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T-75—2001)要求。與上述監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置對(duì)應(yīng)，還需在反應(yīng)器的噴氨格柵前、反應(yīng)器入口、各層催化劑出口、反應(yīng)器出口等位置安裝較多的煙氣取樣孔，用于監(jiān)測(cè)煙氣中的氨含量并監(jiān)視氨逃逸情況。

8 結(jié)束語(yǔ)

目前SCR煙氣脫硝技術(shù)在電廠中應(yīng)用比較廣泛，本文主要敘述SCR煙氣脫硝技術(shù)的推廣背景以及我國(guó)對(duì)大氣污染控制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且介紹了SCR煙氣脫硝技術(shù)原理和SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的布置位置、工藝流程、氨氣制備方法、催化劑形式、運(yùn)行期間在線監(jiān)測(cè)裝置等，以供借鑒。