135MW燃煤機(jī)組深度脫硝改造技術(shù)方案探討

摘要：本文根據(jù)某135MW燃煤機(jī)組氮氧化物排放情況，提出了SCR脫硝工藝方案、臭氧脫硝工藝、低溫等離子體脫硝工藝方案。從治理工藝、治理效果、經(jīng)濟(jì)性等多方面討論了三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，得出低溫等離子體脫硝工藝是較為經(jīng)濟(jì)有效的可行性工藝方案。

關(guān)鍵詞：SCR;臭氧;低溫等離子體;工藝方案

中圖分類(lèi)號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）11-00-03

Abstract： According to the NOx emission of a 135MW coal-fired unit， the SCR denitrification process， ozone denitrification process and low-temperature plasma denitrification process are proposed in this paper. The advantages and disadvantages of the three schemes are discussed from the aspects of treatment technology， treatment effect and economy.

Keywords： SCR;Ozone; Low temperature plasma; Processing plan

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局《關(guān)于印發(fā)<全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案>的通知》（環(huán)發(fā)〔2015〕164號(hào)），到2020年，全國(guó)所有具備改造條件的燃煤電廠力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)超低排放（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m?）。某135MW機(jī)組目前氮氧化物治理采用SNCR工藝，在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙囪排放出口氮氧化物最高達(dá)70 mg/m?，不滿(mǎn)足超低排放要求。本文根據(jù)電廠實(shí)際情況，提出氮氧化物治理的工藝方案，并通過(guò)方案比較和優(yōu)化，確定最終的處理工藝。

1 設(shè)計(jì)條件

該鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。單爐架、一次再熱、平衡通風(fēng)、單露天島式布置，全鋼構(gòu)架、懸吊結(jié)構(gòu)汽包、固定排渣方式。鍋爐主要由爐膛、高溫絕熱分離器、自平衡“U”形回料閥、尾部對(duì)流煙道和冷渣器組成。

現(xiàn)有SNCR系統(tǒng)包含尿素儲(chǔ)存系統(tǒng)、尿素溶液制備系統(tǒng)、稀釋水系統(tǒng)、計(jì)量混合系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)。

目前，在脫硝裝置的氨逃逸率小于7.6 mg/Nm3條件下，煙囪排放出口氮氧化物最高可達(dá)70 mg/m?（標(biāo)況、干基、6%氧）。煙氣參數(shù)如表1所示：

2 脫硝改造技術(shù)方案

根據(jù)以上煙氣設(shè)計(jì)條件及現(xiàn)場(chǎng)情況，提出如下三個(gè)技術(shù)方案。

2.1 方案一：選擇性催化還原煙氣脫硝（SCR）

SCR 技術(shù)通常采用V2O5/TiO2基催化劑來(lái)促進(jìn)脫硝還原反應(yīng)。脫硝催化劑使用高比表面積專(zhuān)用銳鈦型TiO2作為載體，V2O5作為主要活性成分，為了提高脫硝催化劑的熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和抗中毒性能，往往還其中添加適量的WO3、MoO3、玻璃纖維等作為助添加劑。

由于本臺(tái)機(jī)組已經(jīng)設(shè)置了SNCR脫硝裝置，為了進(jìn)一步降低NOx排放，可以在尾部設(shè)置煙道型SCR提高脫硝效率。

為保證鍋爐脫硝穩(wěn)定性，在鍋爐尾部增加一層SCR催化劑，具體位置為省煤器高溫段和低溫段之間的空余位置。

由于尾部省煤器入口至預(yù)熱器入口約有10m煙道空間，目前此空間內(nèi)采用光管省煤器，因此沒(méi)有空間布置煙道型SCR。

通過(guò)省煤器改造即將光管省煤器改為H型省煤器，并將省煤器分級(jí)布置。根據(jù)本機(jī)組的情況改造后可預(yù)留出1層催化劑的布置空間，詳見(jiàn)圖1省煤器改造圖。

2.1.1 反應(yīng)器

鍋爐設(shè)置一個(gè)反應(yīng)器，反應(yīng)器截面尺寸為5.8（寬）×12.13（長(zhǎng)）m。

脫硝反應(yīng)器設(shè)置在一級(jí)過(guò)熱器與低再熱器之間，本次改造需省煤器整體下移，為SCR脫硝系統(tǒng)預(yù)留3m的空間，以滿(mǎn)足SCR脫硝系統(tǒng)的安裝需要。

脫硝反應(yīng)器將設(shè)置足夠大小和數(shù)量的人孔門(mén)。

脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)還將考慮內(nèi)部催化劑維修及更換所必須的起吊裝置和導(dǎo)軌。

2.1.2 催化劑

選擇催化劑型式為蜂窩式（20孔）。催化劑體積約60m3。

催化劑模塊必須設(shè)計(jì)有效防止煙氣短路的密封系統(tǒng)，密封裝置的壽命不低于催化劑的壽命。

催化劑將采用模塊化設(shè)計(jì)以減少更換催化劑的時(shí)間。

催化劑模塊將采用鋼結(jié)構(gòu)框架，并便于運(yùn)輸、安裝、起吊。

SCR反應(yīng)器內(nèi)催化劑將能承受運(yùn)行溫度420℃（每次不低于5h，一年不超過(guò)三次）的考驗(yàn)，而不產(chǎn)生任何損壞。

催化劑化學(xué)壽命為24000h，化學(xué)壽命期內(nèi)，并可再生利用。脫硝煙道內(nèi)催化劑總使用壽命10年（按年運(yùn)行小時(shí)數(shù)大于8500h計(jì)）。還應(yīng)有防止催化劑中毒和碎裂的措施。

2.1.3 吹灰系統(tǒng)

催化劑采用聲波吹灰。

吹灰器的數(shù)量和布置能將催化劑中的積灰盡可能多地吹掃干凈，并應(yīng)盡可能避免因死角而造成催化劑失效導(dǎo)致脫硝效率的下降。

在反應(yīng)器5.8m寬邊上，每邊各設(shè)置2臺(tái)聲波吹灰器，共設(shè)置4臺(tái)聲波吹灰器。

2.1.4 還原劑供應(yīng)

還原劑供應(yīng)系統(tǒng)利用SNCR系統(tǒng)的氨逃逸，進(jìn)行SCR脫硝。

2.2 方案二：臭氧脫硝

從鍋爐出口的煙氣進(jìn)入電除塵器，煙氣中的99.9%以上的煙塵被去除，出來(lái)的煙氣匯合之后進(jìn)入臭氧混合反應(yīng)裝置，在混合反應(yīng)裝置內(nèi)注入臭氧，使臭氧與煙氣充分混合，將煙氣中不溶于水的NO氧化成易溶于水的高價(jià)態(tài)氮氧化物，包括NO2，N2O3，N2O5等，并利用引風(fēng)機(jī)進(jìn)行旋流攪拌，極短的時(shí)間內(nèi)完成反應(yīng)。

將煙氣中殘余的NO氧化成易溶于水的高價(jià)態(tài)氮氧化物。然后煙氣進(jìn)入吸收塔，噴淋堿性溶液將煙氣中的SO2和被氧化的NOx同時(shí)吸收，然后達(dá)標(biāo)煙氣通過(guò)原有煙囪排放。

主要的反應(yīng)如下：NO+O3→NO2+O2

2NO2+O3→N2O5+O2 N2O5+H2O2→2HNO3

在鍋爐電除塵器出口設(shè)置臭氧注入系統(tǒng)，單臺(tái)鍋爐配套建設(shè)一套臭氧脫硝系統(tǒng)，在經(jīng)過(guò)半干法脫硫后，氮氧化物由70mg/Nm3，降低至50mg/Nm3以下。

布置：臭氧發(fā)生器，新建脫硝車(chē)間，布置在擴(kuò)建端。

脫硝車(chē)間一層布置離心風(fēng)機(jī)，空氣分離器，二層布置臭氧發(fā)生器。

輸送管道地上布置。

電源：380V±5%、50Hz。

壓縮空氣：用于設(shè)備閥門(mén)操作，要求壓力0.4-0.64MPa。

供水：工藝水：0.3～0.4MPa，60t/h。工藝水主要用作臭氧發(fā)生器冷卻循環(huán)用，冷卻水回收到脫硫或者電廠循環(huán)水。

具體配備形式為：鍋爐配備一臺(tái)30kg/h的臭氧發(fā)生器，額外備用一臺(tái)，共計(jì)2臺(tái)（考慮鍋爐煙氣溫度及其他因數(shù)留有必要的裕量），氧氣及臭氧供應(yīng)管道采用分段母管制方式供氣。

離心風(fēng)機(jī)? ? ?2臺(tái)

空分設(shè)備? ? ?2套

臭氧發(fā)生器 2臺(tái)

冷卻水系統(tǒng) 2 套

臭氧注入系統(tǒng) 1套

稀釋風(fēng)機(jī)? ? ?2臺(tái)

2.3 方案三：低溫等離子體脫硝

由等離子體電源及介質(zhì)阻擋框架組成的低溫等離子體反應(yīng)器，電能通過(guò)阻擋介質(zhì)表面的放電極輸入到煙氣中，產(chǎn)生低溫等離子體，煙氣中的H2O、O2等物質(zhì)被激發(fā)活化產(chǎn)生O·、OH·、O2H·、H·等具有強(qiáng)氧化性自由基物質(zhì)，可將原煙氣中的NO氧化成高價(jià)態(tài)的氮氧化物（如NO2、N2O3、N2O4、N2O5等），與脫硫系統(tǒng)內(nèi)的鈣基堿性物質(zhì)等反應(yīng)而被去除，從而實(shí)現(xiàn)深度脫硝目的。，如下圖3。自由基脫硝可以分為兩個(gè)階段，NO 氧化和 NO2 轉(zhuǎn)化。自發(fā)化學(xué)反應(yīng)通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)脫除 NO2。

使用等離子后，可促進(jìn)煙氣中的NO氧化成等高價(jià)態(tài)氮氧化物（如NO2、N2O5等）。等離子氧化后的煙氣進(jìn)入干式脫硫系統(tǒng)，其中高價(jià)態(tài)氮氧化物與堿性物質(zhì)反應(yīng)生成硝酸鹽，特別是脫硫系統(tǒng)有足夠游離氧時(shí)最終生成的是高溶解度的硝酸鹽，反應(yīng)式如下：

低溫等離子體氧化NO并與脫硫協(xié)同脫硝的流程示意見(jiàn)圖4。在脫硫入口前的直煙道中加設(shè)等離子反應(yīng)器（DNTP），可水平或豎向布置。低溫等離子體反應(yīng)器配5臺(tái)100KVA的等離子電源。等離子體反應(yīng)器內(nèi)設(shè)人孔及檢具備通道，反應(yīng)器頂部設(shè)平臺(tái)布置等離子電源，平臺(tái)設(shè)雨棚，用于檢查、維護(hù)。

3 脫硝改造技術(shù)方案比較

3.1 技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

方案一（SCR工藝），需要對(duì)鍋爐部分進(jìn)行改造，改造難度大，且需要進(jìn)行大量的改造工作。整個(gè)工程工期在6個(gè)月左右。鍋爐內(nèi)部煙塵未經(jīng)過(guò)電除塵系統(tǒng)，煙氣含塵量較大，對(duì)SCR脫硝催化劑損害大。且改造后鍋爐運(yùn)行是否受影響仍存在疑問(wèn)。

方案二（臭氧脫硝），臭氧脫硝工藝耗電量極大。液氧儲(chǔ)存區(qū)乃重大危險(xiǎn)源且有二次污染風(fēng)險(xiǎn)、微細(xì)塵升高的問(wèn)題。

方案三（低溫等離子體脫硝），低溫等離子體脫硝提效改造，技術(shù)上可以滿(mǎn)足超低排放要求，且改造難度小，工期短。整個(gè)工程工期可以保證在1一個(gè)月之內(nèi)。

因此，低溫等離子體脫硝的技術(shù)路線(xiàn)優(yōu)勢(shì)明顯。

3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?單位：萬(wàn)元

項(xiàng)目 方案一 SCR 方案二 臭氧 方案三 低溫等離子體脫硝

1 基建投資 820 500 450

1.1 建筑工程費(fèi) 110 50 0

1.2 設(shè)備購(gòu)置費(fèi) 580 420 425

1.3 安裝工程費(fèi) 130 30 25

2 運(yùn)行費(fèi)用 180 384 162

根據(jù)以上三種方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比來(lái)看，方案三（低溫等離子脫硝）的基建投資和運(yùn)行費(fèi)用均低于另外兩種方案。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三種工藝方案的比較，在平穩(wěn)、安全運(yùn)行的前提下，目前采用方案三（低溫等離子體脫硝）是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。

該方法的優(yōu)點(diǎn)有：

工期短：安裝方便、布置靈活;

無(wú)污染：無(wú)需消耗任何氧化劑與還原劑;

成本低：與其他脫硝方法相比具有明顯的成本優(yōu)勢(shì);

安全可靠：后期設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠;

另外，很多有SCR的電廠目前存在氨逃逸超標(biāo)問(wèn)題，噴氨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)量，從而導(dǎo)致空預(yù)器堵塞等一系列問(wèn)題。也可用低溫等離子脫硝技術(shù)來(lái)徹底解決氨逃逸帶來(lái)的空預(yù)器堵塞等問(wèn)題。在當(dāng)前對(duì)燃煤電廠排放嚴(yán)格控制的環(huán)境保護(hù)政策下。低溫等離子體脫硝所帶來(lái)的環(huán)保效益要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他工藝。

因此，根據(jù)該燃煤機(jī)組的煙氣條件，經(jīng)過(guò)各方面的因素的綜合比較，方案三（低溫等離子體脫硝）是一種比較經(jīng)濟(jì)可行的改造方案。

參考文獻(xiàn)

[1]K.Yan ， R. Li， T. Zhu， H. Zhang， X. Hub， X. Jiang， H.Liang， R.Qiu， Y.Wan“A semi-wet technological process for flue gas desulfurization by corona discharges at an industrial scale”，Chemical Engineering Journal，116 （2006） 139–147.

[2]余剛，姜效勤，翟曉東，顧璠.低溫等離子體-催化協(xié)同脫硝技術(shù)中若干問(wèn)題探討[J].能源研究與利用，2004（1）：3-6.

[3]鄒斯詣.選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題及對(duì)策[J].節(jié)能技術(shù)，2009（06）：510-512.

[4]李超，于麗新，韓鐘國(guó)，劉建民，呂晶，李雨朋.200MW燃煤機(jī)組SCR脫硝改造關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題解析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012 （S2）：298-301+304.

[5]錢(qián)冉冉，溫卿云，楊西茜，何永勝.燃煤鍋爐省煤器分級(jí)改造實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷SCR脫硝的案例分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2016（10）：24+26.

[6]王智化，周俊虎，魏林生，溫正城，岑可法.用臭氧氧化技術(shù)同時(shí)脫除鍋爐煙氣中NOx及SO2的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007（11）：1-5.

[7]趙衛(wèi)星，肖艷云，林親鐵，岳建雄，廖新娜.煙氣脫硝技術(shù)研究進(jìn)展[J].廣東化工，2007（05）：59-61.

收稿日期：2019-08-29

作者簡(jiǎn)介：郭威（1991-），男，本科學(xué)士，研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂萍夹g(shù)。