燃?xì)怆娬緹煔饷撓醺脑旆桨讣耙c(diǎn)分析

楊衛(wèi)國　馬飛龍　席亞賓　李洪濤　紀(jì)運(yùn)廣

摘要：燃?xì)怆娬咀鳛镹Ox排放污染源之一，對(duì)其進(jìn)行低NOx排放技術(shù)改造是有必要。針本文以某燃?xì)怆娬镜母脑煸O(shè)計(jì)方案為例，就工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟和方法進(jìn)行了介紹，并指出了設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。以期為今后的脫硝改造工程提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)和技術(shù)支持。

Abstract： As one of the sources of NOx emission pollution， gas-fired power plants are necessary to carry out low NOx emission technical transformation. This article takes the transformation design plan of a gas-fired power plant as an example， introduces the steps and methods of process design and system design， and points out the key issues in the design， with a view to providing design guidance and technical support for future denitrification renovation projects.

關(guān)鍵詞：燃?xì)怆娬?煙氣;NOx;改造方案

Key words： gas-fired power plant;flue gas;NOx;transformation plan

中圖分類號(hào)：X773? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）14-0163-03

0? 引言

NOx是形成霧霾的主要因素，火電廠等重點(diǎn)行業(yè)的NOx排放狀況越來越重視。我國于2011年制定了關(guān)于火電廠煙氣排放的標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB 13223-2011》，以限制煙氣污染物的排放量，其標(biāo)準(zhǔn)指出限制NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為50mg/m3。但一些經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)對(duì)于污染物排放管理的更加嚴(yán)格，例如北京的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為30mg/m3，深圳則要求E級(jí)機(jī)組和F級(jí)機(jī)組排放標(biāo)準(zhǔn)分別為25mg/m3和15mg/m3。美國也規(guī)定大于250MW 的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組NOx排放濃度應(yīng)低于30mg/m3[1]。因此，煙氣中NOx含量低于30mg/m3將是燃?xì)怆娬镜闹髁髋欧艠?biāo)準(zhǔn)。

控制NOx的方法，根據(jù)生成時(shí)間段可分為兩大類[2-3]： 一是NOx生成中控制技術(shù)（燃燒側(cè)控制），具體方法有低過?？諝馊紵⒎旨?jí)燃燒和煙氣再循環(huán)等;二是NOx生成后控制技術(shù)燃燒（煙氣側(cè)控制），具體的方法有選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性催化還原法（SCR）、等離子體過程脫硝和吸收吸附法。對(duì)于燃燒側(cè)的控制方案，很難將NOx含量降為50mg/m3，燃?xì)怆娬緸檫_(dá)到的低于30mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)[4]，則必須采用煙氣側(cè)的控制方案，鑒于SCR是目前國內(nèi)外電站脫氮的主流技術(shù)，本文亦對(duì)其進(jìn)行分析。

1? 改造工程概述

某LNG電廠建設(shè)規(guī)模為6套F級(jí)機(jī)組，其中，一期工程3臺(tái)390MW機(jī)組，二期擴(kuò)建3臺(tái)460MW燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。每套機(jī)組包括各包括1臺(tái)低NOx燃?xì)廨啓C(jī)、1臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī)、1臺(tái)蒸汽輪機(jī)、1臺(tái)汽機(jī)發(fā)電機(jī)、1臺(tái)無補(bǔ)燃三壓再熱型余熱鍋爐及其相關(guān)的輔助設(shè)備，其單套系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

未改造前機(jī)組均采用M701F3型低NOx燃燒器，NOx排放濃度為51.25mg/m3。改造預(yù)期在性能保證（純凝工況）設(shè)計(jì)條件下，燃機(jī)出口（脫硝裝置入口）煙氣NOx含量不大于25ppm（15%O2，干態(tài)）時(shí)，SCR脫硝裝置的性能滿足表1的要求。

2? 工藝設(shè)計(jì)及要點(diǎn)

2.1 SCR工藝設(shè)計(jì)

SCR脫硝工藝采用選擇性催化還原方法，即在裝有催化劑的反應(yīng)器（即余熱鍋爐）里，煙氣與噴入的氨，在催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)，生成無害的N2和H2O，實(shí)現(xiàn)脫除氮氧化合物的目的[5]。

20%氨水溶液經(jīng)氨水輸送泵送至SCR區(qū)，一路先與除鹽水在線混合稀釋成10%氨水溶液后，經(jīng)噴槍霧化直接噴入余熱鍋爐進(jìn)口煙道內(nèi)，在高溫?zé)煔獾淖饔孟卵杆倨纬砂睔獠⑴c煙氣充分混合，當(dāng)氨氣和煙氣到達(dá)催化劑區(qū)域發(fā)生脫硝反應(yīng)，使還原劑與煙氣中的NOx生成無毒、無污染的N2和H2O。

氣氨的噴入量滿足機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷條件下脫除NOx的需要量?？刂葡到y(tǒng)通過SCR進(jìn)出口NOx分析儀測(cè)量值計(jì)算NH3需要量，并將計(jì)算結(jié)果反饋給氨水流量調(diào)節(jié)閥以控制氨的供給量。

每個(gè)氨水溶液支管均設(shè)有手動(dòng)閥門，可以在運(yùn)行調(diào)試期間對(duì)每個(gè)噴槍噴入的氨量進(jìn)行流量微調(diào)，使噴入的氨與對(duì)應(yīng)的NOx濃度匹配，一旦調(diào)好則固定閥門，不再調(diào)整。

每個(gè)壓縮空氣支管均設(shè)有手動(dòng)閥門和壓力調(diào)節(jié)閥，壓力調(diào)節(jié)閥由噴槍供貨廠家提供。

催化劑在一定溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行溫度高于催化劑的最高溫度限值時(shí)，陶瓷材質(zhì)的蜂窩式催化劑將發(fā)生燒結(jié)和脆裂;當(dāng)運(yùn)行溫度低于催化劑的最低溫度限值時(shí)，容易生成硫酸氫銨，生成的硫酸氫銨附著在催化劑表面將堵塞催化劑孔，導(dǎo)致催化劑活性降低，影響脫硝效率。催化劑的最低溫度與煙氣中NH3和SO3的濃度有關(guān)，兩者濃度越高，催化劑的最低溫度限值越高。SCR最低運(yùn)行溫度必須高于催化劑的最低溫度限值，否則停止噴入氨，停運(yùn)SCR裝置。完成脫硝反應(yīng)后的凈煙氣通過煙囪排放到大氣。在SCR進(jìn)口設(shè)有NOx/O2分析儀、溫度變送器，在SCR出口設(shè)置有溫度變送器、NH3逃逸分析儀。SCR反應(yīng)器的進(jìn)、出口設(shè)置可遠(yuǎn)傳的壓力監(jiān)測(cè)裝置。

脫硝裝置采用氨水制備還原劑。氨水供應(yīng)系統(tǒng)（氨水站）包括氨水卸料泵、氨水儲(chǔ)罐、氨水輸送泵、廢水泵、廢水坑等。氨水由氨水罐車運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)，通過卸料泵，將氨水由罐車輸入儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存，氨水儲(chǔ)罐內(nèi)的氨水通過輸送泵輸送到SCR區(qū)，除鹽水從余熱鍋爐附近的除鹽水母管上引接，氨水供應(yīng)系統(tǒng)按3臺(tái)余熱鍋爐共用設(shè)計(jì)。氨水溶液稀釋及噴射系統(tǒng)布置在SCR反應(yīng)區(qū)域，按每臺(tái)余熱鍋爐配1套設(shè)計(jì)。

2.2 工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在整個(gè)工藝中，煙氣均勻性是保證脫硝效率的必要條件，要通過計(jì)算機(jī)仿真模擬數(shù)值計(jì)算來驗(yàn)證并修正煙氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使煙氣的均勻性偏差控制在合理范圍內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在余熱爐入口煙道設(shè)置17支氨水噴槍，使噴入煙道內(nèi)的氨水迅速汽化并與煙氣充分混合，經(jīng)余熱爐受熱面梳理后進(jìn)入催化劑區(qū)域的煙氣均勻性分布滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果以流體模型試驗(yàn)報(bào)告的形式單獨(dú)提供。

3? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及要點(diǎn)

3.1 總體布置

脫硝裝置由SCR反應(yīng)器系統(tǒng)和氨水供應(yīng)系統(tǒng)兩部分組成。SCR反應(yīng)裝置的主要設(shè)備位于SCR區(qū)域，即余熱爐內(nèi)區(qū)域和余熱爐構(gòu)架內(nèi)，氨水供應(yīng)系統(tǒng)（氨水站）布置于遠(yuǎn)離鍋爐主廠房的區(qū)域。氨水供應(yīng)系統(tǒng)的氨水溶液通過廠區(qū)氨水溶液管道送至SCR反應(yīng)器區(qū)域。廠區(qū)氨水溶液管道沿廠區(qū)綜合管架布置。

3.2 SCR反應(yīng)系統(tǒng)

SCR反應(yīng)系統(tǒng)布置在余熱爐內(nèi)，余熱爐截面成矩形，催化劑均勻布置在余熱爐截面內(nèi)。催化劑采用單層布置，即每臺(tái)余熱鍋爐布置一層蜂窩式催化劑。氣氨和煙氣中的NOx在催化劑的催化作用下氧化還原為N2和H2O。催化劑采用催化劑支架獨(dú)立支撐在余熱爐內(nèi)。在余熱爐頂部，設(shè)置有催化劑裝卸孔，用于將催化劑吊裝進(jìn)出余熱爐。

工程采用Cream公司生產(chǎn)的蜂窩式催化劑。催化劑按1層設(shè)計(jì)，催化劑模塊按6×22布置，每臺(tái)余熱鍋爐共計(jì)132個(gè)催化劑模塊。煙氣沿水平方向通過催化劑層。每層催化劑布置25個(gè)測(cè)試塊，用于停爐時(shí)對(duì)催化劑運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)。催化劑的節(jié)距根據(jù)煙氣參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，避免阻力過大。催化劑模塊設(shè)有密封裝置，能防止煙氣短路以影響脫硝性能。催化劑性能如表2所示。

3.3 氨水供應(yīng)系統(tǒng)

20%氨水溶液經(jīng)氨水輸送泵送至SCR區(qū)，先與除鹽水在線混合稀釋成濃度不超過10%的氨水溶液后，經(jīng)噴槍霧化直接噴入余熱爐入口煙道內(nèi)。每臺(tái)爐配置17只噴槍，布置在余熱鍋爐入口煙道的圓周方向上，其中心噴槍1支，其余噴槍16支。噴槍共分成4組。每個(gè)氨水溶液支管均設(shè)有手動(dòng)閥門，可以在運(yùn)行調(diào)試期間對(duì)每個(gè)噴槍噴入的氨量進(jìn)行流量微調(diào)，使噴入的氨與對(duì)應(yīng)的NOx濃度匹配，一旦調(diào)好則固定閥門，不再調(diào)整。每個(gè)壓縮空氣支管均設(shè)有手動(dòng)閥門和壓力調(diào)節(jié)閥，壓力調(diào)節(jié)閥由噴槍供貨廠家配套提供。

除鹽水引自鍋爐區(qū)附近的除鹽水母管，除鹽水用于稀釋20%氨水溶液，除鹽水管道上設(shè)有就地壓力表，以便檢測(cè)管道壓力是否正常。每臺(tái)鍋爐設(shè)有兩臺(tái)除鹽水增壓泵（1運(yùn)1備），除鹽水增壓泵為立式離心泵，材質(zhì)304不銹鋼，設(shè)計(jì)流量0.4m3/h，揚(yáng)程60m。

3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.4.1 催化劑填裝系統(tǒng)能方便催化劑的安裝、拆除及更換

催化劑模塊裝載專用設(shè)備包括手動(dòng)葫蘆、催化劑裝卸柵格板。催化劑模塊通過余熱爐本體頂部設(shè)置的電動(dòng)葫蘆從余熱鍋爐的人孔，由地面吊至爐頂?shù)拇呋瘎┭b載門內(nèi)。在各層催化劑支架上均可安置手動(dòng)葫蘆，并鋪設(shè)催化劑裝卸柵格板。通過手動(dòng)葫蘆將催化劑模塊吊裝到催化劑支架上的安裝位置，每四個(gè)催化劑模塊疊裝在一層催化劑支架上，頂部?jī)蓪盈B裝3個(gè)催化劑模塊。催化劑模塊安裝自下而上。待一層安裝完畢后，將手動(dòng)葫蘆與柵格板轉(zhuǎn)至上一層安裝鋪設(shè)，再進(jìn)行該層催化劑模塊的安裝。待催化劑模塊安裝完畢后，取出手動(dòng)葫蘆與柵格板，完成催化劑模塊的裝卸工作。

3.4.2 氨水流量的控制

每臺(tái)余熱鍋爐機(jī)組應(yīng)配置1套氨水流量控制系統(tǒng)，根據(jù)SCR進(jìn)出口NOx濃度，控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算達(dá)到規(guī)定脫硝效率所需氨水耗量，并反饋信號(hào)給氨水流量調(diào)節(jié)閥，氨水流量調(diào)節(jié)閥相應(yīng)地調(diào)整氨水流量的供應(yīng)。

4? 結(jié)論

以當(dāng)前燃?xì)怆娬維CR煙氣脫硝改造的實(shí)例，介紹了工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟和方法，提出幾點(diǎn)燃?xì)怆娬維CR煙氣脫硝改造工程的應(yīng)注意的技術(shù)要點(diǎn)，供后續(xù)脫硝改造工程借鑒及進(jìn)一步探討。

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