高溫高塵煙氣SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計解析

摘要：本文系統(tǒng)論述了在燃煤機組高溫高塵環(huán)境下，SCR脫硝工藝中：殼體與氨煙混合系統(tǒng)、催化劑與吹灰系統(tǒng)、還原劑制備系統(tǒng)的設(shè)計要點，并對防磨、低負(fù)荷脫硝、副反應(yīng)等相關(guān)問題進行解析，強化了對SCR脫硝技術(shù)的理解與運用。

關(guān)鍵詞：高溫;高塵;SCR脫硝

Abstract：This paper systematically discusses the design points of SCR denitration process in the high temperature and high dust environment of coal-fired unit：shell ammonia smoke mixing system，catalyst and soot blowing system， reducing agent preparation system，analyzes the problems related to abrasion prevention， low load denitration， side reactions，and strengthens the understanding and application of SCR denitration technology.

Key words：High temperature;High dust;SCR denitration

1 殼體與氨煙混合系統(tǒng)

1.1 殼體外形及內(nèi)部件

按《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計規(guī)程》（DL/T5490-2013）要求，SCR殼體，如煙道、反應(yīng)器的尺寸應(yīng)滿足規(guī)定的煙氣流速要求，其中煙道不超過15m/s，反應(yīng)器空塔流速4～6m/s之間，考慮高煙塵量，宜選5m/s以下，避免煙氣流速過快造成的磨損。SCR進口煙道在省煤器出口引接，并采用流場模擬軟件對引接段煙道的傾斜角度、變徑方位和內(nèi)部導(dǎo)流板設(shè)置方案進行優(yōu)化，將噴氨格柵和混流器等內(nèi)部件調(diào)整到適宜煙道截面，使煙氣路徑順暢、煙氨混合充分、系統(tǒng)壓損降到最低。流場模擬后，催化劑頂部煙氣：流速偏差小于15%、溫度偏差小于10℃、氨氮摩爾比偏差小于5%、入射催化劑角度（與垂直方向的夾角）在10°以內(nèi)。

考慮機組負(fù)荷的變動，在不可避免的積灰處加裝清灰設(shè)備，保證煙塵有效收集。因鋼梁結(jié)構(gòu)無法設(shè)置清灰裝置時，可采用設(shè)置吹灰管路等方式，將煙塵揚起，隨煙氣順利通過。流場模擬完成后，需采用1：10、1：15等比例的物理模型進行驗證，及時對計算機模擬方案微調(diào)[1]。

SCR系統(tǒng)為負(fù)壓煙氣系統(tǒng)，煙道及反應(yīng)器殼體的設(shè)計壓力在-800～-2000pa之間，并有一定瞬態(tài)承壓能力，按《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程》要求，綜合考慮風(fēng)載等因素，進行煙道設(shè)計，合理布置加強筋、內(nèi)撐桿、支吊架等。

1.2 氨煙混合系統(tǒng)

氨煙混合系統(tǒng)包括氨噴射和氨/煙氣混合兩部分，由氨空混合器、氨噴射格柵管、均流裝置等部件組成。根據(jù)流場模擬和物理模型的輸出結(jié)果，在給定的進口煙道部位布置模塊化噴氨格柵。氨空混合器、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置于噴氨格柵上游，使得氨與稀釋風(fēng)以1：20 的比例混合均勻，并由調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)模塊化分區(qū)控制，根據(jù)反應(yīng)器截面煙氣分布、NOx濃度等分布狀況，調(diào)節(jié)上游各模塊氨供應(yīng)量，避免無謂的氨逸漏[2]。當(dāng)噴氨格柵管至催化劑截面的距離，為氨煙混合距離，根據(jù)流場模擬的要求，當(dāng)需要強化混合時，在格柵下游設(shè)置均流裝置，強化氨煙混合。

2 催化劑與吹灰系統(tǒng)

2.1 催化劑

高溫高塵環(huán)境下，催化劑的選擇需考慮煙氣成分、催化劑強度和孔內(nèi)流速等因素。砷、堿金屬、鈣、鎂等為催化劑中毒物質(zhì)，其多存在燃煤煙氣的粉塵中，易凝結(jié)于煙氣水分并轉(zhuǎn)移到催化劑上，導(dǎo)致催化劑化學(xué)失活。因此需根據(jù)燃煤情況，測算煙氣中雜質(zhì)含量，核算其對催化劑活性的影響。從強度上看，不銹鋼基質(zhì)的板式、頂部強化的蜂窩式催化劑強度高、有較好耐磨性能，完全適用高塵煙氣條件。根據(jù)SCR反應(yīng)器的尺寸、煙氣量、初選催化劑參數(shù)（壁厚、孔數(shù)、孔距等）核算孔內(nèi)流速，宜控制在5～7m/s之間，過低易在死角位置積灰，造成催化劑的堵塞。

2.2 吹灰系統(tǒng)

吹灰系統(tǒng)主要有聲波吹灰器、空氣炮吹灰系統(tǒng)、蒸汽吹灰器等。聲波吹灰器的吹灰半徑為3-4m，布置在催化劑上方約500mm處，利用膜片機械震動發(fā)聲，使得催化劑上部空氣波動，將累積煙塵吹散，并順利通過催化劑孔隙?？諝馀谂c聲波吹灰介質(zhì)相同，但其吹灰壓縮空氣耗量大，吹灰更徹底。蒸汽吹灰器包含耙管、噴嘴、大梁等部件組成，使蒸汽進入吹灰器，經(jīng)爐內(nèi)耙管上噴嘴吹出，將催化劑孔內(nèi)灰塵向下方疏通。聲波吹灰器、空氣炮吹灰系統(tǒng)適用于松散積灰情況，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、可在線維護。蒸汽吹灰適用于積灰較難清理的情況，清掃強度大，但運行條件高，系統(tǒng)維護量大，要求過飽和蒸汽吹灰壓力穩(wěn)定、無水，壓力過高或有水分時易對催化劑造成機械損傷。

3 脫硝還原劑制備系統(tǒng)

SCR脫硝以氨為還原劑，主要的制備方法有尿素法和氨法。尿素法是以40%～60%的尿素溶液為原料，在350～650℃熱解生成氨氣，或在溫度140～160℃下水解生成氨氣。其中水解法運行費用低、系統(tǒng)簡單、可多爐共用，熱解法能耗大、運行費用高、一爐一熱解配置，但熱解法更穩(wěn)定。氨法，包括液氨和氨水法，液氨或約20%的氨水溶液經(jīng)蒸發(fā)穩(wěn)壓生成為氨氣，由存儲輸送、流量調(diào)節(jié)、蒸發(fā)混合等模塊組成。氨法建設(shè)成本與運行成本較低，但因液氨屬于乙類危險化學(xué)品，氨水存儲及運輸量大等因素，均不適用于燃煤機組;反觀尿素法運輸便捷、使用安全，因此更為常用。尿素法、氨法均要結(jié)合氣溫等當(dāng)?shù)丨h(huán)境狀況，考慮設(shè)置保溫、伴熱等，防止尿素溶液在管道內(nèi)結(jié)晶或蒸發(fā)后的氨在管道中冷凝成液相。

4 相關(guān)問題解析

4.1 防磨設(shè)計

在實際工程運用中，因鋼架、鋼梁結(jié)構(gòu)無法調(diào)整等因素限制，在局部位置煙道尺寸無法加大，造成煙氣流速難以避免地超出標(biāo)準(zhǔn)值，因此煙道內(nèi)部應(yīng)做相應(yīng)的防磨處理。內(nèi)撐桿等管件可采用貼角鋼等方式，內(nèi)壁等平面可設(shè)置龜甲網(wǎng)等。

4.2 低負(fù)荷運行

機組運行負(fù)荷為波動狀態(tài)，50%、30%BMCR等低負(fù)荷，與100%BMCR狀態(tài)設(shè)計條件相比，NOx濃度不變、煙氣量下降、煙溫下降。當(dāng)煙溫低至290℃以下，催化活性將部分甚至完全失活，脫硝率下降或停止脫硝，將導(dǎo)致超標(biāo)排放，因此需綜合核算煙氣量與煙溫變化對系統(tǒng)脫硝效率的影響。為保障低負(fù)荷下脫硝效率，可采用多種組合技術(shù)，如，省煤器分級改造、高溫?zé)煔馀月?、增加低氮燃燒器等。在工程運用中首先應(yīng)全面收集鍋爐系統(tǒng)運行熱力數(shù)據(jù)，分析50%、80%、100%等BMCR下的煙溫對催化性能的影響，綜合經(jīng)濟性和可行性，選擇適用的低負(fù)荷運行技術(shù)。

4.3 副產(chǎn)物解析

SCR系統(tǒng)中催化劑在催化脫硝的同時，易將煙氣中SO2轉(zhuǎn)化為SO3，SO3與NH3進一步反應(yīng)生成硫酸氫氨（ABS），SCR脫硝副產(chǎn)物以SO3、ABS為主。ABS有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，液態(tài)下具有黏性和強腐蝕性，對后續(xù)裝備造成運行隱患。液態(tài)ABS易與煙塵結(jié)合，黏附于催化劑表面時，阻擋活性物質(zhì)與煙氣的接觸，導(dǎo)致催化效率下降，并增加積灰風(fēng)險;在空預(yù)器中，黏附于傳熱元件上時形成融鹽狀的積灰，造成預(yù)熱器的腐蝕、堵灰等，降低預(yù)熱器的換熱效率;黏附情況嚴(yán)重時系統(tǒng)阻力增加，甚至影響機組的正常運行。在工藝設(shè)計中需要關(guān)注ABS的生成與狀態(tài)分析，一是控制系統(tǒng)溫度，保證系統(tǒng)溫度在ABS露點溫度以上，如SCR連續(xù)運行煙溫至少要高于硫酸氫氨露點溫度10℃;二是控制ABS的濃度，ABS生成隨SO3與NH3體積分?jǐn)?shù)的增大而升高，選擇催化劑時需控制SO3的生成率在低值的范圍，同時做好噴氨系統(tǒng)模塊分區(qū)控制，減少氨逃逸;三是采取防腐措施，如，空預(yù)器冷端元件更換為耐腐蝕材料、加大吹灰強度等。

5 結(jié)論

高溫高塵環(huán)境下，煙氣環(huán)境SCR脫硝設(shè)計應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟性和技術(shù)可行性，選擇強度高耐磨性好且孔內(nèi)流速適宜的催化劑，吹灰系統(tǒng)、還原劑制備方法，核對殼體尺寸、結(jié)構(gòu)、防磨舉措等關(guān)鍵部件，同時避免煙塵雜質(zhì)、副反應(yīng)等對脫硝效率的影響。

參考文獻

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收稿日期：2020-05-02

作者簡介：楊西茜（1986-），女，漢族，碩士，工程師，研究方向為大氣環(huán)境工程與管理。