330MW燃煤機(jī)組SCR脫硝超低排放工程改造優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

溫卿云

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 廈門 361009)

根據(jù)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》的要求，燃煤電廠需實(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、50 mg/m3)。其中，氮氧化物的超低排放被業(yè)界認(rèn)為是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的，主要是因?yàn)楝F(xiàn)役85%以上的燃煤電廠均采用了高效可靠的選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝技術(shù)，而且在建造之初一般均設(shè)置了催化劑的加裝預(yù)留層。SCR煙氣脫硝技術(shù)在近5年內(nèi)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，脫硝效率可高達(dá)95%，但在實(shí)際運(yùn)行中存在流場(chǎng)不均、氨逃逸濃度超標(biāo)、壓降過大等多種問題[1]，而這些問題又會(huì)使脫硝后生成過量的硫酸氫銨和硫酸銨等副產(chǎn)物，導(dǎo)致下游的空預(yù)器、低溫省煤器等換熱面堵塞腐蝕，給機(jī)組運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患[2]。

本文對(duì)某330 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)其在煙道及導(dǎo)流裝置、噴氨及混合裝置和尿素?zé)峤庀到y(tǒng)等的設(shè)計(jì)均存在不同程度的問題，導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)雖然能達(dá)到原設(shè)計(jì)80%的效率，但其付出的代價(jià)卻是噴入過量的氨，從而導(dǎo)致氨逃逸過高，尿素耗量過大，空預(yù)器易堵塞等問題。針對(duì)此問題，采取更換SCR脫硝進(jìn)出口煙道、噴氨系統(tǒng)、移位尿素?zé)峤庀到y(tǒng)設(shè)備和增加二層催化劑及再生一層催化劑等措施，最終實(shí)現(xiàn)超低排放40mg/Nm3,總體脫硝效率大于90%。

1 改造前存在的問題與分析

330 MW機(jī)組SCR脫硝采用雙煙道雙反應(yīng)器無脫硝旁路布置方式、還原劑采用尿素?zé)峤庵迫“睔饷撓?。SCR按入口NOx濃度為400 mg/m3、催化劑采用2+1層布置，初裝催化劑采用蜂窩式催化劑，脫硝率不低于80%。脫硝系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 SCR脫硝系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

該SCR脫硝系統(tǒng)在改造前存在以下一些問題：(1)脫硝出入口煙道布置不合理，SCR反應(yīng)器進(jìn)出口流場(chǎng)不均勻，煙風(fēng)道磨損嚴(yán)重；(2)噴氨格柵磨損、腐蝕嚴(yán)重，噴氨格柵區(qū)煙風(fēng)道膨脹受限，煙道支撐變形嚴(yán)重；(3)現(xiàn)有兩層催化劑，投運(yùn)近3年，其化學(xué)壽命已到20 000小時(shí)，而且存在較大程度的磨損和坍塌的現(xiàn)象；(4)尿素?zé)峤庀到y(tǒng)存在的問題：現(xiàn)有一路尿素溶液管道腐蝕嚴(yán)重，高溫稀釋風(fēng)機(jī)故障較多，熱解爐低位布置，沒有足夠的檢修空間，尿素?zé)峤庀到y(tǒng)出口氨混合物兩側(cè)管系布置不均，氨計(jì)量分配調(diào)門調(diào)節(jié)性能差，調(diào)門及管系易發(fā)生尿素逆反應(yīng)結(jié)晶；(5)省煤器輸灰系統(tǒng)癱瘓無法投運(yùn)，主要問題是灰斗、倉(cāng)泵三維膨脹受限，煤器輸灰管道彎頭磨損嚴(yán)重，現(xiàn)有倉(cāng)泵2臺(tái)無法正常投運(yùn)，出口管線阻力太大無法輸灰至灰?guī)臁?/p>

2 超低排放改造措施

2.1 煙道及導(dǎo)流裝置改造

SCR脫硝裝置煙道的合理布置是燃煤機(jī)組脫硝改造的關(guān)鍵之一，如果煙道的引接口尺寸過小，煙道內(nèi)流速過高，煙道磨損嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致SCR反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布不均，催化劑磨損和氨逃逸過高等問題[3]。本文所述的工程即存在這種情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查的結(jié)果，SCR脫硝系統(tǒng)煙道磨損較嚴(yán)重的部位分別為入口煙道與鍋爐省煤器出口連接及轉(zhuǎn)彎變徑段和出口煙道與鍋爐空預(yù)器入口連接轉(zhuǎn)彎變徑段。究其原因，一是受空間距離和SCR脫硝鋼結(jié)構(gòu)布置的限制，而煙道截面變徑大，入口煙道的截面尺寸需從3 400 mm×6 300 mm變徑到2 700 mm×10 000 mm，煙道轉(zhuǎn)彎和變徑均較為困難，而原設(shè)計(jì)采用了同時(shí)轉(zhuǎn)彎+三角板急突變徑的手段；二是受鋼結(jié)構(gòu)橫梁影響，出口煙道與空預(yù)器入口煙道連接時(shí)設(shè)計(jì)成高低凸臺(tái)+急變徑的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。這兩處的不合理設(shè)計(jì)，使得這兩處的煙氣流速在100%BMCR工況運(yùn)行時(shí)最大達(dá)到30 m/s的流速，這對(duì)此處煙道內(nèi)撐桿和壁板造成極大的沖擊和磨損，同時(shí)極大地增加了SCR脫硝系統(tǒng)的阻力。

針對(duì)上述的不合理設(shè)計(jì)，本次改造采用了轉(zhuǎn)彎+多段緩轉(zhuǎn)彎的技術(shù)，即在入口煙道連接處水平段煙道不變徑，采用單變徑轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)，先將煙道尺寸3 400 mm×6 300 mm轉(zhuǎn)彎變徑到2 700 mm×6 300 mm，再在豎直方向上將煙道尺寸從2 700 mm×6 300 mm變徑到2 700 mm×10 000 mm，同時(shí)為了避免斜截面積灰，保證豎直變徑角度大于40°，改造時(shí)在保證氨氣/煙氣混合濃度的最大偏差值的條件下，將噴氨及混合裝置和入口煙道擋板門上移；在出口煙道連接處，先將煙道尺寸2 400 mm×10 000 mm變徑到2 400 mm×10 084 mm，再通過轉(zhuǎn)彎將煙道尺寸2 400 mm×10 084 mm變徑到3 625 mm×10 084 mm，并拆除空預(yù)器入口的部分煙道，從而消除凸臺(tái)，順緩地過渡到空預(yù)器入口的膨脹節(jié)處(如圖2所示)。

圖1 改造前SCR脫硝入出口煙道連接設(shè)計(jì)

改造后這兩處入出口煙道連接處的設(shè)計(jì)得到極大的變化，這使煙氣流經(jīng)時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)得到極大改善，不僅使得煙道最窄處的流速小于16 m/s，最大程度降低煙道阻力，減緩煙氣對(duì)煙道內(nèi)撐桿和壁板的沖擊和磨損，而且使反應(yīng)器最上層催化劑迎風(fēng)面處的流場(chǎng)的均勻性得到改善，有利于保證高效的脫硝性效率。

圖2 改造后SCR脫硝入出口煙道連接設(shè)計(jì)

2.2 噴氨及混合裝置改造

噴氨格柵和混合裝置的設(shè)計(jì)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的性能非常敏感[4]，不同的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脫硝效果截然不同。原設(shè)計(jì)的噴氨及混合裝置采用單純的格柵式噴氨結(jié)構(gòu)，在2 700 mm×10 000 mm的煙道截面處設(shè)置了11個(gè)噴氨調(diào)節(jié)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)有3根噴氨支管，每個(gè)支管有16個(gè)噴嘴，共有528個(gè)噴嘴。雖然總共設(shè)置了33個(gè)手動(dòng)蝶閥來進(jìn)行調(diào)節(jié)噴氨流量，但由于其每根支管噴嘴的布置形式，導(dǎo)致其雖然實(shí)現(xiàn)了橫縱向可調(diào)，但每個(gè)區(qū)域中每個(gè)噴嘴的流量卻不均勻。對(duì)此，將其改造為雙混高效噴氨及混合裝置，在2 700 mm×10 000 mm的煙道截面上不僅設(shè)置了6個(gè)噴氨調(diào)節(jié)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)有3根噴氨支管，每個(gè)支管有8個(gè)噴嘴，共用144個(gè)噴嘴；同時(shí)結(jié)合上方3排×9個(gè)直徑φ800的靜態(tài)圓盤混合器，雖然總體噴氨噴嘴數(shù)量減少了，但卻使得氨氣與煙氣混合得更加均勻(如圖3所示)。

圖3 改造后噴氨及混合裝置示意圖

2.3 催化劑再生與新增

SCR脫硝催化劑在運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后，由于微量元素中毒、催化劑堵塞及催化劑沖蝕等原因，造成催化劑積灰和反應(yīng)通道堵塞，使催化劑活性降低，脫硝效率下降[5]。本文所述的原有SCR催化劑采用2+1層布置，初裝催化劑采用蜂窩式催化劑，脫硝率不低于80%(NOx為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，6%含氧量，干基)，且出口NOx含量不超過80 mg/Nm3，已運(yùn)行了約20 000小時(shí)。煙氣脫硝裝置SCR系統(tǒng)應(yīng)能在鍋爐煙氣溫度295～430℃條件下連續(xù)運(yùn)行，煙道部分最大允許溫度為430℃，當(dāng)煙氣溫度低于295℃時(shí)，停止噴氨。原有的催化劑設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

由于其化學(xué)壽命已到20 000小時(shí)，必須對(duì)催化劑進(jìn)行改造。本次改造采用的方案為：對(duì)原有兩層催化劑進(jìn)行再生改造，只再生成一層催化劑，新加裝兩層催化劑，廢舊催化劑按照危廢管理要求全部進(jìn)行回收處置。安裝的順序?yàn)椋荷厦鎯蓪訛樾略龅?層催化劑，保證入口NOx濃度400 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)，干基，6%O2)時(shí)，保證出口NOx濃度≤64 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)，干基，6%O2)，脫硝效率>85%；再生后的催化劑放置在最下面一層，保證入口NOx濃度70 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)，干基，6%O2)時(shí)，保證出口NOx濃度≤35 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)，干基，6%O2)，脫硝效率≥50%。如此3層催化劑實(shí)際是按照脫硝效率≥92.5%設(shè)計(jì)的，可保證SCR脫硝出口NOx濃度≤30 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)，干基，6%O2)，比設(shè)計(jì)要求的NOx濃度≤40 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)，干基，6%O2)排放具有30%的裕度。

表2 原有催化劑主要參數(shù)

2.4 尿素?zé)峤庀到y(tǒng)改造

原有尿素?zé)峤庀到y(tǒng)存在高溫稀釋風(fēng)機(jī)故障較多，熱解爐低位布置，沒有足夠的檢修空間，尿素?zé)峤庀到y(tǒng)出口氨混合物兩側(cè)管系布置不均，氨計(jì)量分配調(diào)門調(diào)節(jié)性能差，調(diào)門及管系易發(fā)生尿素逆反應(yīng)結(jié)晶等問題。針對(duì)這些問題，采取的改造措施為：高溫稀釋風(fēng)機(jī)改用熱一次風(fēng)，充分考慮一次風(fēng)余量及系統(tǒng)阻力，取風(fēng)點(diǎn)位置選擇含灰量盡量少的區(qū)域，從熱一次風(fēng)道頂部開孔取風(fēng)，并設(shè)置濾網(wǎng)；現(xiàn)有熱解爐低位布置改為高位布置，利用原有SCR脫硝鋼架的空余位置進(jìn)行高位布置；對(duì)于氨計(jì)量分配調(diào)門調(diào)節(jié)性能差的問題，將熱解爐出口至噴氨格柵之間的管道全部拆除，采用對(duì)稱布置，分配調(diào)節(jié)閥門利舊，在調(diào)試階段對(duì)其重新做好調(diào)節(jié)曲線，從而解決原有調(diào)節(jié)性能差的問題。

2.5 其他系統(tǒng)設(shè)備改造

其他系統(tǒng)設(shè)備改造主要是針對(duì)省煤器下方倉(cāng)泵變形的問題，對(duì)已變形受損的倉(cāng)泵及附件全部拆除，更換新的倉(cāng)泵。原有倉(cāng)泵變形的主要原因是鍋爐傳遞到倉(cāng)泵的熱膨脹變形太大，導(dǎo)致倉(cāng)泵受力變形，本次改造在有限的空間內(nèi)，設(shè)置2道波形膨脹節(jié)，盡量吸收鍋爐省煤器傳遞過來的熱膨脹變形，降低其對(duì)倉(cāng)泵的作用力，避免其變形，確保倉(cāng)泵輸灰系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.6 本次改造設(shè)計(jì)參數(shù)表

本次改造設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 本次改造工程設(shè)計(jì)參數(shù)

3 改造后運(yùn)行情況

該項(xiàng)目改造后，一次性通過168 h試運(yùn)行，并經(jīng)過了2年多的穩(wěn)定運(yùn)行，其性能指標(biāo)全面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖4為該機(jī)組168 h試運(yùn)行的數(shù)據(jù)。在168個(gè)小時(shí)的運(yùn)行中，SCR脫硝入口NOx濃度為310～415 mg/Nm3，出口濃度為15～42 mg/Nm3，脫硝效率為87.20%～96.32%。該項(xiàng)目的脫硝超低排放改造最終通過了環(huán)保性能驗(yàn)收，性能驗(yàn)收?qǐng)?bào)告結(jié)論為：SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度平均值為364.14 mg/Nm3，出口排放濃度平均值為27.56 mg/Nm3，達(dá)到設(shè)計(jì)要求(≤40 mg/Nm3)，脫硝效率平均值為92.11%，達(dá)到設(shè)計(jì)值要求(≥90%)；同時(shí)氨逃逸率平均值為1.41 ppm，達(dá)到設(shè)計(jì)值要求(≤3 ppm)，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率也達(dá)到設(shè)計(jì)要求(≤1%)。

圖4 SCR脫硝裝置進(jìn)出口168小時(shí)NOx濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)某330 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝超低排放工程改造前后過程，分別從SCR進(jìn)出口煙道、噴氨及混合裝置、催化劑等方面的改造進(jìn)行了闡述，由此得出以下結(jié)論：

(1)應(yīng)特別注意SCR脫硝進(jìn)出口煙道與鍋爐尾部煙道的連接。此處通常受到布置空間和SCR脫硝鋼結(jié)構(gòu)的限制，無法對(duì)其進(jìn)行很好的布置，但不能因此而采用急突轉(zhuǎn)彎變徑的方式，而應(yīng)該采用順緩轉(zhuǎn)彎+多段變徑的方式，在水平方向布置空間不夠時(shí)，可借助豎直方向進(jìn)行變徑。

(2)噴氨及混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮混合距離和噴氨噴嘴的數(shù)量，還需要結(jié)合CFD流場(chǎng)模擬來設(shè)置合適的混合裝置；經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行證明，高效雙混噴氨裝置可適用于噴氨混合距離較短，入口煙道較復(fù)雜的SCR脫硝系統(tǒng)。

(3)SCR脫硝系統(tǒng)前端省煤器下方的輸灰系統(tǒng)應(yīng)充分考慮鍋爐傳遞過來的熱膨脹變形，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)結(jié)合熱膨脹變形系數(shù)和倉(cāng)泵的支撐結(jié)構(gòu)型式，必要時(shí)可設(shè)置多個(gè)膨脹節(jié)來吸收過大的熱膨脹變形，以確保倉(cāng)泵的正常運(yùn)行。