火电厂SCR烟气脱硝工艺系统设计
摘要:随着我国NOx 排放标准的提高,仅仅依靠燃烧过程控制已不能满足要求,因此我国燃煤电厂今后将逐步建设烟气脱硝装置。主要介绍了火电厂烟气脱硝主流技术———选择性催化还原( SCR)烟气脱硝系统技术的原理及工艺系统的设计。
关键词:脱硝技术, SCR, 反应器, 催化剂
0 引 言
NOx 是近三十多年来受到极大关注的一种污染物。已经证明其危害主要有酸雨作用、诱发光化学烟雾等,也是引起温室效应和光化学反应的主要物质之一,所以降低NOx 的排放也是当前应着重研究的方向[ 1 ] 。火电厂是最主要的NOx 排放源,“十一五”期间规划开工的火电项目达 1. 41亿kW,按照现在的NOx 控制政策,初步预测 2010年火电厂排放的NOx 将达850万t左右。为此,国家出台了一系列控制火电厂NOx 排放的法律、法规和政策,促使我国必须加快火电机组烟气脱硝设施的建设,烟气脱硝是新上火电机组控制 NOx 排放的必然选择,也是国家环保政策的要求。减少NOx 排放的措施主要分为两大类:燃烧过程控制和燃烧后烟气脱硝技术。燃烧过程控制主要是通过降低炉膛内部最高温度或减少煤粉在高温区域的停留时间,从而抑制或减少燃烧过程中 NOx 的产生量,包括低NOx 燃烧器、燃烧优化调整、天然气再燃、超细煤粉再燃等技术。烟气脱硝技术包括选择性催化还原( SCR)技术、选择性非催化还原( SNCR)技术、SNCR /SCR 联合烟气脱硝技术、液体吸收法、微生物吸收法、活性炭吸附法、电子束法等。目前应用最广、最有效的烟气脱硝主流技术是SCR技术,它能达到90%以上的脱硝效率。
1 SCR烟气脱硝系统技术原理
典型的燃煤电厂锅炉选择性催化还原( SCR) 烟气脱硝系统采用氨(NH3 )作为还原介质,主要由供氨与喷氨系统、催化反应器、烟气管道与控制系统等组成。SCR反应器通常布置在锅炉省煤器出口与空气预热器入口之间。离开省煤器的热烟气在进入SCR反应器前,在远离SCR反应器的上游烟道中喷入氨(NH3 ) ,与烟气充分均匀混合后进入反应器[ 2 ] 。氨在反应器中催化剂的作用下, 选择性地与烟气中的NOx (主要为NO和少量的 NO2 )发生化学反应,将NOx 转换成无害的氮气 (N2 )和水蒸气(H2O) ,从而完成脱硝过程。脱硝后的净烟气从反应器底部流出,经出口烟道进入下游的空气预热器。研究认为,在290～400℃有如下几种反应:
4NO + 4NH3 +O2 →4N2 + 6H2O
NO +NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2O
6NO2 + 8NH3 →7N2 + 12H2O
2 烟道的设计
2. 1 进出口烟道的设计
进出口烟道一般由壁厚为6 mm 的钢板制成,且有充分的加固和支撑,来防止过度的颤动和振动。在进、出烟道的转弯处一般设置导流叶片, 导流叶片和转弯处应考虑适当的防磨措施。当烟道为合金材料或者内衬时,内部导流叶片和水收集装置应采用合金材料或耐酸钢制作,而不能采用非合金衬里或涂层。为了避免连接的设备承受其他作用,要特别注意烟道和钢支架的热膨胀,热膨胀将通过带有内部导向板的膨胀节进行调节。在该段烟道设计中,可根据CFD分析结果确定导流叶片的位置、形状和数量,根据流速和飞灰分布情况确定防磨板设置的位置[ 3 ] 。
2. 2 旁路设置
由于不同类型的催化剂有不同的最佳工作温度。通常,典型的氧化钛和氧化钒基催化剂的工作温度范围为340 ～400℃,最佳反应温度约为 370℃,最低工作温度约为320℃。SCR最低运行温度取决于烟气中SO3、NH3 的含量及水分等。 SCR反应器入口烟气温度较低时易发生硫酸铵盐的沉积,烟气温度较高时会增大SO2 与SO3 的转化率,而且长时间处在450℃以上时会烧结催化剂的活性表面,降低其反应活性。因此, SCR运行期间需严格控制反应器入口的烟气温度,使其维持在最低运行温度以上,并应尽量维持在最佳工作温度范围内,以避免硫酸铵盐的沉积,提高脱硝效率。因此,在烟气系统中根据不同需要,可以设置SCR 反应器旁路和省煤器旁路, 分别描述如下。
2. 2. 1 SCR反应器旁路的设置
SCR反应器旁路设置的目的,一是为了机组在冷启动时不使催化剂受到损害;二是为了机组在长期不脱硝时节约引风机的电耗。对于是否设置SCR反应器旁路,有两种不同的观点:
(1)设置旁路
此观点认为,在机组启动的时候(此时烟气温度还没有到催化剂的反应温度)使用旁路,以避免催化剂受到损害;另一个用途是机组在长期不脱硝的时候,烟气通过旁路至空预器,以节约引风机的电耗。这种情况在美国应用较多,但设置旁路除了要增加挡板的投资外,同时为避免反应器冷却后产生凝结水,还需设置反应器的加热系统,因而将大大增加系统的投资。
(2)不设置旁路
此观点认为,机组冷启动的次数比较少,因此对催化剂的影响不会太大,而且设置旁路烟道时由于要增加挡板,投资比较高,系统也比较复杂。并且在长期不用旁路烟道时会造成挡板前积灰严重,开启时容易卡涩,而挡板开启瞬间又有大量灰进入空预器,可能会造成空预器堵灰而停用。
2. 2. 2 省煤器旁路的设置
省煤器旁路设置的目的是为了机组在低负荷运行时,保证SCR入口烟气温度高于反应温度。一般对SCR入口温度的要求是280～400℃。为使SCR催化剂在最佳工作温度范围内运行,通常设置省煤器烟气旁路来调节SCR入口烟气温度, 目的是在锅炉低负荷运行时保证SCR反应器中的烟气温度高于硫酸氢铵的凝结温度,从而有效地控制由于硫酸铵盐凝结导致的催化剂及空气预热器的沾污积灰与腐蚀堵塞。当锅炉启停较为频繁时,通常需要采用省煤器烟气旁路系统,对于停炉后快速启动SCR装置运行具有重要作用。
2. 3 喷氨格栅
烟气脱硝装置中,氨的扩散、氨与氮氧化物的混合和分布效果是影响烟气脱硝效率和避免氨逃逸的关键因素之一。目前SCR 系统普遍采用的是喷氨格栅的方法,即将烟道截面分成20～50个大小不同的控制区域,每个区域有若干个喷射孔, 每个分区的流量单独可调,以匹配烟气中NOx 的浓度分布。工艺设计时,喷氨格栅的位置及喷嘴形式是根据锅炉尾部烟道的布置形式,通过模拟试验来选择的。同时,通过烟道设计的优化及加设烟气导流挡板,使进入SCR催化反应器内的烟气气流均匀,以免NOx 与NH3 的混合不充分和局部喷氨过量而影响脱硝效果及经济性,所以一般应尽可能使氨从远离反应器入口处喷入。SCR脱硝效率是通过喷氨量来调整的,因此喷氨部位的选取同NH3 /NOx 摩尔比一样重要,喷氨部位应在 NOx 浓度及烟气流速分布均匀的地方。加氨量是根据SCR入口NOx 浓度和允许的NOx 排放浓度决定的,并通过反馈信号来修正。以氨逃逸量作为反馈信号来控制加氨是不可靠的,因为很难精确测定NH3 的逃逸量。NH3 /NOx 摩尔比表示需要的喷氨量的多少,脱硝效率一般随NH3 /NOx 摩尔比的增大而增高,但当NH3 /NOx 摩尔比大于 1. 0时,氨逃逸量会急剧增大,同时氨氧化等副反应的反应速率也将增大。实际运行中通常将 NH3 /NOx 摩尔比控制在0. 75～1. 00[ 4 ] 。喷氨格栅通常布置省煤器出口烟道上,以达到预期的混合及分布效果,其下游通常需要足够长的混合距离。由于炉后空间的限制, SCR反应器只能采用高位布置,这使所需的连接烟道变长,系统阻力较大,设备基础荷载增大,从而使系统的投资及运行费用提高。为了克服现有的脱硝系统设计的缺陷,提出了一种喷氨格栅设置在锅炉省煤器下侧的烟气脱硝装置。这样,通过较短的烟道与SCR 反应器相连,在SCR 反应器的上部设有整流装置, SCR反应器中部设有催化剂床层,反应器下部接出口烟道。SCR反应器的进口采用与省煤器出口烟道处于同一标高或稍高的低位布置,或直接将SCR反应器置于喷氨格栅下侧,这些都能较好地解决常规喷氨格栅设置中存在的问题,从而降低系统的投资及运行成本。
3 SCR反应器的设计
SCR反应器是还原剂和烟气中的NOx 发生催化还原反应的场所,通常由碳钢制塔体、烟气进出口、催化剂放置层、人孔门、导流叶片等组成。反应器是烟气脱硝系统中最核心的设备,催化剂以单元模块形式叠放在若干层托架上,布置在反应器之中。
3. 1 SCR反应器壳体的设计
在SCR反应器壳体的设计中,要考虑良好的 NOx /NH3 混合和速度的均布,以保证脱硝效率。反应器壳体通常采用标准的板箱式结构,辅以各种加强筋和支撑构件来满足防震、承载催化剂、密封、承受荷载和抵抗应力的要求,并且实现与外界的隔热。
3. 2 催化剂的设计
在SCR烟气脱硝系统中,催化剂是SCR系统中的主要设备,其成分组成、结构、寿命及相关参数直接影响SCR系统脱硝效率及运行状况。一般要求SCR 的催化剂: (1)具有较高的NOx 选择性; (2)在较低的温度下和较宽的温度范围内,具有较高的催化活性; (3)具有较好的抗化学稳定性、热稳定性和机械稳定性; (4)费用较低。SCR反应器中的催化剂通常垂直布置,烟气自SCR反应器顶部垂直向下平行于催化剂表面流动。烟气在SCR反应器中的空塔速度是SCR的一个关键设计参数, 它是烟气体积流量与SCR反应器中催化剂体积的比值,反映了烟气在SCR反应器内停留时间的长短,烟气的空塔速度越大,其停留时间越短。在 SCR反应器里催化剂分层布置,一般为2～4层,当催化剂活性降低后,需依次逐层更换催化剂。催化剂的型式一般可分为平板式和蜂窝式两种。蜂窝式催化剂有较大的几何比表面积,防积尘和防堵塞性能较差,阻力损失大。板式催化剂比蜂窝式催化剂具有更好的防积尘和防堵塞性能,但受到机械或热应力作用时,其活性层容易脱落,且活性材料容易受到磨损,其骨架材料必须有耐酸性,以防达到露点温度时SO2 带来的危害。催化剂的两种形式各有优缺点:一般认为,脱硝装置布置在省煤器和空预器之间时,采用平板式催化剂和大孔径的蜂窝式催化剂都是可行的,脱硝装置布置在低含尘浓度的燃煤电厂时,会采用蜂窝式催化剂。从国外应用情况来看,推荐平板式和蜂窝式的厂商数量基本持平,另外从目前世界范围内的使用情况来看,两种形式的催化剂数量也基本相当。
SCR系统的性能主要由催化剂质量和反应条件所决定,在SCR反应器中催化剂体积越大,NOx 的脱除率越高,同时氨的逸出量也越少,然而SCR 工艺的费用也会显著增加。因此,在SCR系统的优化设计中,催化剂的体积是一个重要的参数。在最初的催化剂体积的设计中也应考虑适当放大催化剂的量,同时还需考虑反应器中有效区域的变化。研究发现,反应器中有些部位的温度常偏离设计温度,导致NOx 脱除率的改变,因此催化剂反应器的设计通常在平均温度的±15℃范围内进行。气流的入口装置应设计成可使烟气均匀流入SCR单元的所有部位,这样烟气的停留时间和 NOx 脱除率就有可能在催化剂反应器各个截面上相等。对于一个给定的NOx 脱除率来说, NH3 / NOx 化学计量比不应超过理论值的±5%。过大的偏离可能会降低脱硝反应,导致逸出氨的浓度增大,并需要更大的催化剂体积。设计中也要考虑到催化剂堵塞,其两个主要原因是铵盐的沉积和飞灰的沉积。一般来说,选择合理的催化剂节距和蜂窝尺寸、选用合适的SCR反应温度和催化剂内的烟气速度、在每层催化剂上布置多台耙式半伸缩蒸汽吹灰器或声波吹灰器、烟道和反应器的合理设计等措施,均可减少堵塞。
3. 3 吹灰器的设计
因燃煤机组的烟气中飞灰含量较高,通常在 SCR反应器中安装吹灰器,以除去覆盖在催化剂活性表面及堵塞气流通道的颗粒物,从而使反应器的压降保持在较低的水平。吹灰器通常为可伸缩的耙形结构,采用蒸汽或空气进行吹扫,一般每层催化剂的上面都设置吹灰器,各层吹灰器的吹扫时间错开,每个吹灰器的吹扫时间约为5 min, 每月吹灰一次。工程应用中,声波吹灰器也逐渐得到应用,声波清灰器释放声波,产生振动,使堆积在催化转换器表面的粉尘松脱,这样气流就可将粉尘带走。一般最上面一层吹灰器以20°角倾斜向下安装,其他层的吹灰器水平布置,第一层吹灰器倾斜安装主要是考虑偏转声波的指向性,使更多的声波能量作用于积灰面,角度的选择在于作用范围与指向性以及声波反射间的平衡,其他层吹灰器采用水平布置,主要是考虑两层之间的间距较小,声波可以在此空间内多次反射,形成良好的声场,有效地利用声能,除了可以吹扫下层的催化剂, 还可以对上层催化剂的底部进行吹扫[ 5 ] 。可以经常开启声波吹灰器,使催化反应器免受飞灰淤塞,合理安排声波吹灰器的运行周期, 可使催化剂积灰量处于稳定的低水平。
4 脱硝剂存储、制备、供应系统的设计
4. 1 还原剂选择
SCR烟气脱硝系统以氨作为还原介质,氨的提供有3种方式:液氨,氨水与尿素。从建设成本和运行费用等方面来看,液氨相对来说具有优越性,目前电厂锅炉SCR装置普遍使用的还原剂也是液氨。
4. 2 系统流程
液氨储存、制备、供应系统包括液氨卸料压缩机、储氨罐、液氨蒸发槽、氨气缓冲槽、稀释风机、混合器、氨气稀释槽、废水泵、废水池等。此套系统提供氨气供脱硝反应使用。液氨的供应可通过液氨槽车运送,利用液氨卸料压缩机将液氨由槽车输入液氨储槽内,储槽输出的液氨于液氨蒸发槽内蒸发为氨气,经氨气缓冲槽来控制一定的压力及流量,然后与稀释空气在混合器中混合均匀, 再送达脱硝系统。氨气系统紧急排放的氨气则排入氨气稀释槽中,经水吸收排入废水池,再由废水泵送至厂区废水处理系统进行处理。
下面主要介绍工艺设计中脱硝剂的存储和制备系统中的一些设备流程。
(1)卸料压缩机
卸料压缩机一般为往复式压缩机,压缩机抽取液氨储槽中的气态氨,经压缩后将槽车中的液氨推挤入液氨槽中。
由于槽车向储槽供氨的过程中,随着槽车中液氨量的减少,其压力也不断下降,甚至影响继续供氨,因此用卸料压缩机提高槽车内的压力,以保证其槽内的液氨可全部顺利卸出。卸氨系统主要由卸料压缩机和液氨槽车组成,这部分管道的设计需与槽车相配,而且与槽车接口的管道宜用不锈钢材质。
(2)液氨储槽
液氨储槽是SCR系统液氨储存的设备,一般为能承受一定压力载荷的罐体。储槽上安装有超流阀、逆止阀、紧急关断阀和安全阀作为储槽液氨泄漏保护作用。储槽还装有温度计、压力表、液位计和相应的变送器将信号送到脱硝控制系统,当储槽内温度或压力过高时报警。储槽四周安装有工业水喷淋管线及喷嘴,当储槽槽体温度过高时自动淋水装置启动,对槽体自动喷淋减温;当有微量氨气泄漏时也可启动自动淋水装置,对氨气进行吸收,控制氨气污染。
(3)液氨蒸发槽
液氨蒸发槽一般为螺旋管式。管内为液氨, 管外为温水浴,以蒸汽直接将水加热到40℃供液氨汽化,并加热至常温。蒸汽流量受蒸发槽本身水浴温度控制调节,当水的温度高过45℃时则切断蒸汽来源,并在控制室DCS上报警显示。蒸发槽上装有压力控制阀, 将氨气压力控制在0. 2 MPa,当出口压力达到0. 38 MPa时则切断液氨进料。在氨气出口管线上也装有温度检测器,当温度低于10℃时切断液氨,使氨气至缓冲槽维持适当温度及压力,蒸发槽也装有安全阀,可防止设备压力异常过高。
(4)氨气缓冲槽
从蒸发槽蒸发的氨气流进入氨气缓冲槽,通过调压阀减压到0. 18MPa,再经氨气输送管线送到锅炉侧的脱硝系统。缓冲槽的作用是保证氨气有一定的压力,稳定氨气的供应,避免受蒸发槽操作不稳定的影响。
(5)稀释风机
稀释风机的作用是将稀释风引入氨与空气混合系统。稀释风一是用于控制;二是作为NH3 的载体,通过喷氨格栅将NH3 在烟道中均匀分布; 三是稀释风通常在加热后混入,有助于氨气中水分的汽化。所以在引入稀释风后需要增加一个稀释风的加热器,通常采用蒸汽加热或电加热,个别工艺采用蒸汽加热为主、电加热器为辅的方式。管路设计中一般在风机进口处设置气动阀门,在风机出风口加装止回阀,避免因备用风机投用时, 停运风机倒转,使氨浓度短时超过安全范围。
(6)氨/空气混合器
氨气在进入喷氨格栅前需在氨/空气混合器中充分混合,以便于调节氨的浓度,同时有助于喷氨格栅中喷氨分布的均匀。由氨气流量控制器控制的氨气与来自稀释风机的空气以约1: 20的比例混合后经喷射器进入脱硝系统。
(7)氨气稀释槽
氨气稀释槽一般为立式水槽,水槽的液位由满溢流管线维持,稀释槽设计连结有槽顶淋水和槽侧进水。液氨系统各排放处所排出的氨气由管线汇集后从稀释槽低部进入,通过分散管将氨气分散入稀释槽水中,利用大量水来吸收安全阀排放的氨气。
(8)氨气泄漏检测器
液氨储存及供应系统周边设有氨气检测器, 以检测氨气的泄漏,并显示空气中氨的浓度。当检测器测得空气中氨浓度过高时,在机组控制室会发出警报,操作人员采取必要的措施,以防止氨气泄漏的异常情况发生。电厂液氨储存及供应系统宜设在炉后,并采取措施与周围系统作适当隔离。
(9)排放系统
液氨储存和供应系统的氨排放管路为一个封闭系统,将经由氨气稀释槽吸收成氨废水后排放至废水池,再经由废水泵送到废水处理系统。由于废水具有一定的腐蚀性,因此要求废水泵具备耐腐蚀性。
(10)氮气吹扫
液氨储存及供应系统保持系统的严密性,防止氨气的泄漏和氨气与空气的混合造成爆炸是最关键的安全问题。SCR系统的卸料压缩机、液氨储槽、氨气温水槽、氨气缓冲槽等都需备有氮气吹扫管线,在液氨卸料之前对以上设备要进行严格的系统严密性检查和氮气吹扫,防止氨气泄漏和系统中残余的空气混合而产生潜在的爆炸危险。在系统拆卸检修前,也必须对系统用氮气进行吹扫置换,达到要求后方可进行拆卸检修和动火。
5 结 语
目前国内已投入使用的机组大多数采用国外的SCR烟气脱硝技术,而我国的脱硝工作正处于启动阶段,尚未形成我国自主知识产权的技术,脱硝装置的设计、监测、调试、运行、管理等各方面的经验都相对缺乏。所以,在燃煤电厂锅炉SCR烟气脱硝系统工艺设计中,可以借鉴发达国家取得的经验来进行合理的优化设计,针对锅炉设计特点与燃煤特性,对SCR应用于我国燃煤电厂锅炉的适应性进行深入、全面、系统的试验研究,以提高SCR工艺对我国国情的适应性。
参考文献:
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[ 3 ] 陈进生. 火电厂烟气脱硝技术—选择性催化还原法 [M ]. 北京:中国电力出版社, 2008.
[ 4 ] 赵宗让. 电厂锅炉SCR 烟气脱硝系统设计优化 [ J ]. 中国电力, 2005, 38 (11) : 69 - 72.
[ 5 ] 孙克勤,钟 秦. 火电厂烟气脱硝技术及工程应用 [M ]. 北京:化学工业出版社, 2007.
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