燃煤锅炉烟气脱硝（SCR法）工艺流程及性能的设计与应用.doc

W形火焰超临界锅炉中SCR法脱硝的设计研究陈慧雁1，李光辉2，耿玉峰3（1,浙大网新机电环保工程有限公司,浙江杭州,310007; 2,大唐华银金竹山发电厂,湖南冷水江,417503;3,华能九台电厂,吉林九台,130500） 摘要 本文从分析W型火焰炉上整体布置方案入手，着重分析了选择性催化还原（SCR）脱硝原理，工艺流程、及脱硝岛在炉膛中的布置方案，脱硝烟道设计优化，及对后续设备的影响等。关键词 w型超临界锅炉，SCR法，减排中图分类号: TK296.8Designing research of de-nitrification(SCR Technology) in w form Supercritical power plants boiler Chen Huiyan1 ，Li Guanghui2，Geng Yufeng3（1, Insigma Mechanical & Electrical Engineering Co., Ltd, ZheJiang HangZhou 310007； 2， Da Tang HuaYin Jinzhushang Power Plant，HuNan Lengshuijiang， 417503；3，HuaNeng JiuTai power plant，JiLin JiuTai，130500）Abstract This article analyses w form boilers arrangement ,. Optimizing de-nitrification(SCR Technology) Principle 、technical process、and SCR reaction towers arrangement in w form boiler, duck designing Optimization,and harming to downriver equipments.etcKey words w supcritic form boiler , de-nitrification applied in SCR technic, Reducing the platoon1 前言随着我国经济建设步伐的加快，全国用电负荷需求急剧上升，新建扩建燃煤电站如雨后春笋般在中国大地上全面铺开。燃煤电站给我们带来经济效益的同时，也带来了一定的负面效应。燃煤火电厂是氮氧化物NOx(主要是NO、NO2、及少量N2O等)排放的主要来源之一，我国燃煤电厂NOx排放量估算为640万t/a左右。在大气中的过量存在将对人类生存的环境造成污染，如导致酸雨腐蚀土地和建筑、生成有害的地面层臭氧烟雾等。由于燃煤电厂的建设，导致NOx污染物排放量成逐年递增趋势，电厂的排放量已严重超过国家环保标准。由此带来的环境污染已严重损害了人类可持续发展，所以火电站锅炉不得不采取有效措施来减排电厂的NOx污染物量。2 W形火焰炉燃烧特点,及NOx 生成机理和减排技术“W”火焰超临界锅炉适合于燃用难着火和难燃尽的低挥发份无烟煤；其主要特点是结渣特性轻微、灰沾污特性轻微、灰磨损特性严重； W火焰燃烧方式，采用24只浓缩型低NOX双调风旋流燃烧器分别布置在炉膛前后拱上，火焰下冲后折返向上形成"W"形，增加了火焰行程，延长了煤粉气流在炉膛中的滞留时间，提高锅炉燃烧效率。这种燃烧器提高了煤粉浓度，低NOX排放,有利于解决无烟煤的着火和燃尽问题。该燃烧器的主要特点是可以获得更高的煤粉浓度和分级送风。通常燃烧温度下，煤燃烧生成的NOx在烟气中的含量为<1%, 其中, NO占NOx的90%以上, NO2 占510%,而N2O只占1%左右。在煤燃烧过程中，生成NOx的途径有三个：（1）燃料型NOx，它是燃料中含有的氮化物在燃烧过程中热分解而又接着氧化生成；（2）快速型NO ，它是燃烧时空气中的氮与燃料中的碳氢粒子团反应生成的。虽然“W”火焰超临界锅炉对减少NOx排放有利，NOx排放量（6O2）仅900mg/Nm3;但仅依靠炉内控制NOx排放达不到环保标准，需要在锅炉尾部加装烟气脱硝装置。目前烟气脱硝的比较成熟的技术是选择性催化还原（SCR）与选择性非催化还原(SNCR),其中SCR烟气脱硝技术更受青睐，脱硝率可达90以上，是国内外应用最多、最成熟的技术。3 SCR法烟气脱硝工程的工艺流程及设计特点3.1 SCR法烟气脱硝技术原理SCR烟气脱硝系统采用氨气(NH3)作为还原介质,SCR DeNOx系统的主要组成部分包括装催化剂的反应器系统、烟道系统、还原剂氨储存系统及还原剂氨注入系统，国外较多使用无水液氨。基本原理是把符合要求的氨气喷入到烟道中，与原烟气充分混合后进入反应塔，在催化剂的作用下，并在有氧气的条件下，选择性地与烟气中的NOx（主要是NO、NO2）发生化学反应，生成无害的氮气（N2）和水（H2O）,见图2.1，主要反映化学方程式为: 4NO+4NH3+O2=4N26H2O (1)6NO2+8NH3=7N212H2O (2)选择性反应意味着不发生NH3与SO2的反应，但在催化剂的作用下，烟气中的少量SO2会被氧化成SO3，其氧化程度通常用SO2/SO3转化率表示，在有水的条件下，在SCR中未反应的的氨与烟气中的SO3反应生成硫酸氢氨(NH4HSO4)与硫酸氨（NH4）SO4）等一些对反应有害的物质。图3.1 SCR法反应塔、催化剂原理图3.2 SCR法脱硝工艺流程简介SCR法工艺系统流程主要由贮氨、混氨、喷氨、反应塔（催化剂）系统、烟道及控制系统等组成。首先，液氨由汽车运送到液氨储罐贮藏，无水液氨的储存压力取决于储罐的温度（例如20OC时压力为10bar），液氨通过蒸发器中的蒸汽、热水，被减压蒸发输送到氨蒸发罐，通过鼓风机向氨气、空气混和器中鼓入与氨量成一定配比的空气，其作用一是稀释纯氨气，二是增加反应塔中的氧含量；经稀释的氨气通过喷射系统中的许多喷射喷嘴被注入到烟道隔栅中，与原烟气混合，这样，从锅炉省煤器后出来的烟气在空预器入口烟道处被旁路风门隔断，进入反应塔烟道，到达反应塔内，在催化剂的作用下，烟气中的NOx与氨气发生化学反应。当反应塔故障需停下检修时，烟气从反应塔前设置的100烟气旁路通过，可使锅炉连续正常运行。3.3 “W”火焰超临界锅炉SCR法脱硝反应塔布置方案国内外电站脱硝应用最多的是高温、高飞灰烟气段布置方式，反应塔直接安装在省煤器与空气预热器之间,布置在静电除尘器前面, 优点是进入反应塔的烟温为320430 OC，适合于大多数催化剂所要求的工作温度，由于烟温很高，不需要再加热，初投资及运行费用较低，技术成熟，性价比最高；不足之处是此段烟气飞灰含量高，易引起催化剂表面磨损，必要时需对催化剂进行硬化处理，催化剂孔径易被飞灰颗粒和硫酸氢氨晶体堵塞，且飞灰当中的重金属（镉、砷）易引起催化剂中毒，表面失去活性，图3.3.1为国内工程中常用到的布置方式,SCR反应塔入口烟道垂直布置,还原剂氨喷射系统尽量高位布置, 且喷射方向与烟气流向相同，有利于烟气与氨混合均匀、充分反应；考虑到“W”火焰超临界锅炉可适量减少NOx排放，NOx排放量（6O2）仅900mg/Nm3;在SCR反应塔中只设置3层催化剂安装空间，根据设计的脱硝效率，运行初期布置2层催化剂即可，布置增加催化剂层数，虽有利脱硝效率，但会增加烟道阻力，加大吸风机、增压风机的功耗；虽然“W”火焰超临界锅炉燃用无烟煤，煤燃尽率高，灰份较少，但催化剂上沾满灰，将阻隔其与烟气的反应活性，且增加烟气阻力，所以在2层催化剂上方各布置一只长颈吹灰器，定期高温蒸汽吹灰，保持催化剂活性，防治催化剂毛孔堵塞。 图3.3.1为高温高灰烟气段典型布置方式 图3.3.2 SCR法脱硝典型工艺流程图4 SCR法脱硝工艺设计中的应注意事项4.1 SCR反应塔入口烟道设计要求 从外部环境讲，燃煤电站SCR法脱硝效率与锅炉尾部外形设计、 燃用煤种、燃烧布置方式、及锅炉运行工况等密切相关；而从内部环境讲，脱硝效率的高低取决于反应塔入口烟气速度、烟气中NH3与NOx混合物在催化剂截面上的浓度均匀度分布、入口烟气温度分布、烟气混合物在催化剂中的停留时间等。 为达到以上要求，国外各脱硝公司除了对反应塔的结构设计上进行CFD模拟，使阻力尽量小、催化剂槽路的尺寸（水力直径）要适中外，尽量优化反应塔入口烟道设计，减少异型件使用，避免烟气在烟道中产生涡流、激荡，影响混合物的均匀度。国外公司在这方面的设计已很成熟，在90度弯道区采用导流叶片，导流叶片的位置和设计是基于一个1：10比例的流量模型测试而定的，并设计成垂向立式结构，数块导向板布置成不等距结构，这是因为烟气在弯道处将产生严重的不稳定、不等量过流，在弯烟道内壁附近易形成层涡流，依据理论和软件模拟计算把导流板在弯道处不等距布置，可明显减小涡流作用；并且建议在距省煤器出口的弯头导流板约2米的地方设置喷氨隔栅，有利于混合均匀；飞灰整流器安装在最上层催化剂上方，可减少系统阻力，降低引风机电耗，W型超临界锅炉由于燃用无烟煤，低氮，不完全燃烧损失较大，会在催化剂毛细孔上沉积细小固体颗粒（粗灰和焦粒），建议在省煤器烟道拐角处加装一灰斗，把沉积的颗粒定期排走，以免在烟气流的扰动作用下，旋起影响整个脱硝岛的吸收性能及增大整个系统的阻力，最终影响SCR法的性能指标。4.2氨逸出量及对反应塔下游设备的影响离开反应塔而未反应掉的氨气量叫氨逃逸，加氨量是由PLC控制，根据SCR前NOx数值和规定的NOx排放值进行比较，用反馈信号来修正喷氨量；现场很难精确测定NH3逃逸量，不能用NH3逃逸量作为反馈信号来控制喷氨量。脱硝效率一般会随NH3/NOx摩尔比的增大而增大，当其摩尔比大于1.0时, NH3逃逸量会急剧上升，同时，其他副反应速率也加快；但是，丹麦托普索公司从工业试验中得到数据，仅靠提高几个百分点的NH3/NOx摩尔比，催化剂体积就可减少约30，也能达到同样的NOx降低率，因此，在可接受最大的氨逸出量的条件下，对所需要的催化剂体积的大小具有重要作用，氨逸出量早期控制值为5ppm，但现在设计要求控制值为23ppm。当SCR布置在空预器前时，氨逸出会导致，污染静电除尘器中的飞尘质量，使FGD废水及空予器清洗水中氨含量增大，生成硫酸氨盐类造成催化剂与空预器堵塞、磨损、腐蚀等。硫酸氨盐的生成量与SO3浓度有直接关系，SO3的生成量来源于以下两个方面：煤燃烧生成的和SO2在催化剂的作用下氧化形成的,一般设计要求SCR中SO2/SO3转化率<1%；硫酸氨盐沉积在空予器换热片上,引起低温结垢腐蚀,必要时电厂可在空预器低温段采用搪瓷材料；而ABS（硫酸氢氨）会暂时降低催化剂活性。 6 结束语SCR法因其活性高、选择性强，国内脱硝工艺首选SCR法;随着国家节能减排实施力度加大，国内在学习、借鉴发达国家成功经验与教训的同时，加大脱硝研发力度、推广脱硝技术、装备国产化，整体降低NOx排放，为中国生态可持续发展作出贡献。参考文献:1 Per Morsing, Torben Slabiak丹麦托普索公司选择性催化还原脱硝SCR DENOx基本工艺设计说明，2004.2 赵宗让，大型燃煤电站锅炉烟气脱硝（SCR）系统的设计特点与工程应用,中国电力，2005.3 Roland Kiefer,et al.Post combustion NOx control measures and operateing exrerienceJ.Power Gen Euroupe ,2001. 4四大锅炉厂超临界参数“W”火焰锅炉技术介绍资料.作者简介：陈慧雁（1977），女，硕士，工程师，就职于浙大网新机电环保工程部，从事脱硫、脱硝研究设计工作。