火电厂SCR烟气脱硝工艺系统设计
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。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。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6mm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。
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。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。
