火電廠SCR煙氣脫硝工藝系統設計
摘要:隨著我國NOx 排放標準的提高,僅僅依靠燃燒過程控制已不能滿足要求,因此我國燃煤電廠今后將逐步建設煙氣脫硝裝置。主要介紹了火電廠煙氣脫硝主流技術———選擇性催化還原( SCR)煙氣脫硝系統技術的原理及工藝系統的設計。
關鍵詞:脫硝技術, SCR, 反應器, 催化劑
0 引 言
NOx 是近三十多年來受到極大關注的一種污染物。已經證明其危害主要有酸雨作用、誘發光化學煙霧等,也是引起溫室效應和光化學反應的主要物質之一,所以降低NOx 的排放也是當前應著重研究的方向[ 1 ] 。火電廠是最主要的NOx 排放源,“十一五”期間規劃開工的火電項目達 1. 41億kW,按照現在的NOx 控制政策,初步預測 2010年火電廠排放的NOx 將達850萬t左右。為此,國家出臺了一系列控制火電廠NOx 排放的法律、法規和政策,促使我國必須加快火電機組煙氣脫硝設施的建設,煙氣脫硝是新上火電機組控制 NOx 排放的必然選擇,也是國家環保政策的要求。減少NOx 排放的措施主要分為兩大類:燃燒過程控制和燃燒后煙氣脫硝技術。燃燒過程控制主要是通過降低爐膛內部最高溫度或減少煤粉在高溫區域的停留時間,從而抑制或減少燃燒過程中 NOx 的產生量,包括低NOx 燃燒器、燃燒優化調整、天然氣再燃、超細煤粉再燃等技術。煙氣脫硝技術包括選擇性催化還原( SCR)技術、選擇性非催化還原( SNCR)技術、SNCR /SCR 聯合煙氣脫硝技術、液體吸收法、微生物吸收法、活性炭吸附法、電子束法等。目前應用最廣、最有效的煙氣脫硝主流技術是SCR技術,它能達到90%以上的脫硝效率。
1 SCR煙氣脫硝系統技術原理
典型的燃煤電廠鍋爐選擇性催化還原( SCR) 煙氣脫硝系統采用氨(NH3 )作為還原介質,主要由供氨與噴氨系統、催化反應器、煙氣管道與控制系統等組成。SCR反應器通常布置在鍋爐省煤器出口與空氣預熱器入口之間。離開省煤器的熱煙氣在進入SCR反應器前,在遠離SCR反應器的上游煙道中噴入氨(NH3 ) ,與煙氣充分均勻混合后進入反應器[ 2 ] 。氨在反應器中催化劑的作用下, 選擇性地與煙氣中的NOx (主要為NO和少量的 NO2 )發生化學反應,將NOx 轉換成無害的氮氣 (N2 )和水蒸氣(H2O) ,從而完成脫硝過程。脫硝后的凈煙氣從反應器底部流出,經出口煙道進入下游的空氣預熱器。研究認為,在290～400℃有如下幾種反應:
4NO + 4NH3 +O2 →4N2 + 6H2O
NO +NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2O
6NO2 + 8NH3 →7N2 + 12H2O
2 煙道的設計
2. 1 進出口煙道的設計
進出口煙道一般由壁厚為6 mm 的鋼板制成,且有充分的加固和支撐,來防止過度的顫動和振動。在進、出煙道的轉彎處一般設置導流葉片, 導流葉片和轉彎處應考慮適當的防磨措施。當煙道為合金材料或者內襯時,內部導流葉片和水收集裝置應采用合金材料或耐酸鋼制作,而不能采用非合金襯里或涂層。為了避免連接的設備承受其他作用,要特別注意煙道和鋼支架的熱膨脹,熱膨脹將通過帶有內部導向板的膨脹節進行調節。在該段煙道設計中,可根據CFD分析結果確定導流葉片的位置、形狀和數量,根據流速和飛灰分布情況確定防磨板設置的位置[ 3 ] 。
2. 2 旁路設置
由于不同類型的催化劑有不同的最佳工作溫度。通常,典型的氧化鈦和氧化釩基催化劑的工作溫度范圍為340 ～400℃,最佳反應溫度約為 370℃,最低工作溫度約為320℃。SCR最低運行溫度取決于煙氣中SO3、NH3 的含量及水分等。 SCR反應器入口煙氣溫度較低時易發生硫酸銨鹽的沉積,煙氣溫度較高時會增大SO2 與SO3 的轉化率,而且長時間處在450℃以上時會燒結催化劑的活性表面,降低其反應活性。因此, SCR運行期間需嚴格控制反應器入口的煙氣溫度,使其維持在最低運行溫度以上,并應盡量維持在最佳工作溫度范圍內,以避免硫酸銨鹽的沉積,提高脫硝效率。因此,在煙氣系統中根據不同需要,可以設置SCR 反應器旁路和省煤器旁路, 分別描述如下。
2. 2. 1 SCR反應器旁路的設置
SCR反應器旁路設置的目的,一是為了機組在冷啟動時不使催化劑受到損害;二是為了機組在長期不脫硝時節約引風機的電耗。對于是否設置SCR反應器旁路,有兩種不同的觀點:
(1)設置旁路
此觀點認為,在機組啟動的時候(此時煙氣溫度還沒有到催化劑的反應溫度)使用旁路,以避免催化劑受到損害;另一個用途是機組在長期不脫硝的時候,煙氣通過旁路至空預器,以節約引風機的電耗。這種情況在美國應用較多,但設置旁路除了要增加擋板的投資外,同時為避免反應器冷卻后產生凝結水,還需設置反應器的加熱系統,因而將大大增加系統的投資。
(2)不設置旁路
此觀點認為,機組冷啟動的次數比較少,因此對催化劑的影響不會太大,而且設置旁路煙道時由于要增加擋板,投資比較高,系統也比較復雜。并且在長期不用旁路煙道時會造成擋板前積灰嚴重,開啟時容易卡澀,而擋板開啟瞬間又有大量灰進入空預器,可能會造成空預器堵灰而停用。
2. 2. 2 省煤器旁路的設置
省煤器旁路設置的目的是為了機組在低負荷運行時,保證SCR入口煙氣溫度高于反應溫度。一般對SCR入口溫度的要求是280～400℃。為使SCR催化劑在最佳工作溫度范圍內運行,通常設置省煤器煙氣旁路來調節SCR入口煙氣溫度, 目的是在鍋爐低負荷運行時保證SCR反應器中的煙氣溫度高于硫酸氫銨的凝結溫度,從而有效地控制由于硫酸銨鹽凝結導致的催化劑及空氣預熱器的沾污積灰與腐蝕堵塞。當鍋爐啟停較為頻繁時,通常需要采用省煤器煙氣旁路系統,對于停爐后快速啟動SCR裝置運行具有重要作用。
2. 3 噴氨格柵
煙氣脫硝裝置中,氨的擴散、氨與氮氧化物的混合和分布效果是影響煙氣脫硝效率和避免氨逃逸的關鍵因素之一。目前SCR 系統普遍采用的是噴氨格柵的方法,即將煙道截面分成20～50個大小不同的控制區域,每個區域有若干個噴射孔, 每個分區的流量單獨可調,以匹配煙氣中NOx 的濃度分布。工藝設計時,噴氨格柵的位置及噴嘴形式是根據鍋爐尾部煙道的布置形式,通過模擬試驗來選擇的。同時,通過煙道設計的優化及加設煙氣導流擋板,使進入SCR催化反應器內的煙氣氣流均勻,以免NOx 與NH3 的混合不充分和局部噴氨過量而影響脫硝效果及經濟性,所以一般應盡可能使氨從遠離反應器入口處噴入。SCR脫硝效率是通過噴氨量來調整的,因此噴氨部位的選取同NH3 /NOx 摩爾比一樣重要,噴氨部位應在 NOx 濃度及煙氣流速分布均勻的地方。加氨量是根據SCR入口NOx 濃度和允許的NOx 排放濃度決定的,并通過反饋信號來修正。以氨逃逸量作為反饋信號來控制加氨是不可靠的,因為很難精確測定NH3 的逃逸量。NH3 /NOx 摩爾比表示需要的噴氨量的多少,脫硝效率一般隨NH3 /NOx 摩爾比的增大而增高,但當NH3 /NOx 摩爾比大于 1. 0時,氨逃逸量會急劇增大,同時氨氧化等副反應的反應速率也將增大。實際運行中通常將 NH3 /NOx 摩爾比控制在0. 75～1. 00[ 4 ] 。噴氨格柵通常布置省煤器出口煙道上,以達到預期的混合及分布效果,其下游通常需要足夠長的混合距離。由于爐后空間的限制, SCR反應器只能采用高位布置,這使所需的連接煙道變長,系統阻力較大,設備基礎荷載增大,從而使系統的投資及運行費用提高。為了克服現有的脫硝系統設計的缺陷,提出了一種噴氨格柵設置在鍋爐省煤器下側的煙氣脫硝裝置。這樣,通過較短的煙道與SCR 反應器相連,在SCR 反應器的上部設有整流裝置, SCR反應器中部設有催化劑床層,反應器下部接出口煙道。SCR反應器的進口采用與省煤器出口煙道處于同一標高或稍高的低位布置,或直接將SCR反應器置于噴氨格柵下側,這些都能較好地解決常規噴氨格柵設置中存在的問題,從而降低系統的投資及運行成本。
3 SCR反應器的設計
SCR反應器是還原劑和煙氣中的NOx 發生催化還原反應的場所,通常由碳鋼制塔體、煙氣進出口、催化劑放置層、人孔門、導流葉片等組成。反應器是煙氣脫硝系統中最核心的設備,催化劑以單元模塊形式疊放在若干層托架上,布置在反應器之中。
3. 1 SCR反應器殼體的設計
在SCR反應器殼體的設計中,要考慮良好的 NOx /NH3 混合和速度的均布,以保證脫硝效率。反應器殼體通常采用標準的板箱式結構,輔以各種加強筋和支撐構件來滿足防震、承載催化劑、密封、承受荷載和抵抗應力的要求,并且實現與外界的隔熱。
3. 2 催化劑的設計
在SCR煙氣脫硝系統中,催化劑是SCR系統中的主要設備,其成分組成、結構、壽命及相關參數直接影響SCR系統脫硝效率及運行狀況。一般要求SCR 的催化劑: (1)具有較高的NOx 選擇性; (2)在較低的溫度下和較寬的溫度范圍內,具有較高的催化活性; (3)具有較好的抗化學穩定性、熱穩定性和機械穩定性; (4)費用較低。SCR反應器中的催化劑通常垂直布置,煙氣自SCR反應器頂部垂直向下平行于催化劑表面流動。煙氣在SCR反應器中的空塔速度是SCR的一個關鍵設計參數, 它是煙氣體積流量與SCR反應器中催化劑體積的比值,反映了煙氣在SCR反應器內停留時間的長短,煙氣的空塔速度越大,其停留時間越短。在 SCR反應器里催化劑分層布置,一般為2～4層,當催化劑活性降低后,需依次逐層更換催化劑。催化劑的型式一般可分為平板式和蜂窩式兩種。蜂窩式催化劑有較大的幾何比表面積,防積塵和防堵塞性能較差,阻力損失大。板式催化劑比蜂窩式催化劑具有更好的防積塵和防堵塞性能,但受到機械或熱應力作用時,其活性層容易脫落,且活性材料容易受到磨損,其骨架材料必須有耐酸性,以防達到露點溫度時SO2 帶來的危害。催化劑的兩種形式各有優缺點:一般認為,脫硝裝置布置在省煤器和空預器之間時,采用平板式催化劑和大孔徑的蜂窩式催化劑都是可行的,脫硝裝置布置在低含塵濃度的燃煤電廠時,會采用蜂窩式催化劑。從國外應用情況來看,推薦平板式和蜂窩式的廠商數量基本持平,另外從目前世界范圍內的使用情況來看,兩種形式的催化劑數量也基本相當。
SCR系統的性能主要由催化劑質量和反應條件所決定,在SCR反應器中催化劑體積越大,NOx 的脫除率越高,同時氨的逸出量也越少,然而SCR 工藝的費用也會顯著增加。因此,在SCR系統的優化設計中,催化劑的體積是一個重要的參數。在最初的催化劑體積的設計中也應考慮適當放大催化劑的量,同時還需考慮反應器中有效區域的變化。研究發現,反應器中有些部位的溫度常偏離設計溫度,導致NOx 脫除率的改變,因此催化劑反應器的設計通常在平均溫度的±15℃范圍內進行。氣流的入口裝置應設計成可使煙氣均勻流入SCR單元的所有部位,這樣煙氣的停留時間和 NOx 脫除率就有可能在催化劑反應器各個截面上相等。對于一個給定的NOx 脫除率來說, NH3 / NOx 化學計量比不應超過理論值的±5%。過大的偏離可能會降低脫硝反應,導致逸出氨的濃度增大,并需要更大的催化劑體積。設計中也要考慮到催化劑堵塞,其兩個主要原因是銨鹽的沉積和飛灰的沉積。一般來說,選擇合理的催化劑節距和蜂窩尺寸、選用合適的SCR反應溫度和催化劑內的煙氣速度、在每層催化劑上布置多臺耙式半伸縮蒸汽吹灰器或聲波吹灰器、煙道和反應器的合理設計等措施,均可減少堵塞。
3. 3 吹灰器的設計
因燃煤機組的煙氣中飛灰含量較高,通常在 SCR反應器中安裝吹灰器,以除去覆蓋在催化劑活性表面及堵塞氣流通道的顆粒物,從而使反應器的壓降保持在較低的水平。吹灰器通常為可伸縮的耙形結構,采用蒸汽或空氣進行吹掃,一般每層催化劑的上面都設置吹灰器,各層吹灰器的吹掃時間錯開,每個吹灰器的吹掃時間約為5 min, 每月吹灰一次。工程應用中,聲波吹灰器也逐漸得到應用,聲波清灰器釋放聲波,產生振動,使堆積在催化轉換器表面的粉塵松脫,這樣氣流就可將粉塵帶走。一般最上面一層吹灰器以20°角傾斜向下安裝,其他層的吹灰器水平布置,第一層吹灰器傾斜安裝主要是考慮偏轉聲波的指向性,使更多的聲波能量作用于積灰面,角度的選擇在于作用范圍與指向性以及聲波反射間的平衡,其他層吹灰器采用水平布置,主要是考慮兩層之間的間距較小,聲波可以在此空間內多次反射,形成良好的聲場,有效地利用聲能,除了可以吹掃下層的催化劑, 還可以對上層催化劑的底部進行吹掃[ 5 ] 。可以經常開啟聲波吹灰器,使催化反應器免受飛灰淤塞,合理安排聲波吹灰器的運行周期, 可使催化劑積灰量處于穩定的低水平。
4 脫硝劑存儲、制備、供應系統的設計
4. 1 還原劑選擇
SCR煙氣脫硝系統以氨作為還原介質,氨的提供有3種方式:液氨,氨水與尿素。從建設成本和運行費用等方面來看,液氨相對來說具有優越性,目前電廠鍋爐SCR裝置普遍使用的還原劑也是液氨。
4. 2 系統流程
液氨儲存、制備、供應系統包括液氨卸料壓縮機、儲氨罐、液氨蒸發槽、氨氣緩沖槽、稀釋風機、混合器、氨氣稀釋槽、廢水泵、廢水池等。此套系統提供氨氣供脫硝反應使用。液氨的供應可通過液氨槽車運送,利用液氨卸料壓縮機將液氨由槽車輸入液氨儲槽內,儲槽輸出的液氨于液氨蒸發槽內蒸發為氨氣,經氨氣緩沖槽來控制一定的壓力及流量,然后與稀釋空氣在混合器中混合均勻, 再送達脫硝系統。氨氣系統緊急排放的氨氣則排入氨氣稀釋槽中,經水吸收排入廢水池,再由廢水泵送至廠區廢水處理系統進行處理。
下面主要介紹工藝設計中脫硝劑的存儲和制備系統中的一些設備流程。
(1)卸料壓縮機
卸料壓縮機一般為往復式壓縮機,壓縮機抽取液氨儲槽中的氣態氨,經壓縮后將槽車中的液氨推擠入液氨槽中。
由于槽車向儲槽供氨的過程中,隨著槽車中液氨量的減少,其壓力也不斷下降,甚至影響繼續供氨,因此用卸料壓縮機提高槽車內的壓力,以保證其槽內的液氨可全部順利卸出。卸氨系統主要由卸料壓縮機和液氨槽車組成,這部分管道的設計需與槽車相配,而且與槽車接口的管道宜用不銹鋼材質。
(2)液氨儲槽
液氨儲槽是SCR系統液氨儲存的設備,一般為能承受一定壓力載荷的罐體。儲槽上安裝有超流閥、逆止閥、緊急關斷閥和安全閥作為儲槽液氨泄漏保護作用。儲槽還裝有溫度計、壓力表、液位計和相應的變送器將信號送到脫硝控制系統,當儲槽內溫度或壓力過高時報警。儲槽四周安裝有工業水噴淋管線及噴嘴,當儲槽槽體溫度過高時自動淋水裝置啟動,對槽體自動噴淋減溫;當有微量氨氣泄漏時也可啟動自動淋水裝置,對氨氣進行吸收,控制氨氣污染。
(3)液氨蒸發槽
液氨蒸發槽一般為螺旋管式。管內為液氨, 管外為溫水浴,以蒸汽直接將水加熱到40℃供液氨汽化,并加熱至常溫。蒸汽流量受蒸發槽本身水浴溫度控制調節,當水的溫度高過45℃時則切斷蒸汽來源,并在控制室DCS上報警顯示。蒸發槽上裝有壓力控制閥, 將氨氣壓力控制在0. 2 MPa,當出口壓力達到0. 38 MPa時則切斷液氨進料。在氨氣出口管線上也裝有溫度檢測器,當溫度低于10℃時切斷液氨,使氨氣至緩沖槽維持適當溫度及壓力,蒸發槽也裝有安全閥,可防止設備壓力異常過高。
(4)氨氣緩沖槽
從蒸發槽蒸發的氨氣流進入氨氣緩沖槽,通過調壓閥減壓到0. 18MPa,再經氨氣輸送管線送到鍋爐側的脫硝系統。緩沖槽的作用是保證氨氣有一定的壓力,穩定氨氣的供應,避免受蒸發槽操作不穩定的影響。
(5)稀釋風機
稀釋風機的作用是將稀釋風引入氨與空氣混合系統。稀釋風一是用于控制;二是作為NH3 的載體,通過噴氨格柵將NH3 在煙道中均勻分布; 三是稀釋風通常在加熱后混入,有助于氨氣中水分的汽化。所以在引入稀釋風后需要增加一個稀釋風的加熱器,通常采用蒸汽加熱或電加熱,個別工藝采用蒸汽加熱為主、電加熱器為輔的方式。管路設計中一般在風機進口處設置氣動閥門,在風機出風口加裝止回閥,避免因備用風機投用時, 停運風機倒轉,使氨濃度短時超過安全范圍。
(6)氨/空氣混合器
氨氣在進入噴氨格柵前需在氨/空氣混合器中充分混合,以便于調節氨的濃度,同時有助于噴氨格柵中噴氨分布的均勻。由氨氣流量控制器控制的氨氣與來自稀釋風機的空氣以約1: 20的比例混合后經噴射器進入脫硝系統。
(7)氨氣稀釋槽
氨氣稀釋槽一般為立式水槽,水槽的液位由滿溢流管線維持,稀釋槽設計連結有槽頂淋水和槽側進水。液氨系統各排放處所排出的氨氣由管線匯集后從稀釋槽低部進入,通過分散管將氨氣分散入稀釋槽水中,利用大量水來吸收安全閥排放的氨氣。
(8)氨氣泄漏檢測器
液氨儲存及供應系統周邊設有氨氣檢測器, 以檢測氨氣的泄漏,并顯示空氣中氨的濃度。當檢測器測得空氣中氨濃度過高時,在機組控制室會發出警報,操作人員采取必要的措施,以防止氨氣泄漏的異常情況發生。電廠液氨儲存及供應系統宜設在爐后,并采取措施與周圍系統作適當隔離。
(9)排放系統
液氨儲存和供應系統的氨排放管路為一個封閉系統,將經由氨氣稀釋槽吸收成氨廢水后排放至廢水池,再經由廢水泵送到廢水處理系統。由于廢水具有一定的腐蝕性,因此要求廢水泵具備耐腐蝕性。
(10)氮氣吹掃
液氨儲存及供應系統保持系統的嚴密性,防止氨氣的泄漏和氨氣與空氣的混合造成爆炸是最關鍵的安全問題。SCR系統的卸料壓縮機、液氨儲槽、氨氣溫水槽、氨氣緩沖槽等都需備有氮氣吹掃管線,在液氨卸料之前對以上設備要進行嚴格的系統嚴密性檢查和氮氣吹掃,防止氨氣泄漏和系統中殘余的空氣混合而產生潛在的爆炸危險。在系統拆卸檢修前,也必須對系統用氮氣進行吹掃置換,達到要求后方可進行拆卸檢修和動火。
5 結 語
目前國內已投入使用的機組大多數采用國外的SCR煙氣脫硝技術,而我國的脫硝工作正處于啟動階段,尚未形成我國自主知識產權的技術,脫硝裝置的設計、監測、調試、運行、管理等各方面的經驗都相對缺乏。所以,在燃煤電廠鍋爐SCR煙氣脫硝系統工藝設計中,可以借鑒發達國家取得的經驗來進行合理的優化設計,針對鍋爐設計特點與燃煤特性,對SCR應用于我國燃煤電廠鍋爐的適應性進行深入、全面、系統的試驗研究,以提高SCR工藝對我國國情的適應性。
參考文獻:
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