SCR 脫硝技術(shù)在廣州恒運(yùn)熱電廠300MW機(jī)組上的應(yīng)用
摘要: 近年來(lái)國(guó)家環(huán)保總局已批復(fù)20 個(gè)左右的電廠要求安裝煙氣脫硝裝置, 采用的工藝有SCR、SNCR 和SNCR+SCR 組合, 但使用較多的還是SCR 工藝。結(jié)合廣州恒運(yùn)熱電廠的SCR 脫硝項(xiàng)目, 介紹了SCR 工藝的原理、流程、技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)行成本分析等, 闡述了SCR 工藝具有技術(shù)成熟、運(yùn)行易于控制、安全可靠、脫硝率高、運(yùn)行成本比較低等優(yōu)點(diǎn), 針對(duì)SCR 工藝存在的空氣預(yù)熱器積鹽堵塞提出了預(yù)防措施: ( 1) 降低氨氣逃逸量, 嚴(yán)格控制在3×10- 6 以下; ( 2) 采用低SO2/SO3 轉(zhuǎn)化率的脫硝催化劑; ( 3) 降低飛灰含碳量; ( 4) 選擇合適的空氣預(yù)熱器和吹灰系統(tǒng); ( 5) 采用低過(guò)量空氣燃燒方式。
關(guān)鍵詞: 火電廠, 煙氣脫硝, SCR 脫硝, 氨氣, 蒸汽吹掃
廣州恒運(yùn)熱電廠擴(kuò)建2 臺(tái)300MW燃煤發(fā)電機(jī)組, 根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局環(huán)審[ 2005] 292 號(hào)文件要求, 該項(xiàng)目要同步建設(shè)煙氣脫硫和脫硝裝置, 配套的煙氣脫硝工藝是引進(jìn)德國(guó)魯奇能捷斯集團(tuán)的選擇性催化還原法( SCR) 全煙氣脫硝。
1 脫硝原理
脫硝裝置采用高塵布置的方式: SCR 反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間。在反應(yīng)器中, 噴入的氨氣與煙氣中NOx 在催化劑和280～420 ℃溫度作用下, 發(fā)生如下脫硝反應(yīng):
4NO+ 4NH3 +O2 = 4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NH3 +O2 = 3N2 + 6H2O
6NO+ 4NH3 = 5N2 + 6H2O
6NO2+ 8NH3 = 7N2 + 12H2O
脫硝產(chǎn)物是氣態(tài)N2 和H2O, 隨煙氣排向大氣, 不會(huì)造成二次污染。
2 工藝流程及設(shè)計(jì)參數(shù)
2.1 工藝流程
每臺(tái)300 MW 機(jī)組配置2 個(gè)脫硝反應(yīng)器, 2 臺(tái)300 MW 機(jī)組共用1 套氨系統(tǒng), 其工藝流程見(jiàn)圖1。
|
圖1 廣州恒運(yùn)熱電擴(kuò)建300 MW 機(jī)組煙氣脫硝工藝流程 |
煙氣從鍋爐省煤器出來(lái)后分2 路, 每路煙氣進(jìn)入一個(gè)脫硝反應(yīng)器, 在反應(yīng)器中完成脫硝反應(yīng), 進(jìn)入空氣預(yù)熱器, 經(jīng)脫硫、除塵煙氣凈化處理后排入大氣。每個(gè)脫硝反應(yīng)器設(shè)有旁路, 煙氣可以從省煤器出來(lái)后經(jīng)旁路直接進(jìn)入空氣預(yù)熱器。
脫硝用的氨氣是由液氨儲(chǔ)存罐中液氨經(jīng)加熱蒸發(fā)產(chǎn)生的濃氨氣, 與稀釋空氣風(fēng)機(jī)送來(lái)的風(fēng)在混合器中稀釋混合后, 噴入脫硝反應(yīng)器。
脫硝反應(yīng)器中采用蜂窩狀催化劑, 這種催化劑比表面積大, 有利于氨氣與煙氣中的氮氧化物進(jìn)行充分反應(yīng)。由于脫硝反應(yīng)器采用高塵布置, 運(yùn)行中在催化劑表面會(huì)積灰, 必須采用蒸汽定期吹掃。每層催化劑都布置蒸汽吹掃裝置, 吹掃蒸汽取自鍋爐吹掃蒸汽系統(tǒng)。
2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)
300MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。
|
表1 煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)
|
3 運(yùn)行控制
3.1 氨氣投加控制
液氨經(jīng)過(guò)加熱器蒸發(fā)產(chǎn)生氨氣, 在混合器中被空氣稀釋成氨氣體積分?jǐn)?shù)為5%的氣體, 噴入反應(yīng)器中進(jìn)行脫硝反應(yīng), 稀釋的氨氣質(zhì)量濃度是根據(jù)純氨氣給料來(lái)控制的。氨氣投加量根據(jù)反應(yīng)器進(jìn)出口 NOx 質(zhì)量濃度差來(lái)調(diào)整控制, 氨氣系統(tǒng)設(shè)有反應(yīng)器低溫、高溫保護(hù)以及反應(yīng)器進(jìn)出口壓差保護(hù), 當(dāng)溫度低于280 ℃或高于420 ℃時(shí), 氨氣停止投加; 當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)出壓差超過(guò)設(shè)定值時(shí), 氨氣也要停止投加。
3.2 吹灰控制
吹灰采用蒸汽吹掃方式, 吹灰頻率根據(jù)反應(yīng)器進(jìn)出壓差來(lái)調(diào)整控制。
4 工藝特點(diǎn)
4.1 無(wú)固體廢物和廢水產(chǎn)生
氨與煙氣中的氮氧化物在催化劑作用下完成脫硝反應(yīng), 反應(yīng)產(chǎn)物是氣態(tài)N2 和H2O, 隨煙氣排向大氣。反應(yīng)過(guò)程在氣相中進(jìn)行, 反應(yīng)溫度為280～ 420 ℃, 無(wú)水參與反應(yīng), 也沒(méi)有氣態(tài)水冷凝。所以, SCR 煙氣脫硝工藝無(wú)固體廢物和廢水產(chǎn)生。
4.2 脫硝反應(yīng)充分、氨氣逃逸少
反應(yīng)器殼體為長(zhǎng)方體, 垂直布置, 煙氣沿垂直方向自上而下流至空氣預(yù)熱器。在殼體內(nèi)水平布置多層蜂窩狀催化劑, 煙氣沿催化劑孔隙穿流而過(guò), 這樣使煙氣在反應(yīng)器內(nèi)均勻布置。氨氣從反應(yīng)器進(jìn)口噴入, 隨煙氣經(jīng)過(guò)反應(yīng)器入口導(dǎo)流板、均流器后, 進(jìn)入催化劑層, 使氨氣在煙氣中混合均勻。氨氣與煙氣中的氮氧化物充分接觸, 反應(yīng)完全, 脫硝率高達(dá)80% 以上; 殘留氨氣少, 可控制氨氣逃逸率在3×10-6 以下。
4.3 與主機(jī)鍋爐聯(lián)系密切
反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間, 設(shè)有旁路, 可以實(shí)現(xiàn)SCR 煙氣脫硝裝置的在線檢修和催化劑更換。從結(jié)構(gòu)上講, 支撐脫硝裝置的鋼架與鍋爐鋼架連在一起, 而且, 脫硝裝置的運(yùn)行與主機(jī)鍋爐運(yùn)行也密切相關(guān), 因此, 控制系統(tǒng)可以做在一起, 這樣使運(yùn)行管理既方便又安全可靠。
4.4 催化劑要定期更換
反應(yīng)器中催化劑長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后, 催化反應(yīng)的效能會(huì)慢慢下降, 直至失效。SCR 煙氣脫硝裝置運(yùn)行引起催化劑失效原因有化學(xué)和物理2 個(gè)方面因素。煤在鍋爐中燃燒會(huì)產(chǎn)生重金屬, 隨煙氣進(jìn)入脫硝反應(yīng)器, 與催化劑發(fā)生置換反應(yīng), 引起催化劑化學(xué)中毒, 這是化學(xué)方面的原因。催化劑表面積灰, 也會(huì)引起失效, 這就是物理方面的原因。
4.5 工藝簡(jiǎn)單、易于控制
在鍋爐左側(cè)、右側(cè)排煙各裝1 個(gè)反應(yīng)器, 2 臺(tái)鍋爐共4 個(gè)反應(yīng)器, 4 個(gè)反應(yīng)器共用1 套氨氣系統(tǒng), 工藝簡(jiǎn)單。脫硝反應(yīng)過(guò)程僅需要投加氨氣, 運(yùn)行中定期吹灰, 加氨和吹灰比較容易控制。
5 運(yùn)行中注意事項(xiàng)
5.1 防止空氣預(yù)熱器積鹽堵塞
氨氣是堿性物質(zhì), 與煙氣中的酸性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)生成鹽類物質(zhì), 如硫酸氫銨、硫酸銨等。
SO2+1/2O2=SO3
NH3+SO3+H2O=NH4HSO4
2NH3+SO3+H2O=(NH4)2SO4
化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物隨煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器后, 煙氣與冷空氣發(fā)生熱交換, 溫度降低, 達(dá)130 ℃, 硫酸氫銨、硫酸銨在空氣預(yù)熱器換熱板上冷凝析出晶體物質(zhì)與煙塵粘結(jié)一起沉積在空氣預(yù)熱器, 造成空氣預(yù)熱器堵塞。防止堵塞主要措施有: ( 1) 降低氨氣逃逸量, 嚴(yán)格控制在3×10-6 以下; ( 2) 采用低SO2/SO3 轉(zhuǎn)化率的脫硝催化劑; ( 3) 降低飛灰含碳量; ( 4) 選擇合適的空氣預(yù)熱器和吹灰系統(tǒng); ( 5) 采用低過(guò)量空氣燃燒方式。
5.2 防止氨氣爆炸和泄漏
氨是有毒、有氣味、爆炸性物質(zhì), 熔點(diǎn)- 77.75 ℃,沸點(diǎn)- 33.42 ℃, 臨界溫度132.30 ℃, 臨界壓力 11.283MPa。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定, 氨的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性屬于乙類。根據(jù)GB50058《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定, 氨氣屬于 ⅡAT1 級(jí)組; 根據(jù)GB5044—85《職業(yè)性接觸毒特危害程度分級(jí)》規(guī)定, 氨的毒性屬于Ⅳ級(jí)。氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)要嚴(yán)密, 根據(jù)有關(guān)防爆要求, 氨儲(chǔ)罐防火圍墻與廠內(nèi)重要設(shè)施的安全距離達(dá)30 m。因此, 氨儲(chǔ)存區(qū)域占地很大, 占地約5 600m2。
6 工藝分析
6.1 SCR 煙氣脫硝工藝技術(shù)分析
目前, 國(guó)際上主要有2 種煙氣脫硝技術(shù), 一種是選擇性非催化還原脫硝技術(shù)( 簡(jiǎn)稱SNCR) , 另一種是選擇性催化還原脫硝技術(shù)( 簡(jiǎn)稱SCR) 。這2 種技術(shù)化學(xué)原理是一樣的, 不同之處在于反應(yīng)條件和效率。 SNCR 脫硝技術(shù), 在鍋爐爐膛折焰角上方或過(guò)熱器、再熱器等水平煙道中噴入NH3、尿素等還原劑, 反應(yīng)溫度為800～1 000 ℃。當(dāng)溫度高于1 000 ℃ 時(shí), NH3 被氧化成NOx, 當(dāng)溫度低于800 ℃時(shí), 脫硝率低。SNCR 脫硝技術(shù)脫硝效率為30%～50%, 氨氣的逃逸量大, 造成環(huán)境污染。
SCR 脫硝技術(shù), 在溫度280～420 ℃和催化劑作用下, 通過(guò)向煙氣中噴入氨氣實(shí)現(xiàn)脫硝的目的, 該技術(shù)脫硝率最高可達(dá)90%, 氨氣逃逸可以控制在3× 10- 6 以下, SO2/SO3 轉(zhuǎn)化率可控制在1%以下。SCR 脫硝技術(shù)之所以達(dá)到比較高的脫硝率, 在于設(shè)置了專門的脫硝反應(yīng)器, 使還原劑氨氣與煙氣充分混合均勻, 氨氣分子與氮氧化物分子充分碰撞并在催化劑作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。圖2、3 是反應(yīng)器的數(shù)字模擬結(jié)果。
|
圖2 省煤器出口至脫硝反應(yīng)器入口流態(tài)數(shù)學(xué)模型
圖3 改變進(jìn)口導(dǎo)流板的數(shù)量和進(jìn)口均流器高度后脫硝反應(yīng)器入口流態(tài)數(shù)學(xué)模型 |
圖3 表示通過(guò)改變反應(yīng)器進(jìn)口導(dǎo)流板的數(shù)量和進(jìn)口均流器高度, 采用數(shù)學(xué)方法來(lái)模擬反應(yīng)器的均勻性, 結(jié)果表明反應(yīng)器的均勻性很好。煙氣與噴入的氨氣在反應(yīng)器進(jìn)氣口混合經(jīng)導(dǎo)流板、均流器進(jìn)入反應(yīng)器, 再進(jìn)入蜂窩狀催化劑層, 使煙氣中NO、NO2 與NH3 均勻混合, 這是脫硝反應(yīng)徹底、脫硝率高的可靠保障。 SCR 脫硝技術(shù)用的氨氣是比較常用的化工原料, 也是比較常用的工業(yè)制冷劑, 價(jià)格低廉, 容易液化, 便于運(yùn)輸。
在德國(guó)脫硝鍋爐總裝機(jī)容量超過(guò)32 855 MW, 其中應(yīng)用SCR 工藝的鍋爐裝機(jī)容量達(dá)31 855MW, 占總?cè)萘康?5%以上。
6.2 SCR 煙氣脫硝工藝經(jīng)濟(jì)性分析
SCR 脫硝裝置運(yùn)行損耗主要是氨氣用量、電耗、催化劑更換、維修、人工成本、設(shè)備折舊等, 這些損耗費(fèi)用按年運(yùn)行7 000 h 估算如表2 所示。
|
表2 SCR 脫硝裝置運(yùn)行損耗
|
6.3 SCR 煙氣脫硝工藝安全性分析
在氨氣供應(yīng)區(qū)域設(shè)置了氨氣監(jiān)測(cè)報(bào)警設(shè)備、氨設(shè)備淋水系統(tǒng)、洗眼與淋浴設(shè)備等。操作人員配備手套、面罩等防護(hù)器材, 嚴(yán)格遵守操作規(guī)程, SCR 運(yùn)行是安全可靠的。
7 結(jié)語(yǔ)
SCR脫硝系統(tǒng)是成熟、可靠的工藝, 該工藝不僅容易控制, 而且運(yùn)行安全可靠; 脫硝產(chǎn)物可直排大氣, 對(duì)大氣不會(huì)造成二次污染, 具有廣闊的應(yīng)用前景。SCR 工藝初始投資較大, 但脫硝率高、運(yùn)行成本比較低。
參考文獻(xiàn):
[ 1] 東方鍋爐廠環(huán)保工程公司.廣州恒運(yùn)熱電廠2×300 MW 機(jī)組脫硝初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[R] .2005.
Environment Protection Project Ltd. of Dongfang Boiler Group Co., Ltd. Preliminary design of De-NOx project for 2×300MW Guangzhou Hengyun Thermal Power Plant[R] . 2005.
[ 2] 國(guó)家環(huán)？偩.國(guó)家環(huán)保總局環(huán)審( 2005) 292 號(hào)文件[Z] .2005.
State Environment Protection Administration of China. ( 2005) 292 document approved by the State Environment Protection Administration ofChina [ Z] .2005.
[ 3] 東方鍋爐廠環(huán)保工程公司.廣州恒運(yùn)熱電廠2×300 MW 機(jī)組脫硝反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型報(bào)告書(shū)[R] . 2005.
Environment Protection Project Ltd. ofDongfangBoilerGroupCo., Ltd. Report of mathematical models for the De-NOx reactor in 2×300 MW Guangzhou Hengyun Power Thermal Power Plant[R] . 2005.
（本文作者來(lái)自廣州恒運(yùn)集團(tuán)公司）
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
