國(guó)華臺(tái)山熱電廠5#機(jī)組脫硝工程
工程所屬方：國(guó)華臺(tái)山熱電廠
技術(shù)提供方：托普索公司
一、脫硝技術(shù)簡(jiǎn)介
歷經(jīng)數(shù)年發(fā)展，對(duì)燃煤鍋爐煙氣脫硝效率的要求已從80%左右提高到現(xiàn)在許多項(xiàng)目所要求的90%，甚至更高。為了確保設(shè)計(jì)一套可靠的脫硝系統(tǒng)，使其始終保持理想的脫硝效率并同時(shí)保證氨逃逸最小化，在對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行條件，要求把工藝技術(shù)、催化劑技術(shù)和工程設(shè)計(jì)幾個(gè)方面緊密結(jié)合起來。
SCR脫硝工藝的反應(yīng)原理是氨與NOx在催化劑表面上進(jìn)行催化氧化還原反應(yīng)，生成無害的氮?dú)夂退磻?yīng)過程不會(huì)造成二次污染物。
若不安裝催化劑，上述反應(yīng)要在均勻混合的氣相中900-1100℃溫度條件下才能發(fā)生。而在SCR脫硝工藝中，催化劑存在條件下化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的典型溫度為250-450℃。若使用特殊催化劑，工藝反應(yīng)溫度還可以降至約200℃，也可以高至約550℃。
為取得系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的脫硝效率和NH3逃逸量限值，在設(shè)計(jì)中考慮充分地利用催化劑、盡可能使氨在煙氣中均勻分布是非常重要的。反應(yīng)器入口的煙氣分布系統(tǒng)要確保煙氣在反應(yīng)器截面上的均勻分布，以確保有效利用催化劑。
催化劑選型必須考慮煙氣特點(diǎn)和運(yùn)行參數(shù)范圍，但是確保催化劑實(shí)現(xiàn)最佳催化效果的先決條件是正確設(shè)計(jì)關(guān)鍵設(shè)備，如：SCR反應(yīng)器、煙道內(nèi)部構(gòu)件和噴氨系統(tǒng)，確保催化劑層均勻的煙氣流動(dòng)條件以及氨和煙氣的均質(zhì)混合是至關(guān)重要。通過CFD和實(shí)體模型對(duì)SCR脫硝裝置進(jìn)行流場(chǎng)模擬是達(dá)到這一目的必不可少的手段。
二、托普索公司的脫硝催化劑
SCR脫硝工藝的核心是催化劑，噴入的氨與煙氣中的NOx在催化劑表面上反應(yīng)生成氮?dú)夂退羝Ｍǔ２捎玫拇呋瘎┤且远嗫锥趸佔(zhàn)鳛檩d體，起催化作用的活性成份五氧化二釩和三氧化鎢分布在其表面。我公司脫硝催化劑具有不同的型號(hào)、不同的通道尺寸（通常叫節(jié)距）、壁厚和化學(xué)成份，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行選型。節(jié)距和壁厚受煙氣中灰量的影響，燃煤鍋爐脫硝系統(tǒng)一般采用大通道、最小壁厚0.8mm的催化劑。
1.催化劑中毒和設(shè)計(jì)中需要考慮的因素
在燃煤鍋爐高含灰煙氣SCR系統(tǒng)中，催化劑隨著活性的損失漸漸老化，主要是因?yàn)榻佑|煙氣中的飛灰。催化劑性能退化速率的估計(jì)、使用壽命的確定和催化劑的裝填設(shè)計(jì)必須考慮它的運(yùn)行環(huán)境，如：毒物特性、灰塵濃度和潛在的磨損等，歸結(jié)如下：
飛灰成份對(duì)催化劑活性位的化學(xué)和物理影響，通常指催化劑中毒；
非常細(xì)的飛灰顆粒在催化劑表面沉積，會(huì)堵塞進(jìn)入催化劑活性位的通道或減少其活性表面積；
催化劑孔中的硫酸氫氨冷凝液的抑制，會(huì)減小活性表面積；
催化劑孔的熱降解（燒結(jié)）會(huì)減小催化劑活性表面積；
催化劑通道的堵塞減少了所裝載催化劑的有效體積；
若SCR反應(yīng)器中煙氣流動(dòng)不均勻，飛灰中的顆粒會(huì)造成催化劑磨損。
如果脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，任何類型的催化劑，如：板式、擠壓蜂窩式或波紋蜂窩式，都可能被磨損。
SCR脫硝系統(tǒng)催化劑選型設(shè)計(jì)需要考慮以下因素：
要求的脫硝效率；
反應(yīng)器出口煙氣中未反應(yīng)氨氣（氨逃逸）的最大容許量；
為避免后續(xù)設(shè)備不受硫酸氨影響，系統(tǒng)可接受的最大SO2/SO3氧化率；
催化劑理想壽命和基于煙氣中灰量和其它成分得出的催化劑預(yù)期失活速率。
很顯然，只有全面了解這些因素對(duì)催化劑性能的影響，才能選出最適合的催化劑型號(hào)。合理設(shè)計(jì)催化劑工藝，才能保證催化劑的最佳性能和最長(zhǎng)的壽命。
2.托普索公司催化劑特點(diǎn)
托普索公司創(chuàng)立于1940年，擁有其自行開發(fā)的各種催化劑和工藝技術(shù)。公司在不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，還潛心致力于大量的研發(fā)工作，為各種運(yùn)行工況條件提供最適合的催化劑。托普索公司擁有各種類型的催化劑制造技術(shù)，但在電廠煙氣脫硝系統(tǒng)中主要采用其脫硝專用波紋蜂窩催化劑，該催化劑集合了板式和擠壓蜂窩式催化劑的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)防止各種原因?qū)е碌拇呋瘎┲卸揪哂泻芎玫牡挚鼓芰。其?yōu)點(diǎn)概括如下：
1）由于托普索公司催化劑獨(dú)特的制造工藝，催化劑基板采用加固玻璃纖維，比金屬板式催化劑或擠壓蜂窩式催化劑重量要輕許多。由于重量輕，其運(yùn)輸、吊裝都很方便，且對(duì)于SCR反應(yīng)器鋼結(jié)構(gòu)和地基的荷載比較小；
2）由于托普索脫硝催化劑的孔型為不規(guī)則形狀，采用獨(dú)特的波紋狀，所以其比表面積很大，且孔隙大小分布呈現(xiàn)多樣性。大、中、小孔隙按一定比例分布。試驗(yàn)研究和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均證明了該催化劑結(jié)構(gòu)對(duì)增加表面活性位，減少表面SO2氧化活性位是非常有利的。
3）根據(jù)顯微鏡觀察顯示，托普索催化劑具有三種大小不等的孔隙結(jié)構(gòu)，分別為100A、1000-2000A和50000A。對(duì)于各種類型的催化劑，通常觀察到的砷氣多聚集在微孔內(nèi)。所以與其它類型催化劑相比，托普索公司獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)能大大減少砷氣聚集，從而減緩對(duì)催化劑的毒化；
4）由于具有柔韌的纖維結(jié)構(gòu)，這種催化劑可以在高溫下運(yùn)行，具有非常好的抗熱應(yīng)力的能力。催化劑的邊緣經(jīng)過加固，可以抵御含塵煙氣的磨蝕。催化劑運(yùn)行溫度在220-450℃范圍內(nèi)，可抵御800-900℃的高溫環(huán)境。催化劑可承受的最大溫升可達(dá)150℃/min，這是其它類型催化劑所無法相比的。
三、流場(chǎng)模擬
SCR反應(yīng)器、煙氣通道、噴氨和混合系統(tǒng)的正確合理設(shè)計(jì)，是催化劑實(shí)現(xiàn)最佳性能的必要前提。在高塵脫硝裝置中，必須采取措施確保催化劑層的理想煙氣條件，以避免上述的催化劑堵塞或磨損所造成的損失。
運(yùn)用CFD或?qū)嶓w模型進(jìn)行煙氣流場(chǎng)模擬已被證實(shí)是達(dá)到上述設(shè)計(jì)的有效且必要的工具。模型工作通常的目的是：
確保噴氨之前煙氣流速高度均勻
驗(yàn)證煙氣與氨的混合效果
在給定的約束條件下優(yōu)化煙道和反應(yīng)器的布置
開發(fā)并優(yōu)化必要的流量控制裝置
確保第一層催化劑入口處煙氣速度高度均勻
確保煙氣流動(dòng)與垂直流動(dòng)方向夾角的偏差最小
確保不增加沉積灰量
使系統(tǒng)壓降最低
盡管使用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)模擬更快捷有效，但對(duì)飛灰的運(yùn)動(dòng)（如：沉積和二次夾帶）進(jìn)行模擬的理論基礎(chǔ)仍很薄弱，而且導(dǎo)流板的優(yōu)化經(jīng)常需要反復(fù)。所以對(duì)于高塵脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)預(yù)防灰沉降和磨損這些主要目標(biāo)，通常采用行之有效的實(shí)體模型方法。
四、在國(guó)華臺(tái)山熱電廠應(yīng)用
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臺(tái)山電廠目前有5×600MW燃煤機(jī)組，托普索公司為其5號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)了SCR脫硝系統(tǒng)，在2006年底啟動(dòng)運(yùn)行。托普索公司為其脫硝系統(tǒng)提供催化劑、系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括實(shí)體模型試驗(yàn)。基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：
600MW
煙氣流量1,900,000Nm3/h
兩層DNX催化劑
550mg/Nm3NOx
灰量14g/Nm3
高達(dá)94%的脫硝率
氨逃逸<3ppm
SO2氧化率<0.75%
該項(xiàng)目在選用催化劑時(shí)特別考慮了灰中高鈣成分(28.9%CaO)的影響，美國(guó)PRB煤項(xiàng)目中遇到過類似的高含鈣量的設(shè)計(jì)情況。氧化鈣會(huì)與煙氣中SO3反應(yīng)生成石膏CaSO4而覆蓋催化劑表面，由于托普索脫硝催化劑具有三種孔徑分布，具有非常高的抵抗“中毒”的能力，包括由灰中高含鈣量所引起的“中毒”，即使表面有大量的石膏覆蓋，還會(huì)有到達(dá)活性位的可用通道。
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證脫硝效率為94%，氨逃逸只有3ppm，實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)需要催化劑具有高性能且對(duì)氨/NOx混合的要求更高。當(dāng)要求高脫硝效率和低氨逃逸時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素達(dá)到適宜平衡是非常關(guān)鍵的。對(duì)脫硝效率和氨逃逸量的要求越嚴(yán)格，對(duì)氨和煙氣（NOx）混合的要求越高。
托普索公司開發(fā)了專有混合裝置----星形混合器，由一些形狀為帶四角星的圓盤組成。星形混合器按照一定的角度安裝在煙氣中，使盤后氣流形成渦流。該裝置實(shí)現(xiàn)了短距離內(nèi)的最佳混合效果，且壓損很小。
形混合器，并結(jié)合認(rèn)真地流場(chǎng)模擬，可以使系統(tǒng)在達(dá)到94%脫硝效率、3ppm氨逃逸量所需的理想混合效果的同時(shí)，系統(tǒng)壓損小于339Pa（不包括催化劑層壓降）。
五、結(jié)論
托普索公司脫硝催化劑是經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證過的具有非常好的抵抗中毒能力的催化劑。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮各種因素的影響，如：煤的高灰分、灰中含鈣、堿金屬等。系統(tǒng)還配備有效的催化劑清灰系統(tǒng)。在驗(yàn)證高塵SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性時(shí)，還應(yīng)用煙氣流場(chǎng)模擬方法。流場(chǎng)模擬有兩種方式，一種是CFD模擬，另一種是實(shí)體模型模擬。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用實(shí)體模型模擬可以驗(yàn)證煙氣流速分布均勻性，確定煙氣流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的布置，評(píng)估飛灰的沉積和分布狀況。
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