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        燃煤電廠脫硝反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

        2011-05-01 06:28:52王艷麗
        上海電氣技術(shù) 2011年2期
        關(guān)鍵詞:煙氣催化劑設(shè)置

        王艷麗

        (上海電氣石川島電站環(huán)保工程有限公司,上海 201612)

        安裝煙氣脫硝裝置是實(shí)現(xiàn)大型燃煤電廠煙氣中氮氧化物(NOx)排放達(dá)標(biāo)的惟一有效途徑。于2008年6月1日開(kāi)工的上海石洞口二廠二期2×660MW機(jī)組為國(guó)產(chǎn)超超臨界機(jī)組,同步建成煙氣脫硝裝置工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)工程)。業(yè)主要求脫硝裝置不設(shè)旁路煙道,優(yōu)化布置方案,盡量節(jié)省主廠房占地,裝置服務(wù)年限為30a。

        工程采用最為成熟、有效、廣泛使用的選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)工藝(即選擇性催化還原法)[1],整個(gè)系統(tǒng)主要由氨區(qū)和反應(yīng)區(qū)兩大部分組成。在這兩大區(qū)間貫穿著儀表控制、電氣、土建、火災(zāi)報(bào)警等系統(tǒng),及時(shí)調(diào)節(jié)、監(jiān)督各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù),使整套裝置得以正常運(yùn)行,構(gòu)成完整的脫硝系統(tǒng)。其中,氨區(qū)是氨氣的儲(chǔ)存、制備、供應(yīng)系統(tǒng),為SCR工藝提供必需的還原劑,包括液氨儲(chǔ)槽、蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽、稀釋風(fēng)機(jī)、氨控制閥、氨空氣混合器,以及相應(yīng)閥門(mén)、管道及其附件、支撐等;反應(yīng)區(qū)包括煙道和反應(yīng)器兩部分,是SCR工藝發(fā)生還原反應(yīng)的場(chǎng)所,也即富含NOx的煙氣流經(jīng)整個(gè)反應(yīng)區(qū)后,在反應(yīng)區(qū)尾端被還原成符合脫硝要求的凈煙氣。氨區(qū)是SCR工藝的條件部分,具有通用性,反應(yīng)區(qū)是SCR工藝的實(shí)施部分,具有差異性。

        本文將以上海石洞口電廠二期項(xiàng)目的脫硝裝置工程為依托,著重介紹反應(yīng)區(qū)的設(shè)計(jì)思路和特點(diǎn)。

        1 反應(yīng)區(qū)設(shè)計(jì)總綱

        1.1 確定反應(yīng)區(qū)位置

        SCR工藝的還原反應(yīng)是在催化劑的參與下才可以發(fā)生的,在300~400℃的溫度范圍內(nèi)催化劑的活性最好。省煤器出口煙氣溫度在100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(Boiler Maximum Continue Rate,BMCR)工況下為372℃;因此,在不設(shè)旁路煙道的前提下,采用高灰SCR系統(tǒng),反應(yīng)區(qū)安裝在鍋爐省煤器出口和空預(yù)器進(jìn)口之間,直接放置于鍋爐構(gòu)架范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省主廠房占地,符合業(yè)主的要求如圖1所示。

        圖1 反應(yīng)區(qū)布置圖

        1.2 確定反應(yīng)區(qū)型式

        工程反應(yīng)區(qū)因處高灰位置,為避免積灰,采用了與煙氣流向垂直的反應(yīng)器;同時(shí),考慮到反應(yīng)區(qū)中通過(guò)的煙氣溫度可高達(dá)420℃以上,為避免聚集較大的熱應(yīng)力引起設(shè)備損壞,采用了懸吊結(jié)構(gòu)。從而確保了設(shè)備各方向的自由膨脹,也方便了催化劑的安裝與更換。

        1.3 確定反應(yīng)區(qū)數(shù)量

        工程對(duì)應(yīng)鍋爐:π型爐。對(duì)應(yīng)接口:2個(gè)省煤器尾部。據(jù)此以鍋爐中心為對(duì)稱(chēng)軸配置兩套反應(yīng)區(qū)系統(tǒng)。

        2 反應(yīng)區(qū)的工藝計(jì)算

        工程要求:在鍋爐BMCR工況,處理煙氣量為1914095Nm3/h,NOx濃度350mg/Nm3的條件下脫硝效率按照80%設(shè)計(jì),氨的逃逸濃度不大于3ppm,SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%,從脫硝系統(tǒng)入口到出口之間的系統(tǒng)壓力損失在性能考核試驗(yàn)時(shí)不大于810Pa,其中本體和煙道阻力不大于410Pa,每層催化劑阻力不大于200Pa,化學(xué)壽命期內(nèi),對(duì)于SCR反應(yīng)器內(nèi)的每一層催化劑,壓力損失保證增幅不超過(guò)20%。

        實(shí)驗(yàn)證明:混合了氨氣的煙氣以4~6m/s的速度流經(jīng)催化劑時(shí),還原反應(yīng)效果最佳,同時(shí)該流速可以起到不損壞催化劑又能沖刷積灰的作用[2]。經(jīng)過(guò)一系列工藝參數(shù)的計(jì)算,確定催化劑規(guī)格及數(shù)量,也即初步確定了催化劑的總橫截面積及高度(層數(shù)),因而也決定了系統(tǒng)阻力。最終反應(yīng)器尺寸需綜合考慮,適中的外形尺寸既能夠避免荷載和所占空間過(guò)大,又能減小投資和運(yùn)行、檢修維護(hù)的費(fèi)用??紤]到我國(guó)不斷提高的環(huán)保要求,以及初期催化劑管理更換經(jīng)濟(jì)、靈活,工程最終確定反應(yīng)器截面為9.65m×13.94m,2(投運(yùn))+1(預(yù)留)的3層催化劑結(jié)構(gòu),共140個(gè)催化劑模塊。

        3 反應(yīng)區(qū)的部件確定

        3.1 確定支撐梁

        支撐梁是反應(yīng)區(qū)重要的受力件,包括反應(yīng)器、催化劑、出口煙道、頂蓋煙道等部件全都懸掛或坐落于其上,同時(shí)還要承擔(dān)各部件保溫重量及積灰的重量,以及由于風(fēng)力、地震等產(chǎn)生的水平載荷。支撐梁通過(guò)支座把這些重量傳到鍋爐后的鋼支架大梁,鋼支架再通過(guò)立柱把這些載荷傳給基礎(chǔ)。支撐梁被設(shè)計(jì)成6片橫梁(見(jiàn)圖2),其間用縱梁相連,6mm鋼板密封,并設(shè)置24個(gè)吊點(diǎn)(見(jiàn)圖3,用H形狀表示),分散幾百?lài)嵉妮d荷。通過(guò)設(shè)置在6片橫梁下的12個(gè)支座,整個(gè)支撐梁放置在鋼架大梁上,支座安裝在鋼支架上,安裝時(shí)支座上平面必須校平,高度誤差小于3mm。支座有1個(gè)由不銹鋼與聚四氟乙烯組成的相對(duì)滑動(dòng)面,在受熱膨脹時(shí)能夠自由滑動(dòng)。在支撐梁內(nèi)還設(shè)置煙氣整流裝置,能使煙氣在整個(gè)截面上均勻地進(jìn)入催化劑流通斷面,保證脫硝效率。

        圖2 支撐梁

        圖3 吊點(diǎn)位置

        3.2 確定反應(yīng)器

        反應(yīng)器主要作用是放置催化劑,類(lèi)似一座3層疊加的矩形容器。四周用6mm鋼板封閉,懸吊于支撐梁上,形成密封的煙氣通道。每層內(nèi)部均由網(wǎng)格式框架(即催化劑托架)構(gòu)成,用于安放催化劑,托架上表面標(biāo)高與外部平臺(tái)格柵面平齊,方便催化劑由反應(yīng)器外部推入內(nèi)部。每個(gè)催化劑重量達(dá)1t左右,在與支撐梁吊點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置了吊桿組裝置(見(jiàn)圖4),提高催化劑托架的承載能力,把催化劑重量分散作用于支撐梁上。在催化劑托架上,設(shè)計(jì)了槽形鋼,并鋪設(shè)密封墊片,使催化劑嵌入其中,一方面起到了密封的作用,另一方面可以抵擋水平力產(chǎn)生的可能移位,起到了定位的作用。同時(shí),在催化劑托架本身、催化劑與反應(yīng)器側(cè)板之間,以及催化劑與催化劑之間頂部也設(shè)置防積灰板和密封裝置,使煙氣有效地流過(guò)催化劑,保證脫硝效率,并可以減少壓力的損失。根據(jù)工程灰分的特性,每個(gè)反應(yīng)器設(shè)置2層耙式蒸汽吹灰器,每層設(shè)置4只,第3層預(yù)留吹灰器接口,避免運(yùn)行中積灰堵塞催化劑。反應(yīng)器側(cè)板上還設(shè)有人孔門(mén)及催化劑裝載門(mén)。

        圖4 吊桿組

        3.3 確定進(jìn)出口煙道

        進(jìn)出口煙道連接省煤器出口與空預(yù)器進(jìn)口,與反應(yīng)器構(gòu)成整個(gè)脫硝系統(tǒng)的煙氣通道。煙道的設(shè)計(jì)首先要考慮整個(gè)系統(tǒng)橫截面積的煙氣流場(chǎng)分布均勻,流速不宜有顯著差別,不能出現(xiàn)過(guò)大的變徑,避免出現(xiàn)“袋形”、“死角”,以及局部流速過(guò)低的管段,并避免煙氣沖撞。脫硝工程的進(jìn)口煙道在省煤器與反應(yīng)器之間有一段梯形變徑煙道,有3個(gè)轉(zhuǎn)彎煙道,考慮到灰分的特性,還在第一個(gè)下彎煙道處設(shè)置了灰斗。為使氨注入裝置處氨與煙氣混合均勻,催化劑入口的煙氣流場(chǎng)分布均勻,改善煙氣以直線(xiàn)方向進(jìn)入催化劑,減少?zèng)_蝕情況,采取了在進(jìn)口煙道轉(zhuǎn)彎處安裝導(dǎo)流板、支撐梁中安裝整流器、安裝防積灰裝置減少灰塵沉積等措施,同時(shí)使用Fluent公司開(kāi)發(fā)的Fluent6.3商用CFD軟件,建立1/15比例物理模型,并用GAMBIT軟件生成流場(chǎng)網(wǎng)格(計(jì)算網(wǎng)格),進(jìn)行一系列煙氣流場(chǎng)變化模擬計(jì)算和數(shù)據(jù)分析,取得導(dǎo)流板的最佳設(shè)計(jì)方案,確保NOx/NH3分布均勻,煙氣速度分布均勻,獲得最小煙氣壓降,整個(gè)系統(tǒng)性能得以實(shí)現(xiàn)[3]。

        本工程煙道壁按6mm設(shè)計(jì),煙氣流速不超過(guò)15m/s,能夠承受如下負(fù)荷:自重、風(fēng)雪荷載、地震荷載、積灰以及保溫等重量,設(shè)計(jì)壓力和瞬時(shí)不變形承載壓力不低于±9800Pa。煙道加固肋的設(shè)計(jì)采用了帶內(nèi)撐桿的橫向加固肋支撐面板和承受載荷,縱向肋考慮失穩(wěn)的模式,必須滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和撓度要求,同時(shí)對(duì)加固肋的型式進(jìn)行優(yōu)化,盡可能減少規(guī)格和鋼材消耗。設(shè)計(jì)需要確定加固肋中心間距及規(guī)格兩大部分,其計(jì)算方法根據(jù)電力部《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道技術(shù)規(guī)程配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法》中相關(guān)計(jì)算公式獲得。經(jīng)過(guò)計(jì)算和比較,煙道采用H型鋼加角鋼加固肋,內(nèi)部加裝撐桿的型式。此外,工程中,鍋爐出口煙道中心線(xiàn)在滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)向下膨脹約200mm,而右側(cè)脫硝煙道向下膨脹約60mm,因此設(shè)計(jì)水平進(jìn)口煙道時(shí)令其在冷態(tài)安裝就預(yù)先向下落低100mm,可減少膨脹節(jié)載滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的扭曲量(見(jiàn)圖5)。

        圖5 水平煙道安裝

        3.4 確定支座、定位裝置、膨脹節(jié)

        支撐梁放置于鋼梁上,反應(yīng)器殼體懸掛于支撐梁上,與鋼梁有相對(duì)自由滑動(dòng)面,考慮到熱膨脹及地震產(chǎn)生的巨大橫向作用力下,設(shè)備不發(fā)生實(shí)質(zhì)性的位移,催化劑不被擠壓破壞,在標(biāo)高為44.79m的水平橫截面的中心對(duì)稱(chēng)線(xiàn)上設(shè)置4個(gè)定位柱頭,標(biāo)高為34.4m處四周設(shè)置了只允許單向水平位移和向下位移的限位擋塊,使設(shè)備工作時(shí),盡可能保持正確的外形,中心線(xiàn)不發(fā)生任何方向的扭彎。與支撐梁相似,進(jìn)口煙道被放置于標(biāo)高為44.79m的鋼梁上,設(shè)置了定位柱頭,標(biāo)高為40.4m處設(shè)置導(dǎo)向裝置,只起定位導(dǎo)向作用,不影響自由膨脹。同樣地,水平進(jìn)出口煙道放置于鋼架上,固定居中支座,而其他支座則給以相應(yīng)的膨脹自由度;而又在頂蓋煙道與進(jìn)出口煙道的相應(yīng)位置設(shè)置了膨脹節(jié)來(lái)補(bǔ)償因變形引起的水平位移,垂直位移和角位移,都是為了使設(shè)備在長(zhǎng)期使用中在自由膨脹的情況下,不隨意移動(dòng)。

        3.5 確定氨注入裝置

        氨注入裝置為系統(tǒng)提供反應(yīng)所需的還原劑,均勻地分布于進(jìn)口煙道垂直段,噴射方向與煙氣方向一致,避免產(chǎn)生氣流的紊亂。裝置要能經(jīng)得起煙氣沖擊引起的磨損,因此特別加裝了防磨角鋼,噴嘴采用不銹鋼材料,設(shè)計(jì)成螺紋連接,可以在鍋爐停運(yùn)的情況下進(jìn)行檢查和更換。氨注入裝置設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥,能根據(jù)煙氣不同的工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。在距氨注入裝置下游1m處還設(shè)置了混合裝置,促使氨與煙氣混合均勻。

        3.6 確定催化劑吊裝及其他

        與反應(yīng)器催化層相對(duì)應(yīng),鋼支架設(shè)有3層平臺(tái)。利用安裝于標(biāo)高為44.79m的鋼梁上的電動(dòng)葫蘆,將催化劑由地面吊到平臺(tái)上,鋪設(shè)輸送滾道、轉(zhuǎn)臺(tái)等裝置由反應(yīng)器外部推入反應(yīng)器內(nèi)部,安裝于正確位置。輸送工具設(shè)計(jì)成分段式,方便人力搬運(yùn),可重復(fù)使用,節(jié)省了成本。

        反應(yīng)區(qū)任何位置應(yīng)密封焊接,不允許有泄漏,應(yīng)嚴(yán)格檢查焊縫泄漏。

        反應(yīng)器本體及煙道的工作溫度高達(dá)400℃左右,在所有受熱面都需鋪設(shè)保溫層。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        脫硝反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是SCR工藝的關(guān)鍵,其技術(shù)難點(diǎn)在于煙氣流場(chǎng)優(yōu)化和氨煙均勻混合,上海石洞口電廠二期項(xiàng)目脫硝工程很好地解決了這兩點(diǎn)。整個(gè)工程結(jié)構(gòu)合理,安裝方便,控制了成本,已于2009年12月正式投產(chǎn)運(yùn)行,性能考核中氮氧化物排放濃度小于100mg/Nm3,同時(shí)還為滿(mǎn)足以后更高的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留了空間。工程的投運(yùn),較好地滿(mǎn)足了業(yè)主的要求,為今后的項(xiàng)目積累了經(jīng)驗(yàn),促進(jìn)了煙氣脫硝技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

        [1]陳進(jìn)生.火電廠煙氣脫硝技術(shù)—選擇性催化還原法[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.

        [2]國(guó)家環(huán)境保護(hù)部.HJ562-2010火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范—選擇性催化還原法[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2010.

        [3]劉 霞,葛新峰.FLUENT軟件及其在我國(guó)的應(yīng)用[J].能源研究與利用,2003(2):35-38.

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