董連城

（大唐國際陡河發(fā)電廠，河北 唐山063028）

0 引言

隨著我國工業(yè)進程的加快，NOx排放量和大氣中NOx濃度逐漸增加，大氣污染的性質(zhì)發(fā)生了變化，對自然生態(tài)環(huán)境構(gòu)成巨大的威脅。陡河發(fā)電廠順應(yīng)環(huán)保要求，對＃3機組進行煙氣脫硝的技術(shù)改造。經(jīng)論證選用了選擇性催化還原法（SCR），以尿素為還原劑。2012年12月31日，該機組脫硝系統(tǒng)順利通過168 h帶負(fù)荷試運行，脫硝系統(tǒng)入口NOx由近400 mg／Nm3降低到80 mg／Nm3以下，優(yōu)于環(huán)保要求的100 mg／Nm3標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著＃3機組煙氣脫硝改造的成功。

1 SCR煙氣脫硝的技術(shù)原理和工藝過程

因陡河發(fā)電廠所處地理位置的關(guān)系，結(jié)合考量尿素在運輸、儲存中無需注意其危險性，故選擇了尿素作為還原劑。在NOx的選擇性催化還原過程中，尿素?zé)峤夂笊傻腘H3將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為N2。在SCR反應(yīng)器中，煙氣脫硝的主要化學(xué)反應(yīng)式為：

＃3機組SCR系統(tǒng)分為尿素溶液制備／儲存區(qū)和SCR反應(yīng)器區(qū)。尿素溶液制備／儲存區(qū)包括尿素溶液制備／儲存系統(tǒng)、循環(huán)／供應(yīng)系統(tǒng)及伴熱沖洗系統(tǒng)等，SCR反應(yīng)器區(qū)包括反應(yīng)器、催化劑、尿素?zé)峤庀到y(tǒng)、稀釋風(fēng)機、噴氨格柵（AIG）及吹灰器等。

工藝流程為：將尿素人工加入溶液罐中，用除鹽水將尿素制成50%～60%濃度的溶液，經(jīng)混合泵送入儲存罐。尿素溶液經(jīng)輸送泵、循環(huán)／供應(yīng)管道、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入熱解爐內(nèi)分解，生成NH3、H2O和CO2，分解產(chǎn)物與稀釋風(fēng)充分混合生成含5%NH3的混合氣體，通過噴氨格柵噴入煙道。NH3與NOx在反應(yīng)器內(nèi)催化劑的作用下發(fā)生催化還原反應(yīng)，NOx被還原為無害的N2和H2O，具體如圖1所示。

圖1 ＃3機組煙氣脫硝系統(tǒng)工藝流程示意圖

2 工藝參數(shù)

脫硝系統(tǒng)工藝參數(shù)：煙氣量為8．5×105Nm3／h（濕基，實際氧，標(biāo)準(zhǔn)態(tài)）；煙氣溫度為300～400℃；NOx≤400 mg／Nm3；SO2≤3 400 mg／Nm3；煙塵（實際氧）≤60 g／Nm3；脫硝效率≥80%；氨的逃逸率≤3×10－6；SO2／SO3轉(zhuǎn)化率≤1%；SCR系統(tǒng)壓降≤1 000 Pa。

3 工藝布置

＃3機組鍋爐與省煤器之間空間狹小，SCR反應(yīng)器布置在了鍋爐兩側(cè)區(qū)域，屬于高塵法布置。省煤器下部的出口水平煙道拉出鍋爐區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)后垂直向上進入SCR反應(yīng)器。反應(yīng)器出口煙道水平進入鍋爐區(qū)域，與空預(yù)器入口連接。

4 工藝系統(tǒng)

4．1 還原劑制備／儲存區(qū)

本工程采用尿素?zé)峤夥ㄖ苽涿撓踹€原劑，6臺鍋爐的脫硝裝置共用1個尿素溶液制備／存儲區(qū)，即按照2×250 MW＋4×200 MW機組消耗量設(shè)計。

系統(tǒng)流程：尿素溶解罐采用地上設(shè)計，人工將干尿素投入到溶解罐里，用除鹽水將干尿素溶解成50%～60%質(zhì)量濃度的尿素溶液，通過尿素溶液混合泵輸送到尿素溶液儲罐。尿素溶液經(jīng)輸送泵輸送到機組熱解系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)備組成：（1）尿素溶解罐：在室內(nèi)設(shè)置2只溶解罐。罐內(nèi)設(shè)蒸汽加熱系統(tǒng)，制成后的溶液溫度為40～50℃。罐體內(nèi)壁采用316L不銹鋼制造，容積為33 m3，2個溶解罐按滿足6臺爐24 h尿素用量設(shè)計。（2）尿素溶液混合泵：尿素溶液混合泵為不銹鋼本體、碳化硅機械密封的離心泵，每只尿素溶解罐設(shè)2臺泵，1運1備，并列布置?；旌媳美萌芙夤匏渲玫难h(huán)管道將尿素溶液進行循環(huán)，以獲得更好混合。最后將配制合格的溶液送入儲罐。（3）尿素溶液儲罐：設(shè)置2只尿素溶液儲罐（119 m3／個），滿足6臺機組6天的用量。儲罐采用不銹鋼制造，安裝伴熱裝置，使尿素溶液維持在35℃以上溫度。儲罐為立式平底結(jié)構(gòu)，裝有液面／溫度顯示儀、人孔、梯子、通風(fēng)孔等。（4）尿素溶液循環(huán)裝置：為6臺機組設(shè)置1套尿素溶液供應(yīng)與循環(huán)裝置，循環(huán)管路為6臺鍋爐供應(yīng)尿素溶液。尿素溶液循環(huán)裝置包含4臺全流量的多級離心泵（流量不小于120%，1運3備）。

由于尿素的溶解過程是吸熱反應(yīng)，理論計算1 g尿素溶解于1 g水中，僅尿素溶解，水溫就會下降57．8℃。而50%的尿素溶液的結(jié)晶溫度是16．7℃。因陡電處在北方地區(qū)，故對尿素溶液配制及輸送過程的加熱和伴熱系統(tǒng)進行了重點設(shè)計。加熱汽源為機組輔助蒸汽聯(lián)箱（壓力1．0～1．5 MPa、溫度290～325℃）。尿素溶液管道采用水伴熱，設(shè)置了1臺混合式加熱伴熱水箱。伴熱管道有支路接入尿素溶液輸送管道，可作為沖洗水源。

4．2 SCR反應(yīng)器區(qū)

（1）熱解爐。稀釋風(fēng)機抽取空氣預(yù)熱器出口的熱風(fēng)，經(jīng)電加熱器升溫到600℃，作為熱源進入熱解爐，尿素溶液經(jīng)過計量分配裝置分配后噴入熱解爐。要實現(xiàn)尿素溶液到氨的100%轉(zhuǎn)化率，必須保證熱解爐內(nèi)尿素溶液有足夠的停留時間及流場均勻，同時維持適當(dāng)?shù)臒犸L(fēng)溫度。尿素溶液的噴射量根據(jù)煙氣流量、NOx含量、脫硝效率等反饋信號而定，以滿足鍋爐負(fù)荷變化要求。

（2）稀釋風(fēng)機。稀釋風(fēng)機提供足夠的空氣量將氨氣充分稀釋，氨／空氣混合物中的氨體積含量小于5%。每臺鍋爐設(shè)2臺高壓離心式鼓風(fēng)機（額定壓力12 000 Pa，流量6 530 m3／h），1運1備。稀釋風(fēng)機能適應(yīng)鍋爐40%～100%BMCR負(fù)荷下的正常運行，并留有一定裕度。

（3）噴氨格柵（AIG）。AIG布置在SCR反應(yīng)器入口煙道水平段，其布置方式?jīng)Q定著煙道中注氨的均勻性，直接關(guān)系到脫硝效率和氨的逃逸率這2個重要指標(biāo)。注入的氨／空氣混合物在煙道中與煙氣均勻混合是選擇性催化反應(yīng)順利進行的先決條件。AIG共有160個噴嘴，均勻地分布在煙道截面上，其接口處氨／空氣混合物的溫度不低于280℃。

（4）反應(yīng)器。反應(yīng)器采用板箱式結(jié)構(gòu)，輔以各種加強筋和支撐構(gòu)件來滿足防震、承載催化劑、密封、承受載荷和抵抗應(yīng)力的要求，并實現(xiàn)與外界的隔熱。反應(yīng)器有門孔、觀察孔、單軌吊梁等裝置，用于催化劑的安裝、運行觀察和維護保養(yǎng)。本工程設(shè)有 2 臺 反 應(yīng) 器，其 外 觀 尺 寸 為9 850 mm×7 950 mm×12 100 mm（長×寬×高）。

（5）催化劑。催化劑是SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中最核心的部分。在催化劑表面，NOx與NH3反應(yīng)，產(chǎn)生N2和H2O。催化劑按照NOx含量、溫度等運行條件而特別設(shè)計，幾何設(shè)計則考慮了粉塵的含量。具體如下：1）催化劑模塊。本工程選用的催化劑為板式結(jié)構(gòu)，催化劑元件是催化劑的最小單元結(jié)構(gòu)，每個元件的尺寸為464 mm×464 mm，高度為778 mm。催化劑模塊為施工現(xiàn)場的安裝單元，若干個催化劑元件組成催化劑模塊，模塊外部鋼箱由薄鋼板拼接而成，上面覆蓋有不銹鋼網(wǎng)，用于保護催化劑。本工程催化劑模塊有2種，每個催化劑模塊箱內(nèi)裝有16個（A模塊）或8個（B模塊）催化劑元件，各元件之間用彈性的陶瓷纖維進行密封，用以防止催化劑受外部振動破損及未處理煙氣泄漏。2）催化劑層。本工程每層催化劑由4×10只模塊組成。為了防止煙氣短路，模塊之間的間隙采用角鋼、薄鋼片密封。＃3機組初期設(shè)計的脫硝效率為大于80%，先布置2層催化劑，遠期布置3層催化劑，脫硝效率超過90%。3）催化劑的吹灰系統(tǒng)。為保證催化劑長期在高飛灰工況下安全可靠運行，每層催化劑層設(shè)有蒸汽＋聲波吹灰系統(tǒng)。吹灰系統(tǒng)配備供汽／氣、疏水、控制、儲氣罐等輔助系統(tǒng)。每層布置3臺蒸汽吹灰器＋3臺聲波吹灰器，布置于反應(yīng)器側(cè)墻和后墻。

5 相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造

5．1 煙道的改造

原鍋爐煙氣從省煤器出口進入空預(yù)器，加裝脫硝系統(tǒng)后，煙道布置改變。因＃3爐與電袋除塵器之間空間狹小，SCR反應(yīng)器布置在鍋爐兩側(cè)。省煤器出口煙道向鍋爐兩側(cè)延伸接入SCR反應(yīng)器。反應(yīng)器出口煙道返回與空氣預(yù)熱器入口連接。為盡量較少SCR反應(yīng)器及其出入口煙道阻力，通過理論計算和物理模型試驗，優(yōu)化設(shè)置了導(dǎo)流板和煙道走向。實際運行后脫硝系統(tǒng)阻力低于600 Pa，小于設(shè)計值。

5．2 空氣預(yù)熱器的改造

在NOx與NH3反應(yīng)過程中，會有少量的NH3隨煙氣一起逃逸出反應(yīng)器，催化劑的氧化作用會將煙氣中的部分SO2氧化為SO3，與NH3發(fā)生反應(yīng)，生成NH3化合物硫酸氫銨，沉積在空預(yù)器上，造成傳熱元件堵塞。具體改造措施如下：

合并預(yù)熱器冷段和中溫段傳熱元件，冷段傳熱元件從300 mm增高到900 mm左右。并使用換熱效果好于傳統(tǒng)預(yù)熱器的波形傳熱元件，這樣保證全部硫酸氫銨在該層內(nèi)部完成凝結(jié)和固化，避免在2層傳熱元件之間產(chǎn)生積聚效應(yīng)。傳熱元件內(nèi)部氣流通道為局部封閉型，保證吹灰介質(zhì)動量在元件層內(nèi)不迅速衰減，從而提高吹灰有效深度。冷段層采用搪瓷表面?zhèn)鳠嵩?。硫酸氫銨是強腐蝕物，它在煙氣溫度230℃左右時，開始從氣態(tài)凝結(jié)為液態(tài)，具有很強的黏結(jié)性，通常迅速粘在傳熱元件表面并進而吸附大量灰分，從而產(chǎn)生堵灰。采用搪瓷表面?zhèn)鳠嵩梢愿魯喔g物（硫酸氫銨和由SO3吸收水分產(chǎn)生的H2SO4）和金屬接觸，而且表面光潔，易于清洗。預(yù)熱器吹灰器采用雙介質(zhì)吹灰器，采用蒸汽作常規(guī)吹灰（1．0 MPa，300℃，每班一次）。預(yù)熱器轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)需作一些局部修改，如冷段元件也要改為從熱端吊出等。

5．3 引風(fēng)機的改造

采用SCR后，由于脫硝劑的噴入量相對煙氣量極微，因而引風(fēng)機風(fēng)量考慮不變；但因SCR反應(yīng)器、進出口煙道以及電袋除塵器改造，系統(tǒng)阻力增加，同時取消脫硫增壓風(fēng)機，將引風(fēng)機和增壓風(fēng)機合二為一，故引風(fēng)機壓頭將增加。改造后引風(fēng)機設(shè)備TB點壓升為10 120 Pa，采用雙級動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機。

6 結(jié)語

陡河發(fā)電廠＃3機組的煙氣脫硝系統(tǒng)改造工程涵蓋的設(shè)備改造范圍廣，具有選擇性催化還原法（SCR）脫硝改造的技術(shù)特點，可為相關(guān)設(shè)備改造，使舊機組適應(yīng)國家新的環(huán)保要求提供參考。

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

［2］楊忠燦，文軍，徐黨旗．燃煤鍋爐的選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)［J］．廣東電力，2006（2）