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        1000MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2014-08-08 09:53:06胡志光朱怡儒
        化工進(jìn)展 2014年1期
        關(guān)鍵詞:煙氣催化劑系統(tǒng)

        胡志光,朱怡儒

        (華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北 保定071000)

        近年來,我國國民經(jīng)濟(jì)迅速增長,對電能的需求極大增加,而我國的能源結(jié)構(gòu)是以煤炭為主,作為主要的電源供應(yīng)的燃煤電廠逐年增加。與燃煤相關(guān)的環(huán)境問題愈加突出,控制燃煤污染物排放是大氣污染控制的主要任務(wù),火電廠更是大氣污染控制的重中之重。

        我國是能源消耗大國,而氮氧化物的排放70%來自燃煤,我國發(fā)電能源結(jié)構(gòu)及趨勢見表1。由此可見,在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi),火電仍占我國能源結(jié)構(gòu)中絕大部分[1]。

        目前,我國NOx的年排放量僅次于美國。隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長,我國NOx的排放量將繼續(xù)穩(wěn)步增長。NOx型的減排是我國“十二五”節(jié)能減排的新增任務(wù),目前火電行業(yè)SO2和NOx的排放量占全國排放總量的40%以上,能否完成NOx減排任務(wù)與燃煤電廠脫硝緊密相關(guān)[2]。

        同時(shí)根據(jù)新出臺(tái)的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)我國NOx排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)降為100mg/m3[3]。隨著氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,在眾多脫硝方法中,選擇性催化還原(SCR)法以其脫硝效率高、技術(shù)成熟、幾乎無二次污染等優(yōu)點(diǎn),在美國、歐洲、日本的火電廠已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[4]。但是,目前中國的脫硝市場還不夠完善。運(yùn)行和催化劑的價(jià)格過高,而這一缺點(diǎn)隨著技術(shù)的進(jìn)步,正在不斷被克服。

        表1 我國發(fā)電能源結(jié)構(gòu)及趨勢

        本文以某1000MW機(jī)組為研究對象,根據(jù)鍋爐的煙氣參數(shù),設(shè)計(jì)SCR反應(yīng)器及氨系統(tǒng)。

        1 某1000MW電廠的工藝流程和設(shè)計(jì)參數(shù)

        1.1 某1000MW電廠脫硝裝置布置

        某1000MW超臨界燃煤鍋爐的脫硝裝置使用高塵布置,脫硝工藝流程如圖1所示。

        圖1 SCR脫硝工藝流程

        高塵布置方法使得SCR反應(yīng)器在省煤器和空氣預(yù)熱器之間,布置緊湊,節(jié)約鋼材,反應(yīng)溫度在280~450℃之間,這個(gè)溫度符合市面上已有的催化劑溫度范圍,煙氣不需要加熱就可以進(jìn)行脫硝反應(yīng),節(jié)約能源。

        1.2 SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)

        使用鍋爐為超臨界參數(shù),微油點(diǎn)火,燃油助燃,固態(tài)排渣鍋爐。省煤器的出口煙氣量為3817847.893m3/h,煙氣溫度為365℃,省煤器出口NOx含量為550mg/m3。根據(jù)2012年1月1日實(shí)施的排放標(biāo)準(zhǔn),NOx的排放限值為100mg/m3,為滿足新要求,該燃煤機(jī)組脫硝效率至少要達(dá)到81.8%??紤]25%的裕量,本設(shè)計(jì)要達(dá)到的脫硝效率為86.4%,滿足效率時(shí)NOx排放量為75mg/m3。同時(shí)SO2到SO3的轉(zhuǎn)化率小于1%,氨逃逸率小于5mg/L。SCR反應(yīng)器入口煙氣濃度如表2所示,過量空氣系數(shù)為1.18。

        SCR反應(yīng)器采用雙煙道雙SCR反應(yīng)器形式設(shè)計(jì),單個(gè)SCR反應(yīng)器尺寸按鍋爐50%BMCR最小工況下煙氣量的要求設(shè)計(jì),一臺(tái)SCR設(shè)備處理的煙氣量為1908923.946m3/h。設(shè)計(jì)壓力按±5800Pa考慮,瞬時(shí)不變形承載力不低于±9800Pa。

        表2 脫硝系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)

        表3 SCR反應(yīng)器本體參數(shù)

        根據(jù)入口煙氣的流量及參數(shù),從而確定反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

        1.3 催化劑的設(shè)計(jì)

        采用蜂窩式SCR催化劑,活性材料由V2O5、WO3、TiO2等組成。這種類型的催化劑模塊化、相對質(zhì)量比較輕、長度易于控制、比表面積大、回收利用率高,在世界催化劑市場占60%以上的份額,應(yīng)用比較廣泛,供應(yīng)商也較多。

        催化劑部分參數(shù)如表4所示。每層催化劑有9×9個(gè)模塊,每個(gè)模塊有8×8個(gè)單元,每個(gè)催化劑單元截面尺寸為150mm×150mm。為了減輕飛灰對催化劑的磨損,采用邊緣硬化技術(shù)。

        催化劑層為2+1層布置,初裝2層,預(yù)留1層備用。這樣可既以達(dá)到預(yù)定的脫硝效率,又為日后提高的脫硝標(biāo)準(zhǔn)提供預(yù)留空間[5]。催化劑設(shè)計(jì)圖如圖2、圖3所示。

        表4 催化劑參數(shù)表

        圖2 催化劑俯視圖

        圖3 催化劑側(cè)視圖

        2 液氨系統(tǒng)及主要供應(yīng)系統(tǒng)

        2.1 噴氨格柵

        在脫硝過程中,氨氣能否與煙氣均與混合是提高脫硝效率的重要方法之一。為了確保氨氣與煙氣混合均勻,本設(shè)計(jì)采用線性噴氨格柵。每個(gè)管道都可以根據(jù)煙氣流量和分布來調(diào)節(jié)氨氣噴入量。噴射系統(tǒng)具有良好的抗熱變形性、熱膨脹性、抗震性和耐磨性。

        按車間儲(chǔ)罐中的液氨送到蒸發(fā)器中產(chǎn)生氣態(tài)氨,氣態(tài)氨被空氣稀釋后,經(jīng)氨注射柵格注入SCR反應(yīng)器入口前的煙道中。氨噴射系統(tǒng)由數(shù)根噴管構(gòu)成,每根噴管上有大量的噴嘴,將氨/空氣混合物噴入煙道,并混合氨/空氣混合物和煙氣,使通過煙道的NH3/NOx比率分布均勻。液氨儲(chǔ)存系統(tǒng)及供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

        表5 液氨儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

        2.2 液氨儲(chǔ)罐

        液氨儲(chǔ)罐是SCR系統(tǒng)中儲(chǔ)存液氨的設(shè)備,體積一般為鍋爐BMCR工況下一周的液氨消耗量,并且保證儲(chǔ)罐上部至少有10%的汽化空間。本設(shè)計(jì)中有兩臺(tái)SCR反應(yīng)器同時(shí)運(yùn)行,用量為131691.84kg。液氨儲(chǔ)罐容量按照脫硝反應(yīng)器運(yùn)行7天、每天24h的用量計(jì)算。由于液氨消耗量過大,本工程設(shè)計(jì)4臺(tái)臥式液氨儲(chǔ)罐,每兩個(gè)液氨儲(chǔ)罐可供鍋爐BMCR工況下連續(xù)一周的氨氣量。液氨儲(chǔ)罐采用常溫壓力儲(chǔ)存,液氨儲(chǔ)罐主要技術(shù)參數(shù):容積為120m3;尺寸為φ3400mm×12000mm;設(shè)計(jì)壓力為2.16MPa;設(shè)計(jì)溫度為-10~40℃,使用材料為16MnDR。液氨儲(chǔ)罐如圖4[6]。

        圖4 液氨儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)圖

        2.3 液氨供給設(shè)備

        液氨蒸發(fā)器是將液氨蒸發(fā)成氨氣的裝置,本文采用臥式液氨蒸發(fā)器。蒸汽流量受蒸發(fā)槽自身水浴的溫度控制調(diào)節(jié)。管內(nèi)為液氨,管外為溫水浴。蒸汽直接噴入水中加熱至40℃,以溫水將液氨汽化,并加熱至常溫。

        液氨經(jīng)過液氨蒸發(fā)器后形成氨氣,進(jìn)入氨氣緩沖槽,緩沖槽對氨氣起到緩沖作用,保證氨氣有穩(wěn)定的壓力。

        液氨系統(tǒng)各排放處所排出的氨氣經(jīng)管線匯集后,從稀釋槽底部進(jìn)入,通過分散管將氨氣分散至稀釋水槽中,用大量水吸收安全閥排放出的氨氣。液氨稀釋槽為出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí),處理氨排放的設(shè)備。槽中的稀釋水需要周期性地更換。

        氨氣屬于易爆危險(xiǎn)品,其爆炸范圍是氨氣與空氣體積比為15%~28%。因此,防止氨氣泄漏以及氨氣與空氣混合,保持液氨儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)的嚴(yán)密性是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵?;诎踩紤],該系統(tǒng)的液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐等設(shè)備全部安裝氮?dú)獯祾吖芫€。在液氨卸料之前,通過氮?dú)獯祾吖芫€對以上設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)嚴(yán)密性檢查和氮?dú)獯祾撸乐拱睔庑孤┡c系統(tǒng)中殘余空氣混合造成危險(xiǎn)[7]。

        2.4 吹灰系統(tǒng)

        根據(jù)本設(shè)計(jì)灰份的特性,采用DC-75型聲波吹灰器,按每一層催化劑設(shè)置4臺(tái)吹灰器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        聲波吹灰器頻率為75Hz,有效輻射范圍前方為12~16m,兩側(cè)為3~8m。每次吹掃時(shí)間間隔為290s,每次吹掃維持時(shí)間為10s。吹灰器從最上層開始吹掃,每層4個(gè)吹灰器同時(shí)運(yùn)行。主要易損部件為鈦金屬膜片,一般使用壽命為5年。聲波吹灰器的缺點(diǎn)是噪聲較大,需在反應(yīng)器外部的吹灰器發(fā)聲部分做隔音處理,經(jīng)過處理后可以使噪聲水平降低到75dB以下[8]。

        3 結(jié) 論

        我國目前的脫硝工程多數(shù)集中在電力行業(yè),隨著新建電廠裝機(jī)容量越來越大,SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)未能跟上行業(yè)發(fā)展,仍處于起步階段,不夠成熟。依據(jù)某1000MW燃煤電廠運(yùn)行情況,設(shè)計(jì)SCR系統(tǒng)的本體和液氨系統(tǒng)。由于國內(nèi)SCR系統(tǒng)還不夠成熟,以理論聯(lián)系實(shí)際為宗旨,為1000MW的SCR脫硝系統(tǒng)提供參考。兩臺(tái)SCR設(shè)備同時(shí)投運(yùn),采用高溫高塵布置方案設(shè)計(jì),由省煤器出口分為兩個(gè)平行煙道進(jìn)入SCR反應(yīng)器,不設(shè)省煤器和SCR反應(yīng)器旁路。供氨系統(tǒng)自建氨站,采用液氨作為還原劑。SCR運(yùn)后,將極大減少NOx的排放,對周圍環(huán)境治理有極大改善。

        [1] 李勝光.火電廠SCR煙氣脫硝氨氣氣化系統(tǒng)模型辨識(shí)與方案設(shè)計(jì)[D].天津:天津大學(xué),2011.

        [2] 李春雨.我國火電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀分析[C]//第十五屆中國科協(xié)年會(huì)第9分會(huì)場:火電廠煙氣凈化與節(jié)能技術(shù)研討會(huì)論文集,2013.

        [3] 譚青,馮雅晨.我國煙氣脫硝行業(yè)現(xiàn)狀與前景及SCR脫硝催化劑的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2011,30(s1):709-713.

        [4] 于曉海,劉波.SCR脫硝催化劑的設(shè)計(jì)與維護(hù)[J].中國氯堿,2012(5):44-46.

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