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.

［5］ 王文選，趙繼海，周建鋒，等.600MW燃煤機(jī)組SCR脫硝工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.電力科技與環(huán)保，2010，26（2），1－3.

［6］ 劉新麗.SCR脫硝中液氨儲(chǔ)存與氣化的工藝設(shè)計(jì)比較［J］.中國科技博覽，2013（19）：335－335.

［7］ 呂宏俊，任庚坡.SCR脫硝技術(shù)在600MW燃煤機(jī)組上應(yīng)用的工藝設(shè)計(jì)［J］.上海節(jié)能，2013（6）：31－36.

［8］ 杜海紅.燃煤電廠煙氣脫硝裝置的仿真設(shè)計(jì)研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2010.