深圳前灣燃機(jī)電廠 黃日輝

隨著近年來(lái)霧霾天氣等環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，我國(guó)對(duì)火電廠的環(huán)保要求越來(lái)越高。2017年，廣東深圳市人民政府頒布一號(hào)文——《深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量提升計(jì)劃（2017～2020年）》，明確規(guī)定了深圳市所有燃?xì)廨啓C(jī)氮氧化物排放不得超過(guò)15毫克/立方米。具體如表1所示。

深圳市某燃機(jī)電廠建有3臺(tái)390兆瓦級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組包含1臺(tái)蒸汽輪機(jī)、1臺(tái)發(fā)電機(jī)、1臺(tái)三菱M701F燃?xì)廨啓C(jī)、1臺(tái)余熱鍋爐及輔助設(shè)施。目前，該廠氮氧化物排放濃度低于50毫克/立方米，滿(mǎn)足國(guó)家要求，但是離深圳標(biāo)準(zhǔn)還有很大差距。因此，需在余熱鍋爐上進(jìn)一步配置脫硝裝置。

脫硝系統(tǒng)概述

1.脫硝原理

某燃機(jī)電廠脫硝技術(shù)改造采用SCR法（選擇性催化還原脫硝法），其原理是將氨氣與空氣混合氣通過(guò)噴氨格柵噴到余熱鍋爐煙氣中，氨氣和氮氧化物煙氣混合后經(jīng)過(guò)催化劑，氨氣同氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成對(duì)環(huán)境無(wú)害的氮?dú)夂退?。本工藝中的氨氣由尿素水解法制取。其主反?yīng)方程式如下。

尿素水解反應(yīng)方程式：

NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2+（x）H2O

脫硝反應(yīng)方程式：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

以上反應(yīng)若要順利進(jìn)行，如果沒(méi)有安裝對(duì)應(yīng)的催化劑，環(huán)境溫度必須在800攝氏度以上，但假如安裝了對(duì)應(yīng)的催化劑，其反應(yīng)溫度能降到約400攝氏度。余熱鍋爐滿(mǎn)足這一溫度的區(qū)域是高壓蒸發(fā)器與高壓省煤器2之間，這有利于鍋爐脫硝。

SCR催化劑的適宜工作溫度為250～420攝氏度。當(dāng)溫度高于420攝氏度時(shí)催化劑會(huì)迅速老化失效；當(dāng)溫度低于250攝氏度時(shí)催化劑活性又會(huì)受到影響，影響脫硝效果。為了兼顧催化劑使用壽命和脫硝率，催化劑必須安裝在合適位置。

2.系統(tǒng)流程

（1）系統(tǒng)構(gòu)成

脫硝系統(tǒng)可分為尿素制氨區(qū)域和SCR反應(yīng)器系統(tǒng)兩部分。

制氨系統(tǒng)如圖1所示，主要包含尿素溶解系統(tǒng)、尿素溶液貯存及輸送系統(tǒng)、管道伴熱系統(tǒng)、水解系統(tǒng)、加熱蒸汽及疏水回收系統(tǒng)、其余輔助系統(tǒng)（蒸汽減溫減壓系統(tǒng)、除鹽水補(bǔ)水系統(tǒng)、催化劑溶液制備系統(tǒng)、儀用壓縮空氣系統(tǒng)、洗系統(tǒng)及廢水系統(tǒng)）以及熱工控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。

SCR反應(yīng)器系統(tǒng)如圖2所示，主要設(shè)備包括煙氣系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器、AIG噴氨系統(tǒng)、稀釋風(fēng)系統(tǒng)等。

（2）工藝流程

主要工藝流程如下：凈煙氣與氨氣混合風(fēng)→鍋爐進(jìn)口煙道→AIG噴氨格柵→再熱器2/高壓過(guò)熱器2→再熱器1/高壓過(guò)熱器1→高壓蒸發(fā)器→催化劑→高壓省煤器2/中壓過(guò)熱器/中壓蒸發(fā)器/低壓過(guò)熱器2→高壓/中壓省煤器1/低壓過(guò)熱器1/低壓蒸發(fā)器→給水加熱器2/給水加熱器1→煙囪。

每個(gè)鍋爐都裝有可控硅反應(yīng)堆，反應(yīng)器中煙氣水平流動(dòng)，在鍋爐入口煙道，煙氣與噴氨格柵噴入的氨氣混合，再經(jīng)過(guò)催化劑時(shí)，在催化劑的作用下煙氣中的氮氧化物與氨氣反應(yīng)生成氮?dú)夂退?。煙氣進(jìn)入高壓省煤器2/中壓過(guò)熱器/中壓蒸發(fā)器/低壓過(guò)熱器2后，通過(guò)煙囪排入大氣。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組污染物排放限值（單位：毫克/立方米）

圖1 制氨系統(tǒng)

圖2 SCR反應(yīng)器系統(tǒng)

3.SCR反應(yīng)區(qū)主要設(shè)備概述

（1）SCR 反應(yīng)器

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，本次脫硝改造后所采用的SCR反應(yīng)器相比燃煤機(jī)組的SCR反應(yīng)器沒(méi)有明顯區(qū)別。其特征如下：

1）SCR反應(yīng)器無(wú)殼體，利用原有鍋爐通道；

2）煙氣不是常規(guī)地垂直向下流動(dòng)，而是沿水平方向流動(dòng)；

3）因?yàn)殄仩t入口煙氣粉塵含量較低，故整個(gè)脫硝系統(tǒng)未設(shè)計(jì)吹灰系統(tǒng)。

（2）催化劑

每臺(tái)爐內(nèi)只設(shè)計(jì)一列催化劑，催化劑采用蜂窩式55孔，催化劑節(jié)距2.8毫米。當(dāng)煙氣溫度不高于420攝氏度時(shí)，催化劑可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。催化劑化學(xué)壽命大于32000小時(shí)。

催化劑運(yùn)行活性最佳溫度為250～420攝氏度，當(dāng)煙氣溫度過(guò)高（高于420攝氏度）時(shí)，催化劑的老化將加速，會(huì)引起催化劑燒結(jié)和脆裂；最低連續(xù)運(yùn)行溫度為250攝氏度（248～250攝氏度連續(xù)運(yùn)行時(shí)間應(yīng)不高于12小時(shí)），最低運(yùn)行溫度248攝氏度（停止噴氨溫度）；低于最低溫度運(yùn)行，會(huì)降低催化劑活性，降低脫硝性能，降低催化劑化學(xué)壽命。

（3）稀釋風(fēng)系統(tǒng)

當(dāng)空氣中氨氣的體積濃度為15%～27%時(shí)，會(huì)有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。為了消除噴入煙道的氨氣與空氣混合物形成爆炸混合物的風(fēng)險(xiǎn)，氨空混合氣中的氨氣濃度必須低于爆炸極限（小于7%），同時(shí)，還要使混合系統(tǒng)內(nèi)的氨氣平均散布。

每臺(tái)鍋爐配備一個(gè)氨/空氣混合系統(tǒng)，用于在SCR反應(yīng)器中混合氨和空氣。

每個(gè)SCR反應(yīng)器配備一個(gè)噴氨格柵，氨空混合氣通過(guò)噴氨格柵噴入余熱鍋爐，并在噴氨格柵前設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)。設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的目的是，根據(jù)出口氮氧化物濃度和煙道入口氮氧化物濃度來(lái)調(diào)節(jié)氨的分布均勻，在調(diào)節(jié)完畢后嚴(yán)禁擅自調(diào)整手動(dòng)門(mén)。水解反應(yīng)器中產(chǎn)生的氨空混合氣先進(jìn)入計(jì)量模塊，再被來(lái)自稀釋風(fēng)機(jī)的鍋爐熱一次風(fēng)稀釋?zhuān)詈筮M(jìn)入氨氣和煙氣混合系統(tǒng)。

（4）水解系統(tǒng)

水解系統(tǒng)由水解反應(yīng)器、相應(yīng)的管道閥、電氣控制柜、儀表閥、安全閥等組成。

主要的工藝管道包括蒸汽加熱管道、蒸汽疏水管道、儀用空氣管道、尿素溶液管道、催化劑溶液管道、氨蒸汽管道、氨氣泄壓管道、蒸汽吹掃管道、廢液管道、水解器安全閥泄放管道、水解器表面排污管、水解器底部排污管等。

（5）水解反應(yīng)概述

水解反應(yīng)器中尿素溶液汽液兩相均衡系統(tǒng)的壓力和溫度分別約為0.5～0.6兆帕和120～155攝氏度。對(duì)于質(zhì)量比為50%尿素溶液的進(jìn)料，水解反應(yīng)器能產(chǎn)生質(zhì)量比為37.5%的氨、質(zhì)量比為18.7%的二氧化碳和質(zhì)量比為43.8%的蒸汽。這些氨氣混合氣流首先進(jìn)入計(jì)量模塊，再被來(lái)自稀釋風(fēng)機(jī)的鍋爐熱一次風(fēng)稀釋?zhuān)詈筮M(jìn)入氨氣和煙氣混合系統(tǒng)。

（6）加熱蒸汽及疏水回收系統(tǒng)

加熱蒸汽有四路：三路分別取自1～3號(hào)鍋爐蒸汽母管，另一路取自啟動(dòng)鍋爐蒸汽母管。分別用于溶解罐、兩個(gè)儲(chǔ)液罐的加熱和水解器出口氨蒸汽管道的伴熱以及減溫減壓裝置后，進(jìn)入水解器加熱。蒸汽經(jīng)水解器、溶解罐、儲(chǔ)存罐加熱后冷凝的疏水，由各疏水管道收集到疏水箱，用作配制尿素溶液、沖洗尿素溶液管道、減溫減壓裝置減溫水。

（7）伴熱系統(tǒng)

氨蒸汽管道、1號(hào)和2號(hào)水解氨蒸汽接觸主管、水解排汽管、各尿素溶液管道均設(shè)有加熱系統(tǒng)，以防止氨蒸汽管道溫度下降形成結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

表2 機(jī)組脫硝系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)

圖3 機(jī)組脫硝系統(tǒng)運(yùn)行曲線(xiàn)

運(yùn)行注意事項(xiàng)

機(jī)組脫硝系統(tǒng)的投退要提前與尿素區(qū)值班員做好溝通，機(jī)組計(jì)劃并網(wǎng)及解列時(shí)間也應(yīng)及時(shí)告知尿素區(qū)值班員；根據(jù)尿素區(qū)值班員的要求，進(jìn)行脫硝系統(tǒng)輔助蒸汽的投退，水解器熱態(tài)情況下（水解器溫度高于115攝氏度），一般需并網(wǎng)前1小時(shí)給脫硝系統(tǒng)提供輔助蒸汽。

脫硝機(jī)組熱態(tài)啟機(jī)且無(wú)其他運(yùn)行機(jī)組供輔助蒸汽，如機(jī)組余熱鍋爐高壓汽包壓力大于4兆帕且中壓汽包壓力大于1.6兆帕，可采用無(wú)外來(lái)輔助蒸汽啟機(jī)，啟機(jī)前提供輔助蒸汽步驟如下。

1）打開(kāi)脫硝機(jī)組高過(guò)出口電動(dòng)門(mén)后，進(jìn)行機(jī)組高壓主汽暖軸封的同時(shí)，利用高壓旁路給脫硝機(jī)組再熱管道緩慢充壓至中過(guò)出口壓力（注意不要超壓）；

2）將脫硝機(jī)組高壓旁路閥關(guān)閉投自動(dòng)，打開(kāi)脫硝機(jī)組中過(guò)出口電動(dòng)門(mén)；

3）利用脫硝機(jī)組冷再管道給機(jī)組輔助蒸汽母管緩慢充壓至1兆帕后，維持脫硝機(jī)組輔助蒸汽壓力；

4）利用脫硝機(jī)組輔助蒸汽母管給脫硝輔助蒸汽母管緩慢充壓至1兆帕；

5）繼續(xù)后續(xù)啟機(jī)操作。

因?yàn)榘睔饩哂休^強(qiáng)的腐蝕性，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中要特別注意以下幾點(diǎn)。

1）給機(jī)組SCR區(qū)供氨前，需要用蒸汽對(duì)機(jī)組氨氣管道進(jìn)行暖管；

2）機(jī)組SCR區(qū)停止供氨后，應(yīng)及時(shí)對(duì)機(jī)組氨氣管道進(jìn)行吹管。

當(dāng)發(fā)生鍋爐受熱面泄漏時(shí)，尤其是高壓蒸發(fā)器泄漏時(shí)，應(yīng)盡快安排機(jī)組停運(yùn)，防止催化劑受潮。SCR催化劑適宜的連續(xù)運(yùn)行溫度是250～420攝氏度。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)5小時(shí)溫度不得大于430攝氏度，否則會(huì)使催化劑永久失效。

結(jié)語(yǔ)

隨著環(huán)保要求越來(lái)越高，相信在不久的將來(lái)，脫硝裝置會(huì)是燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的標(biāo)配。隨著SCR脫硝技術(shù)在該燃機(jī)電廠的成功應(yīng)用，表明燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)用SCR脫硝技術(shù)足以達(dá)到目前最嚴(yán)格的環(huán)保要求，電廠新建或改造可以考慮選擇SCR脫硝技術(shù)。希望通過(guò)本次技術(shù)改造，能為同行在燃?xì)廨啓C(jī)脫硝技術(shù)方面積累一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。