馬曉偉MA Xiao-wei；尹田田YIN Tian-tian；黃云飛HUANG Yun-fei

（國家能源集團(tuán)石橫熱電有限公司，泰安 271600）

0 引言

工業(yè)化發(fā)展到今天，各工業(yè)企業(yè)都需要密切圍繞“雙碳”目標(biāo)，參與到節(jié)能減排的行動(dòng)中，創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)并更新設(shè)備?；鹆Πl(fā)電廠在生產(chǎn)期間的燃料消耗大、煙氣污染嚴(yán)重，不符合低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。當(dāng)前許多火電廠在國家戰(zhàn)略引導(dǎo)下陸續(xù)實(shí)施了煙氣脫硝工程，在煙氣脫硝處理中產(chǎn)生了諸多新技術(shù)、新設(shè)備，對(duì)促進(jìn)火電廠的生產(chǎn)轉(zhuǎn)型起到了重要的作用。每一火電廠應(yīng)從煙氣脫硝的過程、效果等出發(fā)，改造系統(tǒng)并嘗試推廣新技術(shù)，以構(gòu)建科學(xué)且合理的煙氣脫硝系統(tǒng)。

1 火電廠煙氣脫硝的必要性

火電廠生產(chǎn)期間以煤炭作為主要原料，但因?yàn)槊禾恐械牡趸锖枯^高，在持續(xù)生產(chǎn)過程中煤炭燃燒量大，將同步產(chǎn)生大量的煙氣，這些煙氣中的污染物多，不經(jīng)處理直接排放將加劇空氣污染。當(dāng)下我國的城市化進(jìn)程明顯加快，在此條件下用電需求激增，火電廠在承擔(dān)繁重的電力生產(chǎn)任務(wù)期間也需注意煙氣脫硝，以降低污染程度，實(shí)現(xiàn)減碳、清潔目標(biāo)。針對(duì)熱力型氮氧化物，溫度是需要關(guān)注的一大指標(biāo)，在溫度急劇升高的過程中，氮氧化物總量也相對(duì)較高；而燃料型氮氧化物多產(chǎn)生于高參數(shù)鍋爐中，這一鍋爐中的產(chǎn)生量占總量的很大比重；快速型氮氧化物于燃?xì)馊紵h(huán)節(jié)生成，氮氧化物含量與含氮量存在直接關(guān)聯(lián)，在含氮量較高的情況下，氮氧化物的含量也相對(duì)較高。目前我國火電廠都擴(kuò)大了其生產(chǎn)規(guī)模，為恢復(fù)大氣環(huán)境，火電廠需增大在煙氣脫硝方面的投入，以改善環(huán)境，提高火電廠生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益。

2 火力發(fā)電廠煙氣脫硝相關(guān)技術(shù)

2.1液氨脫硝技術(shù) 很多火電廠均采用了液氨脫硝技術(shù)，其原理為選擇性催化劑還原脫硝（SCR）。依據(jù)火電廠的生產(chǎn)特點(diǎn)，需要建立SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)，將此系統(tǒng)設(shè)置在省煤器與空預(yù)器之間。尿素?zé)峤馀c水解產(chǎn)生的NH3經(jīng)噴氨格柵均勻噴射于煙道，與煙氣充分混合以后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，在蜂窩式催化劑作用下將產(chǎn)生選擇性催化還原反應(yīng)，生成N2和H2O[1]。

反應(yīng)過程中有關(guān)人員需合理控制溫度，一般最佳的溫度區(qū)間為300～400℃。在特定的溫度條件下催化劑將凸顯其作用，提高脫硝效果。整個(gè)過程中存在以下化學(xué)反應(yīng)過程：

一旦在反應(yīng)過程中溫度超過了350℃，將伴隨著其他反應(yīng)過程，如NH3的氧化與分解，導(dǎo)致在反應(yīng)過程中NH3的消耗較大。為此，從經(jīng)濟(jì)性角度相關(guān)人員需合理控制反應(yīng)溫度，盡可能將溫度保持在350℃以下。

液氨與尿素相比，經(jīng)濟(jì)效益顯著，但是其安全風(fēng)險(xiǎn)較大，無論是運(yùn)輸液氨還是儲(chǔ)存液氨時(shí)都有嚴(yán)格的規(guī)定，一旦未執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)，將引發(fā)安全事故。

2.2尿素水解技術(shù) 火電廠的煙氣脫硝中如采用尿素水解技術(shù)，其原理為：在水的影響下尿素分解，形成氨與二氧化碳?；痣姀S生產(chǎn)期間為發(fā)揮尿素水解的作用，有關(guān)人員需根據(jù)火電廠生產(chǎn)流程，將一定量的尿素輸送于尿素溶解罐，借助攪拌器攪拌溶解尿素，形成60%的尿素溶液，混合泵再將此溶液輸送到尿素溶液儲(chǔ)罐，最后再輸送到水解反應(yīng)器，與此同時(shí)飽和蒸汽經(jīng)管束進(jìn)入水解反應(yīng)器，當(dāng)溫度、壓力分別為150～250℃、1.5～3.0MPa 時(shí)尿素溶液將分解，這一反應(yīng)后的產(chǎn)物為氨氣和二氧化碳，這就是尿素的水解過程[2]。水解反應(yīng)中也有一定的液體殘留，這些液體能被充分利用，以最大程度上減小熱損失。尿素水解后所產(chǎn)生的氨氣、二氧化碳依次進(jìn)入緩沖罐、鍋爐噴氨系統(tǒng)，最后完成脫硝。結(jié)合許多火電廠的尿素水解情況，規(guī)范應(yīng)用該技術(shù)可大大提高脫硝效率，且在整個(gè)過程中的成本消耗較低。即使如此，尿素水解也存在一定的缺點(diǎn)，就是水解過程中將產(chǎn)生氨基甲酸銨等酸性物質(zhì)，這些物質(zhì)對(duì)設(shè)備有明顯的腐蝕現(xiàn)象，可能損壞部分設(shè)備的零部件，增大設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

2.3尿素?zé)峤饧夹g(shù) 尿素?zé)峤饧夹g(shù)同樣能實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝。如在實(shí)際的工作中采用的是尿素?zé)峤饧夹g(shù)，有關(guān)人員需按照一定的比例配備尿素溶液，將此溶液經(jīng)給料泵、計(jì)量與分配裝置等輸送到火電廠的分解室，通過控制溫度與壓力來創(chuàng)造分解條件。根據(jù)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，尿素?zé)峤饧夹g(shù)下最佳的溫度與壓力分別為600℃、0.1MPa，精準(zhǔn)控制這些參數(shù)，能加快分解，形成NH3、H2O、CO2。稀釋空氣并加熱后重新進(jìn)入分解室，使其與氨氣、二氧化碳均勻、充分混合，最后由氨噴射系統(tǒng)進(jìn)入脫硝煙道。雖尿素?zé)峤饧夹g(shù)能實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝，但在具體應(yīng)用時(shí)也存在其他問題，如對(duì)溫度有嚴(yán)格規(guī)定，必須由專人根據(jù)溫度要求，做好尿素?zé)峤庠O(shè)備、管道等的保溫工作，特別是北方地區(qū)，冬季氣溫偏低，在未保溫處理時(shí)直接輸送尿素易出現(xiàn)結(jié)晶問題，影響煙氣脫硝。另外，尿素溶液在熱解室的停留時(shí)間相對(duì)較短，未分解的尿素也會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶問題。當(dāng)煙氣脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，噴氨格柵管道手動(dòng)閥前后段的蜂窩狀沉積物較多，尿素溶液無法在煙氣脫硝中發(fā)揮作用。

2.4SNCR 技術(shù) 在火電廠煙氣脫硝時(shí)可選擇的技術(shù)相對(duì)較多，選擇性非催化還原（SNCR）也相對(duì)常見，其技術(shù)過程為：將氨、尿素共同注入到鍋爐燃燒室，無催化劑時(shí)在煙氣溫度在760～1090℃的地方與燃燒時(shí)的氮氧化物反應(yīng)，生成分子氮、二氧化碳與水。在利用SNCR 技術(shù)時(shí)，為提高脫硝效率，相關(guān)人員需根據(jù)需求合理控制溫度，一般需將溫度保持在760～1090℃之間。一旦在反應(yīng)期間溫度較低，NO與氨之間無任何反應(yīng)。無反應(yīng)的氨就是逃逸氨，能與其他燃燒物如三氧化硫等反應(yīng)，生成銨鹽，影響各類設(shè)備的正常運(yùn)行。將SNCR 與SCR 技術(shù)相對(duì)比，前者的脫硝效率偏低。

3 火力發(fā)電廠建立煙氣脫硝系統(tǒng)的關(guān)鍵要點(diǎn)

3.1構(gòu)建燃燒系統(tǒng) 火電廠為實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝目的，必須構(gòu)建完善的煙氣脫硝系統(tǒng)，特別需注意其中的燃燒系統(tǒng)。結(jié)合煙氣脫硝系統(tǒng)的構(gòu)成，燃燒系統(tǒng)僅為其中的一大子系統(tǒng)。為凸顯燃燒系統(tǒng)的作用，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)時(shí)需考慮脫硝要求，嚴(yán)格控制燃燒過程。結(jié)合火電廠的煤炭燃燒過程，在設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)時(shí)有關(guān)人員需選擇最佳的風(fēng)口結(jié)構(gòu)，將原先的單一風(fēng)口變?yōu)槎鄠€(gè)風(fēng)口，保障燃燒期間氧氣高速流動(dòng)，在有需要的條件下促進(jìn)低碳燃燒。當(dāng)然，燃燒系統(tǒng)中同樣應(yīng)合理控制燃燒溫度，以創(chuàng)造條件促進(jìn)碳元素、氧氣的反應(yīng)，保持充分燃燒，從根本上控制一氧化碳?xì)怏w的產(chǎn)生量。為提高燃燒系統(tǒng)的合理性，相關(guān)人員也需將鍋爐的風(fēng)力方向、強(qiáng)度作為參考，適當(dāng)增加燃燒器，使氣流中分布更多的燃燒物。

3.2建立蒸汽系統(tǒng) 鍋爐蒸汽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)也是影響煙氣脫硝效果的重要因素。為提高蒸汽系統(tǒng)的科學(xué)性，有關(guān)人員在前期設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注蒸汽的傳輸與擴(kuò)散過程，優(yōu)化系統(tǒng)細(xì)節(jié)。燃燒氣體能否均勻分布，與蒸汽數(shù)量及分布有關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)蒸汽系統(tǒng)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加蒸汽輸送口的數(shù)量，以保障鍋爐內(nèi)部氣體的均勻分布。蒸汽系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)能調(diào)整煙氣的分布，避免煙氣集中分布于某一空間，否則，將影響脫硝試劑與煙氣的充分混合。在優(yōu)化蒸汽系統(tǒng)時(shí)關(guān)鍵應(yīng)調(diào)整過熱器的結(jié)構(gòu)，使過熱器蒸汽排出口向上打開，促進(jìn)煙氣向四周擴(kuò)散，保持良好的煙氣脫硝條件。

3.3設(shè)計(jì)噴射系統(tǒng) 脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中噴射系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸送反應(yīng)試劑，此系統(tǒng)的運(yùn)行水平關(guān)乎脫硝效率及效果。在噴射系統(tǒng)中噴槍必不可少，其主要結(jié)構(gòu)不在鍋爐內(nèi)，一般在鍋爐旁增設(shè)一個(gè)盛裝噴射試劑的容器，由導(dǎo)管來實(shí)現(xiàn)容器與噴槍之間的連接。在鍋爐內(nèi)安裝噴槍，但需注意安裝位置，確保噴槍口正對(duì)鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣。有關(guān)人員在前期設(shè)計(jì)噴射系統(tǒng)時(shí)，需考慮試劑在噴出后與煙氣之間的結(jié)合情況，盡可能采取霧化特點(diǎn)，使液體試劑以霧化氣體的形態(tài)噴出，促進(jìn)試劑與煙氣的混合。在改進(jìn)噴射系統(tǒng)時(shí)，有關(guān)人員應(yīng)考慮噴射試劑的泄漏。為實(shí)現(xiàn)防泄漏，相關(guān)人員可采用新型材料、閥門管路。

4 項(xiàng)目情況

某火電廠，為兩臺(tái)2×200MW 雙抽凝汽式供熱機(jī)組，包含2 臺(tái)670t/h 超高壓煤粉爐、脫硫裝置。綜合本火電廠的情況，鍋爐為超高壓、自然循環(huán)汽包爐、單爐膛、一次中間再熱、單鍋筒型結(jié)構(gòu)、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架、懸吊結(jié)構(gòu)、半露天布置燃煤鍋爐。整個(gè)生產(chǎn)期間采用的是低氮氧化物燃燒技術(shù)。為符合低碳環(huán)保要求，相關(guān)人員需做好煙氣脫硝設(shè)計(jì)。

5 煙氣脫硝設(shè)計(jì)方案

綜合本火力發(fā)電廠的煤質(zhì)資料、設(shè)備種類、煙氣參數(shù)、工藝流程等，最終選擇了SCR 煙氣脫硝技術(shù)，反應(yīng)劑為尿素或者液氨。如選擇液氨方案，占地面積大，還涉及征地問題。從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性角度，尿素方案更為適用。本項(xiàng)目中的SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)主要包含還原劑存儲(chǔ)與供應(yīng)系統(tǒng)、SCR 反應(yīng)器系統(tǒng)。

5.1確定還原劑的布置位置 綜合項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)地形等基本情況，并綜合了技術(shù)、管理人員的意見，尿素區(qū)可設(shè)置在以下兩個(gè)區(qū)域：布置在兩爐之間，占地18m×19m；引風(fēng)機(jī)擴(kuò)建端，占地10m×35m，如圖1 所示。

圖1 還原劑區(qū)布置平面圖

選擇第一種布置方案，接近正方形，區(qū)內(nèi)設(shè)備布置較為合理；第二種布置方案為狹長(zhǎng)的矩形，部分設(shè)備無法正常布置。另外，將還原劑區(qū)域設(shè)置在兩爐之間，尿素溶液管道、附屬公用管道與爐后的距離合理，方便物資運(yùn)輸。引風(fēng)機(jī)擴(kuò)建端布置還原劑區(qū)時(shí)，因?yàn)橛袊?yán)格的防火間距規(guī)定，尿素存放的西側(cè)墻應(yīng)作為防火墻。綜合上述一系列分析，在煙氣脫硝過程中需將尿素布置在兩爐之間。

5.2SCR 反應(yīng)器布置 為保障火電廠煙氣脫硝工作的順利進(jìn)行，在前期的工作中有關(guān)人員需做好充分的調(diào)研，了解火電廠的生產(chǎn)情況。綜合分析，布置脫硝裝置時(shí)有多種選擇?？紤]到成本方面，高溫高塵布置的優(yōu)勢(shì)明顯。另外，考慮到本次煙氣脫硝工程為改造項(xiàng)目，在布置設(shè)備時(shí)需考慮更多的因素，如采用低含塵方案，空間上不具備布置條件；冷段布置時(shí)需在SCR 前煙道添加燃油或者燃燒天然氣的燃燒器，以加熱煙氣，但此方式的前期投資和后期運(yùn)行成本較高[3]。從經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性分析，高溫高塵布置方案最為合理。具體來說，在省煤器與高溫空預(yù)器之間設(shè)置SCR 反應(yīng)器，因?yàn)樵鹊脑O(shè)計(jì)方案中沒有預(yù)留脫硝，去除原省煤器與高溫空預(yù)器之間的煙道，增設(shè)新省煤器到脫硝反應(yīng)器的煙道、反應(yīng)器到空預(yù)器的煙道。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鍋爐鋼架可能承受一定的荷載，前期相關(guān)人員需做好荷載分析與計(jì)算。每一套SCR 反應(yīng)器上都應(yīng)該有2 個(gè)反應(yīng)器、連接煙道與工藝管道。

5.3SCR 脫硝主工藝布置方案 此次改造期間，不僅要提高脫硝效率，還需盡可能保障原有的設(shè)備布置、工藝流程，以達(dá)到脫硝目的的同時(shí)降低改造的成本。本工程中的兩個(gè)機(jī)組，直接利用現(xiàn)有鍋爐鋼架無法安裝脫硝SCR裝置，需在原有鍋爐基礎(chǔ)上，適當(dāng)加高最后兩排的鋼架，并從整體上加固鋼架結(jié)構(gòu)，以保障其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在布置過程中主要需注意以下方面：由原鍋爐廠家或者專業(yè)單位對(duì)省煤器、空預(yù)器的改造進(jìn)行鍋爐熱力計(jì)算，改變省煤器空預(yù)器的布置方式、結(jié)構(gòu)形式。在重新計(jì)算省煤器、空預(yù)器的熱力時(shí)，首先需計(jì)算鍋爐的整體熱力情況，假定SCR 入口溫度為380℃、排煙溫度為129℃。

5.4技術(shù)路徑及要點(diǎn) ①工藝說明。本次煙氣脫硝中采用的是SCR 技術(shù)，此技術(shù)下需向鍋爐煙氣中噴入一定量的氨氣作為還原劑，并同步使用氧化鈦、氧化鐵、沸石等作為催化劑，將溫度控制在300～400℃，促進(jìn)氮氧化物的還原。

整個(gè)過程中的反應(yīng)過程為：

選擇尿素作為還原劑的情況下，有關(guān)人員需提前準(zhǔn)備充分的袋裝尿素，并將其存儲(chǔ)于專門的儲(chǔ)存區(qū)域，在后續(xù)使用時(shí)由斗式提升機(jī)輸送到溶解罐中，用去離子水將干尿素溶解成50%～60%質(zhì)量濃度的尿素溶液。在現(xiàn)場(chǎng)利用給料泵輸送尿素溶液，使其到達(dá)尿素溶液儲(chǔ)罐，溶液依次經(jīng)歷循環(huán)/傳輸裝置、計(jì)量與分配裝置、霧化噴嘴等達(dá)到絕熱分解室[4]。從鍋爐空氣預(yù)熱器抽取一次風(fēng)，由電加熱裝置進(jìn)行加熱，再使其進(jìn)入熱解室。經(jīng)過霧化的尿素液滴在絕熱分解室分解，生成還原劑NH3，以備SCR系統(tǒng)使用，而其他分解產(chǎn)物由氨噴射系統(tǒng)進(jìn)入煙氣脫硝系統(tǒng)。

②脫硝工藝系統(tǒng)。SCR 系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，其中主要包含帶催化劑的SCR 反應(yīng)器、氨噴射系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、煙道、尿素儲(chǔ)備供應(yīng)系統(tǒng)，每一部分都有其特定的作用，通過相互之間的有效配合，可全面提高煙氣脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，保障煙氣脫硝工作的順利進(jìn)行。煙氣從鍋爐省煤器出口開始均分為兩路，每一路煙氣都并行通過煙道，進(jìn)入垂直布設(shè)的SCR 反應(yīng)器中。煙氣經(jīng)過整流柵以后進(jìn)入催化劑層，依次經(jīng)過空預(yù)器、除塵器、引風(fēng)機(jī)、脫硫裝置，最后排入煙囪。系統(tǒng)中包含氨注入系統(tǒng)，該系統(tǒng)能促進(jìn)煙氣與氨的充分混合，創(chuàng)造催化反應(yīng)條件，脫除煙氣中的氮氧化物。經(jīng)由一系列實(shí)踐，利用SCR 技術(shù)進(jìn)行煙氣脫硝后，脫硝效率高達(dá)85%，在一些時(shí)候下脫硝率更高。為保障脫除效果，相關(guān)人員應(yīng)合理布置催化劑層，按照“2+1”層的方式布置，也就是布置兩層催化劑，預(yù)留一層布置空間[5]。

③設(shè)備方案。在此次改造過程中涉及了多種專業(yè)設(shè)備，這些設(shè)備的配置及布置情況是影響煙氣脫硝效果的重要因素。以煙道為例，當(dāng)脫硝裝置投入使用后，煙氣從省煤器出口煙道水平段引出，隨后進(jìn)入SCR 反應(yīng)器，此時(shí)煙氣向上轉(zhuǎn)彎經(jīng)過混合氣，再90°轉(zhuǎn)彎經(jīng)過導(dǎo)流葉片，在反應(yīng)器入口部位由漸變整流柵調(diào)節(jié)煙氣流速，使煙氣流速、方向等符合要求，最后流經(jīng)催化劑，以創(chuàng)造良好的反應(yīng)條件。為促進(jìn)煙氣脫硝，在煙道的三通、變截面收縮急轉(zhuǎn)彎頭等特殊位置，有關(guān)人員需依據(jù)煙氣流動(dòng)模型的分析情況，在恰當(dāng)?shù)奈恢貌荚O(shè)導(dǎo)流板，以調(diào)節(jié)煙氣的流動(dòng)方向。再比如SCR 反應(yīng)器，作為煙氣脫硝中的核心設(shè)備，每一臺(tái)鍋爐均需布設(shè)2 個(gè)SCR 反應(yīng)器，且需遵循平行布置的要求。反應(yīng)器上流段應(yīng)合理安裝煙氣導(dǎo)流、優(yōu)化分布的裝置、氨的噴射格柵，并且在反應(yīng)器豎直段布設(shè)催化劑床層。

6 結(jié)束語

煙氣脫硝對(duì)提高火電廠的生產(chǎn)效率及效益具有重要的意義。許多火電廠都在煙氣脫硝方面展開了一系列嘗試，但受限于諸多因素的限制，脫硝效果不佳。在各火電廠穩(wěn)步發(fā)展的過程中，有關(guān)人員需立足自身情況，合理創(chuàng)新煙氣脫硝工藝，構(gòu)建科學(xué)的煙氣脫硝技術(shù)體系、工藝路線。