SCR煙氣脫硝技術在大唐哈爾濱第一熱電廠的應用

莊建華

(大唐哈爾濱第一熱電廠,黑龍江哈爾濱 150001)

SCR煙氣脫硝技術在大唐哈爾濱第一熱電廠的應用

莊建華

(大唐哈爾濱第一熱電廠,黑龍江哈爾濱 150001)

闡述了選擇催化還原(SCR)脫硝技術,結合其在大唐哈爾濱第一熱電廠 2×300MW機組的應用情況,對SCR煙氣脫硝技術的化學反應機理、工藝流程、主要設備及SCR煙氣脫硝系統實際運行進行了分析。

SCR;脫硝率;系統阻力

1 概述

大唐哈爾濱第一熱電廠 2×300 MW新建工程采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝,由大唐環境科技工程有限公司建造,工程包括設計、設備和材料采購供貨、土建施工和安裝工作;調試、試驗及檢查;試運行、消除缺陷、人員培訓和最終交付投產。

主要設計參數如表 1所示。

表1 SCR煙氣脫硝系統設計參數

續表

2 工藝流程及工作原理

該裝置工藝系統主要包括:液氨貯存、輸送和供應系統;稀釋風和噴氨調節系統;SCR反應系統。

SCR反應器采用高飛灰區布置方式,即 SCR布置在省煤器與空預器之間。鍋爐產生的煙氣經省煤器進入脫硝裝置噴氨格柵,經過導流板及整流板。充分混合,進入 SCR反應器,在金屬催化劑作用下,與噴氨格柵噴出的氨氣發生反應,將 NOx還原成 N2和 H2O。脫硝后的煙氣進入空預器,反應器區域設置兩層,有 18臺聲波吹灰器,以避免在反應器表面形成固體物沉積堵塞,如圖 1、圖 2所示。主要反應方程式

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (1)

8NH3+6NO2→7N2+12H2O (2)

由于 NH3不和煙氣中的殘余的 O2發生反應,因此稱這種方法為“選擇性”。

圖1 催化反應示意圖

氨區產生的氨氣經稀釋風稀釋至濃度 ＜5%后,進入氨氣分配集箱,通過調整各分支閥門開度,使各噴氨格柵噴出的氣氨量分布與當地氮氧化物分布均勻,從而獲得較高的脫硝效率及較低的氨逃逸量。

DCS系統為 FOXBORO公司設計的 II/A系統,該系統運行可靠、穩定,經過不斷優化調試,自動化程度高、聯鎖保護可靠、為脫硝系統的正常運行提供了可靠保證。

3 影響 SCR脫硝率的因素

圖2 脫硝系統流程示意圖

在 SCR系統中,最重要的運行參數是反應溫度、反應時間、NH3/NOx摩爾比、煙氣流速、O2濃度 、NH3的溢出濃度 、SO3濃度、H2O(蒸汽 )濃度、鈍化影響等。

a.反應溫度是選擇催化劑的重要運行參數,催化反應只能在一定的溫度范圍內進行,同時存在催化的最佳溫度,這是每種催化劑特有的性質,因此反應溫度直接影響反應的進程。在 SCR工作過程中溫度的影響有兩方面:一方面是溫度升高使脫NOx反應速度加快,NOx脫除率升高;另一方面溫度升高,NH3氧化反應開始發生,使 NOx脫除率下降。

b.反應時間是煙氣與催化劑的接觸時間,隨著反應時間的增加,NOx脫除率迅速增加。當接觸時間增至 200ms時,NOx脫除率達到最大值,隨后下降。這主要是煙氣與催化劑的接觸時間增大,有利于煙氣在催化劑微孔內的擴散、吸附、反應和生成物的解吸、擴散,從而使 NOx脫除率提高。但是,隨著接觸時間過長,NH3氧化反應開始發生,使 NOx脫除率下降。

c.NOx脫除率隨著 NH3/NOx摩爾比的增加而增加,NH3/NOx摩爾比小于 1時,其影響更加明顯。若 NH3投入量偏低,NOx脫除率不高;若 NH3投入量偏高,NH3氧化等副反應的反應速度將增大,從而降低了 NOx脫除率,同時也增加了凈化后煙氣中NH3的排放濃度,造成二次污染。一般控制 NH3/NOx摩爾比小于 1.2。

另外,煙氣流速直接影響 NH3與 NOx的混合程度,需要合理的流速以保證 NH3與 NOx充分混合,使反應充分進行;同時,反應需要 O2的參與,隨著O2濃度增加,催化劑性能提高。但 O2濃度不能過高,一般控制在 2%～3%;NH3的溢出濃度是影響SCR系統運行的另一個重要參數,實際生產中通常是多于理論量的 NH3被噴射進入系統,反應后在煙氣下游多余的 NH3稱為 NH3的溢出,NOx脫除效率隨著NH3的溢出量的增加而增加,在某一個NH3的溢出量時達到一個最大值;另外 H2O(蒸汽)濃度的增加使催化劑性能下降,催化劑鈍化失效也不利于SCR系統的正常運行,必須加以有效控制。

4 SCR脫硝裝置系統阻力

脫硝系統的阻力與層數、脫硝催化劑的形式有關,板式的阻力要小于蜂窩式的。SCR脫硝裝置產生的煙氣阻力包括煙氣在煙道中的沿程阻力、局部阻力和催化劑本身的阻力。催化劑在反應器中采用分層布置(一般為 2～3層),對于反應器中典型的設計煙氣流速(約 6 m/s)和標準尺寸的催化劑模件,每層催化劑的煙氣阻力為 200 Pa。SCR脫硝裝置反應器和增加的煙道使鍋爐煙氣側阻力增加,從而增加引風機的功率和電耗。脫硝裝置的煙氣阻力變化主要由運行過程中煙氣灰塵堆積引起的。產生積灰的原因除了與煙氣中灰的濃度有關外,還與機組運行負荷有關。機組一般在正常負荷下運行時,煙道內的流速較高,產生積灰的可能性較小;在低負荷運行工況下,煙道內流速較低,在水平煙道及拐彎處、催化劑表面容易產生積灰現象。

本文以重慶市某滑坡作為典型堆積層滑坡，分析了該滑坡位移特征，基于數值模擬進行了滑坡位移預測并檢驗了其可靠性，主要獲得了以下結論：

5 脫硝系統運行注意事項及相關運行控制

5.1 催化劑活性及壽命

催化劑是 SCR技術的關鍵設備,其活性對脫硝裝置的正常運行至關重要;同時,由于 SCR裝置的運行成本在很大程度上取決于催化劑的壽命,因此,加強運行管理,保障/增加催化劑的壽命就顯得尤為重要。

該脫硝裝置采用了板式催化劑,主要成分為V2O5/TiO2,具有優良的耐久性、耐腐性、高反復利用率、低壓降等特性。在實際運行中,催化劑有兩種可能失活的原因影響到催化劑的使用壽命:a.煙氣中帶有的堿金屬(如 Na、K、Ca等)和重金屬(如As、Pt、Pb等 )吸附在催化劑毛細孔內,與催化劑表面的 SO3發生反應生成硫化物,形成化學失活,通常也稱為催化劑中毒。b.高溫燒結、磨損和固體顆粒沉積堵塞而引起催化劑物理活性破壞。

為了降低固體物沉積堵塞造成的失活(尤其是物理失活),作出如下運行規定:嚴格遵守廠家的技術要求,保證每臺吹灰器每 10min吹灰 10 s,目前該操作由 DCS自動完成;密切關注兩層催化劑前后煙氣差壓,若偏離正常運行值,應加強檢查,縮短吹灰周期;機組停運時對催化劑表面積灰及堵塞情況進行檢查。從目前運行情況看,滿負荷正常運行時,兩層催化劑前后煙氣差壓穩定小于 500 Pa;機組停運檢查,催化劑表面清潔,無積灰及堵塞情況。

5.2 反應溫度

不同的催化劑具有不同的適用溫度范圍。當反應溫度低于催化劑的適用溫度下限時,在催化劑上會發生副反應,NH3與 SO3、H2O反應生成(NH4)2SO4或 NH4HSO4,減少與 NOx的反應,生成物附著在催化劑表面,堵塞催化劑的通道和微孔,降低催化劑的活性。另外,如果反應溫度高于催化劑的適用溫度,催化劑通道和微孔會發生變形,導致有效通道和面積減少,從而使催化劑失活。溫度越高,催化劑失活越快。

該脫硝裝置所用催化劑設計溫度為 290～400℃。根據目前經常運行負荷情況統計,大唐哈爾濱第一熱電廠通常脫硝裝置入口煙氣溫度高于 300℃。為了減小煙氣溫度下降引起的催化劑失活,將脫硝裝置入口溫度低保護停運脫硝系統的限值更改至300℃。

5.3 氨氣噴入量和 NH3/NOx混合

還原劑 NH3的用量一般根據達到的脫硝效率來控制。當噴入的氨氣量不足時,NH3和 NOx的反應不完全,NOx的轉化率低;當噴入量增加到一定程度后,NOx的轉化率基本不再增加,還原劑 NH3會發生浪費,泄漏量增大,造成二次污染。同時,過量噴入的 NH3與 SO3反應生成的硫酸氫氨及硫酸氨將增加空預器的積灰及堵塞情況,嚴重影響鍋爐運行安全。

NH3與廢氣的混合程度十分重要,如混合不均,即使噴入量不大,NH3和 NOx也不能充分反應,不僅不能到達有效脫硝的目的,還會造成 NH3局部過量,氨逃逸量增加。當速度分布均勻、流動方向調整正確時,NOx轉化率、氨逃逸量及催化劑的壽命才能得到保證。采用合理的噴嘴格柵,并為 NH3和廢氣提供足夠長的混合通道,是 NH3和廢氣均勻混合的有效措施。目前,脫硝裝置經過初步調整后,脫硝效率能達到 60%,氨逃逸量 ＜3μL/L。

5.4 煙氣在線監測儀表

由于噴氨量及 NOx排放濃度均根據 NOx及NH3在線監測儀表的指示值進行控制,因此煙氣在線監測儀表的準確性至關重要,直接關系到催化脫硝裝置的運行效益、NOx的排放濃度、液氨泄漏量等指標的高低。同時,由于煙氣在線監測儀布置于高飛灰區,環境惡劣,大唐哈一熱專業人員對煙氣監測儀表進行定期維護、保養、校驗與檢修工作。

6 SCR煙氣脫硝系統運行分析

a.根據大唐哈爾濱第一熱電廠 2×300 MW機組 SCR煙氣脫硝系統的實際調試及運行情況,SCR煙氣脫硝系統的脫硝效率較高,可達到 64%,滿足NOx排放標準要求。但應避免脫硝效率超過 70%,造成反應器出口 NH3逃逸率及系統經濟性降低。

b.煙氣溫度對催化劑的活性有重要影響。當煙氣溫度低于催化劑的活性溫度范圍時,NH3與SO3、H2O反應生成(NH4)2SO4,粘附于催化劑及空預器表面,引起催化劑和空預器積灰,降低催化劑活性及脫硝效率。當煙氣溫度高于催化劑的活性溫度范圍時,加速了催化劑的老化,同時還會使NH3直接轉化為 NOx。該工程催化劑活化溫度范圍為 300～420℃,實際運行過程中煙氣溫度低于310℃時,應退出脫硝系統運行。

c.SCR煙氣脫硝系統配備氨泄漏監測裝置、消防噴淋系統以及專用防護用品,運行人員嚴格遵守操作規程,加強安全意識、做好事故預想及應急預案,才能保證 SCR煙氣脫硝系統運行安全可靠。

d.運行中存在的安全問題。SCR系統運行時,會把煙氣中的 SO2變成 SO3,燃用高硫煤的電廠一定要特別注意;煙氣中的 N2O會有所增加,而 N2O對 O3層的危害更大。另外,SCR系統中所用的還原劑 NH3是常見的有毒有害物質,使用過程中有潛在的危險。若固體催化劑處理不當,容易引起二次污染。

e.運行情況。該煙氣脫硝系統自 168 h滿負荷試運行結束移交生產以來,整個系統、設備一直投運正常。通過初步調整,脫硝系統長期在 64%脫硝效率連續穩定運行,出口氨逃逸量 ＜3μL/L,兩層催化劑前后壓差總和不超過 500 Pa,其它各項性能指標都在保證值范圍內。

7 結束語

SCR煙氣脫硝技術是目前國內外煙氣脫硝技術中比較成熟、可靠的工藝,不僅易于控制,脫硝效率高,而且運行安全可靠;其脫硝產物可以直接排放大氣,不會對大氣造成二次污染。雖然初期投資成本較高,但脫硝效率高,運行成本比較低,是一種比較理想的煙氣脫硝技術,具有廣闊的應用前景。

[1] 賈雙燕,路濤,李曉蕓,等.選擇性催化還原煙氣脫硝技術及其在我國的應用研究[J].電力環境保護,2004(1):19-21.

App lication of the SCR Flue gas desu lphurization adopted in Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant

ZHUANG Jianhua
(Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant,Harbin 150001,China)

Combing the application of the 2×300MW unit in Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant,this paper expounds the selective catalytic reduction(SCR)flue gas desulphurization,and analyzes its chemical reactive mechanism,technological process,main equipmentand practical operation.

SCR;desulphurization rate;system resistance

X 701.3

A

1002-1663(2010)01-0021-04

2009-09-15

莊建華(1971-),男,1994年畢業于哈爾濱工業大學熱能工程專業,高級工程師。

(責任編輯 侯世春)