陡河發電廠＃3（250 MW）燃煤機組SCR煙氣脫硝技術改造探討

董連城

（大唐國際陡河發電廠，河北 唐山063028）

0 引言

隨著我國工業進程的加快，NOx排放量和大氣中NOx濃度逐漸增加，大氣污染的性質發生了變化，對自然生態環境構成巨大的威脅。陡河發電廠順應環保要求，對＃3機組進行煙氣脫硝的技術改造。經論證選用了選擇性催化還原法（SCR），以尿素為還原劑。2012年12月31日，該機組脫硝系統順利通過168 h帶負荷試運行，脫硝系統入口NOx由近400 mg／Nm3降低到80 mg／Nm3以下，優于環保要求的100 mg／Nm3標準，標志著＃3機組煙氣脫硝改造的成功。

1 SCR煙氣脫硝的技術原理和工藝過程

因陡河發電廠所處地理位置的關系，結合考量尿素在運輸、儲存中無需注意其危險性，故選擇了尿素作為還原劑。在NOx的選擇性催化還原過程中，尿素熱解后生成的NH3將煙氣中的NOx轉化為N2。在SCR反應器中，煙氣脫硝的主要化學反應式為：

＃3機組SCR系統分為尿素溶液制備／儲存區和SCR反應器區。尿素溶液制備／儲存區包括尿素溶液制備／儲存系統、循環／供應系統及伴熱沖洗系統等，SCR反應器區包括反應器、催化劑、尿素熱解系統、稀釋風機、噴氨格柵（AIG）及吹灰器等。

工藝流程為：將尿素人工加入溶液罐中，用除鹽水將尿素制成50%～60%濃度的溶液，經混合泵送入儲存罐。尿素溶液經輸送泵、循環／供應管道、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入熱解爐內分解，生成NH3、H2O和CO2，分解產物與稀釋風充分混合生成含5%NH3的混合氣體，通過噴氨格柵噴入煙道。NH3與NOx在反應器內催化劑的作用下發生催化還原反應，NOx被還原為無害的N2和H2O，具體如圖1所示。

圖1 ＃3機組煙氣脫硝系統工藝流程示意圖

2 工藝參數

脫硝系統工藝參數：煙氣量為8．5×105Nm3／h（濕基，實際氧，標準態）；煙氣溫度為300～400℃；NOx≤400 mg／Nm3；SO2≤3 400 mg／Nm3；煙塵（實際氧）≤60 g／Nm3；脫硝效率≥80%；氨的逃逸率≤3×10－6；SO2／SO3轉化率≤1%；SCR系統壓降≤1 000 Pa。

3 工藝布置

＃3機組鍋爐與省煤器之間空間狹小，SCR反應器布置在了鍋爐兩側區域，屬于高塵法布置。省煤器下部的出口水平煙道拉出鍋爐區域鋼結構后垂直向上進入SCR反應器。反應器出口煙道水平進入鍋爐區域，與空預器入口連接。

4 工藝系統

4．1 還原劑制備／儲存區

本工程采用尿素熱解法制備脫硝還原劑，6臺鍋爐的脫硝裝置共用1個尿素溶液制備／存儲區，即按照2×250 MW＋4×200 MW機組消耗量設計。

系統流程：尿素溶解罐采用地上設計，人工將干尿素投入到溶解罐里，用除鹽水將干尿素溶解成50%～60%質量濃度的尿素溶液，通過尿素溶液混合泵輸送到尿素溶液儲罐。尿素溶液經輸送泵輸送到機組熱解系統。

系統設備組成：（1）尿素溶解罐：在室內設置2只溶解罐。罐內設蒸汽加熱系統，制成后的溶液溫度為40～50℃。罐體內壁采用316L不銹鋼制造，容積為33 m3，2個溶解罐按滿足6臺爐24 h尿素用量設計。（2）尿素溶液混合泵：尿素溶液混合泵為不銹鋼本體、碳化硅機械密封的離心泵，每只尿素溶解罐設2臺泵，1運1備，并列布置。混合泵利用溶解罐所配置的循環管道將尿素溶液進行循環，以獲得更好混合。最后將配制合格的溶液送入儲罐。（3）尿素溶液儲罐：設置2只尿素溶液儲罐（119 m3／個），滿足6臺機組6天的用量。儲罐采用不銹鋼制造，安裝伴熱裝置，使尿素溶液維持在35℃以上溫度。儲罐為立式平底結構，裝有液面／溫度顯示儀、人孔、梯子、通風孔等。（4）尿素溶液循環裝置：為6臺機組設置1套尿素溶液供應與循環裝置，循環管路為6臺鍋爐供應尿素溶液。尿素溶液循環裝置包含4臺全流量的多級離心泵（流量不小于120%，1運3備）。

由于尿素的溶解過程是吸熱反應，理論計算1 g尿素溶解于1 g水中，僅尿素溶解，水溫就會下降57．8℃。而50%的尿素溶液的結晶溫度是16．7℃。因陡電處在北方地區，故對尿素溶液配制及輸送過程的加熱和伴熱系統進行了重點設計。加熱汽源為機組輔助蒸汽聯箱（壓力1．0～1．5 MPa、溫度290～325℃）。尿素溶液管道采用水伴熱，設置了1臺混合式加熱伴熱水箱。伴熱管道有支路接入尿素溶液輸送管道，可作為沖洗水源。

4．2 SCR反應器區

（1）熱解爐。稀釋風機抽取空氣預熱器出口的熱風，經電加熱器升溫到600℃，作為熱源進入熱解爐，尿素溶液經過計量分配裝置分配后噴入熱解爐。要實現尿素溶液到氨的100%轉化率，必須保證熱解爐內尿素溶液有足夠的停留時間及流場均勻，同時維持適當的熱風溫度。尿素溶液的噴射量根據煙氣流量、NOx含量、脫硝效率等反饋信號而定，以滿足鍋爐負荷變化要求。

（2）稀釋風機。稀釋風機提供足夠的空氣量將氨氣充分稀釋，氨／空氣混合物中的氨體積含量小于5%。每臺鍋爐設2臺高壓離心式鼓風機（額定壓力12 000 Pa，流量6 530 m3／h），1運1備。稀釋風機能適應鍋爐40%～100%BMCR負荷下的正常運行，并留有一定裕度。

（3）噴氨格柵（AIG）。AIG布置在SCR反應器入口煙道水平段，其布置方式決定著煙道中注氨的均勻性，直接關系到脫硝效率和氨的逃逸率這2個重要指標。注入的氨／空氣混合物在煙道中與煙氣均勻混合是選擇性催化反應順利進行的先決條件。AIG共有160個噴嘴，均勻地分布在煙道截面上，其接口處氨／空氣混合物的溫度不低于280℃。

（4）反應器。反應器采用板箱式結構，輔以各種加強筋和支撐構件來滿足防震、承載催化劑、密封、承受載荷和抵抗應力的要求，并實現與外界的隔熱。反應器有門孔、觀察孔、單軌吊梁等裝置，用于催化劑的安裝、運行觀察和維護保養。本工程設有 2 臺 反 應 器，其 外 觀 尺 寸 為9 850 mm×7 950 mm×12 100 mm（長×寬×高）。

（5）催化劑。催化劑是SCR煙氣脫硝系統中最核心的部分。在催化劑表面，NOx與NH3反應，產生N2和H2O。催化劑按照NOx含量、溫度等運行條件而特別設計，幾何設計則考慮了粉塵的含量。具體如下：1）催化劑模塊。本工程選用的催化劑為板式結構，催化劑元件是催化劑的最小單元結構，每個元件的尺寸為464 mm×464 mm，高度為778 mm。催化劑模塊為施工現場的安裝單元，若干個催化劑元件組成催化劑模塊，模塊外部鋼箱由薄鋼板拼接而成，上面覆蓋有不銹鋼網，用于保護催化劑。本工程催化劑模塊有2種，每個催化劑模塊箱內裝有16個（A模塊）或8個（B模塊）催化劑元件，各元件之間用彈性的陶瓷纖維進行密封，用以防止催化劑受外部振動破損及未處理煙氣泄漏。2）催化劑層。本工程每層催化劑由4×10只模塊組成。為了防止煙氣短路，模塊之間的間隙采用角鋼、薄鋼片密封。＃3機組初期設計的脫硝效率為大于80%，先布置2層催化劑，遠期布置3層催化劑，脫硝效率超過90%。3）催化劑的吹灰系統。為保證催化劑長期在高飛灰工況下安全可靠運行，每層催化劑層設有蒸汽＋聲波吹灰系統。吹灰系統配備供汽／氣、疏水、控制、儲氣罐等輔助系統。每層布置3臺蒸汽吹灰器＋3臺聲波吹灰器，布置于反應器側墻和后墻。

5 相關設備的技術改造

5．1 煙道的改造

原鍋爐煙氣從省煤器出口進入空預器，加裝脫硝系統后，煙道布置改變。因＃3爐與電袋除塵器之間空間狹小，SCR反應器布置在鍋爐兩側。省煤器出口煙道向鍋爐兩側延伸接入SCR反應器。反應器出口煙道返回與空氣預熱器入口連接。為盡量較少SCR反應器及其出入口煙道阻力，通過理論計算和物理模型試驗，優化設置了導流板和煙道走向。實際運行后脫硝系統阻力低于600 Pa，小于設計值。

5．2 空氣預熱器的改造

在NOx與NH3反應過程中，會有少量的NH3隨煙氣一起逃逸出反應器，催化劑的氧化作用會將煙氣中的部分SO2氧化為SO3，與NH3發生反應，生成NH3化合物硫酸氫銨，沉積在空預器上，造成傳熱元件堵塞。具體改造措施如下：

合并預熱器冷段和中溫段傳熱元件，冷段傳熱元件從300 mm增高到900 mm左右。并使用換熱效果好于傳統預熱器的波形傳熱元件，這樣保證全部硫酸氫銨在該層內部完成凝結和固化，避免在2層傳熱元件之間產生積聚效應。傳熱元件內部氣流通道為局部封閉型，保證吹灰介質動量在元件層內不迅速衰減，從而提高吹灰有效深度。冷段層采用搪瓷表面傳熱元件。硫酸氫銨是強腐蝕物，它在煙氣溫度230℃左右時，開始從氣態凝結為液態，具有很強的黏結性，通常迅速粘在傳熱元件表面并進而吸附大量灰分，從而產生堵灰。采用搪瓷表面傳熱元件可以隔斷腐蝕物（硫酸氫銨和由SO3吸收水分產生的H2SO4）和金屬接觸，而且表面光潔，易于清洗。預熱器吹灰器采用雙介質吹灰器，采用蒸汽作常規吹灰（1．0 MPa，300℃，每班一次）。預熱器轉子等結構需作一些局部修改，如冷段元件也要改為從熱端吊出等。

5．3 引風機的改造

采用SCR后，由于脫硝劑的噴入量相對煙氣量極微，因而引風機風量考慮不變；但因SCR反應器、進出口煙道以及電袋除塵器改造，系統阻力增加，同時取消脫硫增壓風機，將引風機和增壓風機合二為一，故引風機壓頭將增加。改造后引風機設備TB點壓升為10 120 Pa，采用雙級動葉可調軸流式風機。

6 結語

陡河發電廠＃3機組的煙氣脫硝系統改造工程涵蓋的設備改造范圍廣，具有選擇性催化還原法（SCR）脫硝改造的技術特點，可為相關設備改造，使舊機組適應國家新的環保要求提供參考。

［1］陳進生．火電廠煙氣脫硝技術——選擇性催化還原法［M］．北京：中國電力出版社，2008

［2］楊忠燦，文軍，徐黨旗．燃煤鍋爐的選擇性催化還原煙氣脫硝技術［J］．廣東電力，2006（2）