220t/h水煤漿鍋爐煙氣脫硝工藝技術

華 煒，凌 俊

（中國石化北京燕山分公司，北京 102500）

我國的鍋爐煙氣脫硝治理技術的開發應用目前還處于起始階段，有關技術大多是引進國外的技術結合國內的鍋爐運行狀況加以消化吸收，鍋爐脫硝的主要技術分為兩類：爐內脫硝和煙氣脫硝工藝技術。

煙氣脫硝方法可分成干法和濕法兩類，干法有選擇性催化還原（SCR）、選擇性非催化還原（SNCR）、非選擇性催化還原（NSCR）、分子篩、活性炭吸附法、等離子體法及聯合脫硫脫氮方法等；濕法有采用水、酸、堿液吸收法，氧化吸收法和吸收還原法等[1]。SCR 技術成熟可靠，脫硝效率高，能達到70%～96%或以上，在國外電站中得到廣泛應用。該工藝技術由美國Eegelhard 公司最先開發[1]。該技術是鍋爐煙氣在320～420 ℃的環境下，在特定的催化劑作用下，通過噴入NH3使NOx還原為N2與H2O，達到脫除NOx目的。安裝SCR 脫硝裝置已經成為新建機組及老機組脫硝改造的首選方案。

中國石化北京燕山分公司三電站220 t/h 水煤漿鍋爐是中日兩國簽訂的綠色援助項目之一，鍋爐于2000年1月建成并投入運行，鍋爐主要參數為：設計鍋爐容量220 t/h、設計蒸汽壓力等級9.81 MPa、設計溫度540 ℃。2003年配套建設了一套煙氣濕法脫硫裝置，主要用于鍋爐尾部煙氣的脫硫和除塵。項目建成投運后，鍋爐煙氣中的二氧化硫排放濃度小于100 mg/m3，煙塵排放濃度小于30 mg/m3，數據穩定率達到了100%，實現了該鍋爐煙氣中SO2和煙塵的達標排放。然而，鍋爐煙氣中的氮氧化物含量高達800 mg/m3，沒有進行必要的治理。中國石化北京燕山分公司鍋爐煙氣污染物排放必須滿足北京市《 鍋爐污染物綜合排放標準》DB 11/139—2002 的要求。標準規定該鍋爐氮氧化物含量小于250 mg/m3，為此，中國石化北京燕山分公司提出對220 t/h 水煤漿鍋爐實施脫硝技術研究，使之該鍋爐實現NOx的達標排放。

1 220 t/h 水煤漿鍋爐脫硝工藝方案的確定及工藝流程

中國石化北京燕山分公司通過對有關脫硝技術的比較選擇，確定選取奧地利ENVIRGY（安博巨）公司的選擇性催化還原（SCR）技術對220 t/h水煤漿鍋爐煙氣實施脫硝治理，脫硝的還原劑為液氨（純度99.6%）。

1.1 220 t/h 水煤漿鍋爐脫硝的主要參數（表1）

1.2 脫硝工藝方案及工藝流程的確定

220 t/h 水煤漿鍋爐使用的燃料采用大同煤漿，煙氣中水蒸氣的含量較高，氧氣體積分數為6% 左右，NOx氣體中NO 體積分數占90%。脫硝系統主要分為兩個部分，即SCR 反應器本體部分、還原劑液氨貯存及制備系統部分。

表1 脫硝的主要參數

SCR 反應器本體是未經脫氮的煙氣與NH3混合后通過安裝催化劑的區域產生反應的空間。在SCR 反應器內，煙氣與NH3的混合物在通過催化劑層時，煙氣中的NOx（主要是NO）在催化劑的作用下與NH3及O2反應生成N2與H2O，從而達到除去煙氣中NOx的目的。采用的脫氮還原劑為濃度不低于99.6%的液氨，有效成份為NH3，脫氮的基本反應方程式如下[1]。

4NO＋4NH3＋O2—→4N2＋6H2O

NO＋NO2＋2NH3—→2N2＋3H2O

副反應

2SO2+O2—→2SO3

SCR 反應器本體布置方案：SCR 催化反應器采用爐外布置，即布置在上級空預器和下級省煤器之間。鍋爐上級空預器出口煙氣接至反應器的入口端，煙氣經過SCR 反應器脫硝后，再接回下級省煤器煙氣入口端。為了留出進、出煙道所需的空間，原下級省煤器及下級空預器整體移至SCR 反應器下部，即反應器的煙氣出口端。經過SCR 反應器脫硝并熱交換后的煙氣再進入原脫硫系統脫硫，因此，SCR系統還要能耐受煙氣中硫和粉塵的沖擊。

還原劑液氨貯存及制備系統布置方案：根據電站總圖布置現狀確定液氨貯存及制備系統區域。該區域包含還原劑液氨貯存及制備系統的所有設備，主要有液氨貯罐、卸料壓縮機、氨蒸發槽、氨氣緩沖槽、液氨泵、氨吸收罐等。該區域設置1 個廢水池、1 臺廢液泵。在液氨存儲和供應區，液氨通過卸料軟管由槽車內進入液氨儲罐。卸車時，卸料壓縮機抽取槽車內的液氨，經加壓后打入液氨儲罐，這樣槽車內的液氨被壓入液氨貯罐。液氨貯罐液位到達高位時自動報警并與進料閥及卸料壓縮機電動機聯鎖，切斷進料閥及停止卸料壓縮機運轉。儲罐內的液氨通過出料管由儲罐內的壓力送至液氨蒸發槽，利用電站的70～90 ℃余熱熱水將液氨蒸發槽內的液氨氣化，氣化后的氨氣進入氨氣緩沖槽，緩沖槽可以提供穩定壓力的氨氣。氨蒸汽被送往SCR反應器區以供使用。

自氨供應區來的氨氣與稀釋風機來的空氣在氨/空氣混合器內充分混合。稀釋風機流量按100%負荷時氨量對空氣的混合比為5%設計。氨的注入量由SCR 反應器進、出口NOx、O2在線監視分析儀測量值來控制。

氨和空氣混合氣體進入位于煙道內的氨噴射格柵，噴入煙道后，通過靜態混合器再與煙氣充分混合，然后進入SCR 反應器，SCR 反應器操作溫度可在320～370 ℃范圍內，SCR 反應器安裝在上級空預器與下級省煤器之間。溫度測量點位于SCR反應器進口，當煙氣溫度在320～370 ℃范圍以外時，溫度信號將自動關閉氨進入氨/空氣混合器的快速切斷閥。

為了優化SCR 系統的設計，使SCR 系統內的溫度、速度、粉塵和氨分布均勻，同時降低系統的壓力損失，需要采用CFD 技術進行系統的優化調整。220 t/h 水煤漿鍋爐脫硝工藝流程見圖1。

2 脫硝工藝條件及主要參數的確定

2.1 催化劑選用及裝填方案

催化劑是SCR 的核心，采用催化劑，可以使NOx與氨之間的化學反應在較低的溫度下（180～600 ℃）進行，并且可以獲得更高的還原劑利用效率。催化劑可以促進化學反應，其活性會隨著時間的推移逐步下降，主要原因為表面被玷污或者有害元素中毒[2]。

催化劑都含有少量的氧化釩和氧化鈦，氧化鈦具有較高的抗SO3的能力。一般燃煤鍋爐用催化劑，均要求SO2轉化率在1%以下[3]。SCR 催化劑的載體可以是氧化鈦、沸石、氧化鐵或活性炭。

催化劑的結構、形狀隨它的用途而變化。蜂窩式和板式是常用的結構，一般組合成尺寸約為2 m×1 m×1 m 的模塊。

本項目采用板式結構的催化劑，反應器內設置2+2×1/2 個催化劑層，其中有兩個1/2 預留層。催化劑首次裝入量為104 m3，投運至第三年裝入第一個1/2 預留層即26 m2，在第八年加裝第二個1/2 預留層，整個催化劑層的阻力降小于1000 Pa。

2.2 液氨的蒸發

液氨的蒸發共設1 個蒸發器。蒸發器最大液氨蒸發量100 kg/h，能夠滿足SCR 反應器所需氨量。液氨在蒸發槽內蒸發為氨氣，液氨蒸發槽為螺旋管式，采用電站余熱熱水加熱。螺旋管內為液氨，管外為70～90 ℃的余熱熱水，以70～90 ℃的余熱熱水將液氨汽化至常溫。熱水流量受蒸發槽本身水浴溫度控制調節，當水浴溫度高過80 ℃時則切斷熱水，并在控制室報警顯示。蒸發槽上裝有壓力控制閥將氨氣壓力控制在2.1 kg/cm2，當出口壓力達到3.8 kg/cm2時，則切斷液氨進料。在氨氣出口管線上也裝有溫度檢測器，當溫度低于10 ℃時切斷液氨，使氨氣至緩沖槽維持適當溫度及壓力。蒸發槽也裝有安全閥，可防止設備壓力異常過高。

2.3 氨氣與空氣的混合比

自氨供應區來的氨氣與稀釋風機來的空氣在氨/空氣混合器內充分混合。氨與空氣的混合體積比約為5∶95。氨的注入量控制由SCR 反應器進出口NOx、O2在線監視分析儀測量值來聯鎖控制。

2.4 SCR 反應器內的反應溫度

氨和空氣混合氣體進入位于煙道內的氨噴射格柵，噴入煙道后，通過靜態混合器再與煙氣充分混合，然后進入SCR 反應器，SCR 反應器操作溫度可在320～370 ℃范圍內，SCR 反應器安裝在上級空預器與下級省煤器之間。溫度測量點位于SCR反應器進口，當煙氣溫度在320～370 ℃范圍以外時，溫度信號將自動關閉氨進入氨/空氣混合器的快速切斷閥。

圖1 工藝流程圖

2.5 氨的逃逸率控制

在SCR 進口設置NOx、O2、溫度監視分析儀，在SCR 出口設置NOx、O2、NH3監視分析儀。NH3監視分析儀監視NH3的逃逸率小于3%，超過則報警并自動調節NH3注入量。由于目前的NH3監視分析儀測量精度不夠，需要通過定時采集飛灰，測定其中的NH3不大于100 μg/g，則對應NH3的逃逸濃度就不會大于5 μg/g。

3 脫硝工藝系統的調試運行和性能測試

在項目所有設備安裝就位后，對各子系統及整個系統進行了運行調試工作。首先對各設備及各系統進行了單獨調試和試運行，在各設備系統運行正常后，對脫硝性能進行了測試，測試結果如表2。

表2 脫硝性能測試結果

通過上述測試結果可以看出:鍋爐出口煙氣中NOx出口值在130～180 mg/m3之間，滿足了北京市的排放標準。SCR 反應區壓降小于1000 Pa，液氨的使用量與脫除NOx需要的理論量基本一致，通過NH3監視分析儀監視NH3的逃逸率小于3%。

4 結 論

（1）通過對脫硝系統的穩定運行考察，表明此SCR 系統的工藝流程合理，滿足脫硝要求，并能夠與已有的脫硫系統銜接。

（2）確定了脫硝的有關工藝參數。SCR 反應器操作溫度可在320～370 ℃范圍內，氨與空氣的混合體積比約為5∶95，SO2轉化率控制在1%以下，SCR 反應區壓降小于1000 Pa，NH3的逃逸率小于3%等。

[1] 顧衛榮，周明吉，馬薇. 燃煤煙氣脫硝技術的研究進展[J]. 化工進展，2012，31（9）：2084-2092.

[2] 周偉，徐光. 燃煤發電鍋爐脫硝技術的選擇與應用[J]. 廣東電力，2011（06）：1-5．

[3] 王晉杰，尹春平，李偉. 火電廠鍋爐煙氣脫硝技術研究[J]. 科技創新導報，2012（08）：69-70．