濕法FGD和SCR脫硝物料平衡與運行優化

袁 園

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司 西北分公司，陜西西安710065)

濕法FGD和SCR脫硝物料平衡與運行優化

袁 園

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司 西北分公司，陜西西安710065)

建立電廠脫硫與脫硝系統的物料平衡對電廠開展測算與節能降耗有重要意義。建立了火電廠典型污染物SO2和NOX控制單元的物料平衡：石灰石-石膏濕法煙氣脫硫物料平衡主要包括水平衡、SO2和石灰石平衡；SCR物料平衡主要包括煙氣平衡、NH3和NOX平衡；以某電廠300MW機組運行狀況為例，提出了運行優化和節能的方向性建議。脫硫裝置建議主要有：降低吸收塔蒸發水量、控制合理的液氣比、降低漿液循環泵、增壓風機和氧化風機的能耗。脫硝裝置建議主要有：減少NOX生成量、根據SCR出口NOX濃度合理噴氨、控制合理的氨氮摩爾比。

脫硫；脫硝；物料平衡；運行優化

0 引言

隨著電力建設高速增長，煙氣SO2、NOX排放標準日益嚴格，近年來煙氣脫硫(FGD)、煙氣脫硝在我國火電機組中大量裝備[1, 2]。

目前，火力發電廠主要采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術[3-7]，該技術脫硫效率高、技術成熟、運行可靠、脫硫劑分布廣、資源豐富，廉價，占煙氣脫硫市場的80%～90%[8]。但石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝裝置系統復雜，設備多，電耗基本占了廠用電率的1%～2%[9]。同時，該技術也存在耗水量高和石灰石用量高的問題，如600 MW機組脫硫系統(無GGH煙氣再加熱器)的設計水耗基本在100～120 t/h[10]，一臺300 MW機組每月石灰石的用量為3 000 t左右。

對于煙氣脫硝(SCR selective catalytic reduction)技術具有較高的脫硝效率，且技術較為成熟，得到越來越多的應用[2, 11, 12]。但是SCR裝置投資成本高，運行維護費用昂貴，1臺600 MW機組的SCR裝置目前的催化劑費用接近3 000萬元，其使用壽命只有3年左右[2]，1臺300 MW機組每月的液氨耗量為30 t。

FGD和SCR有效降低了煙氣中SO2和NOX的排放濃度，但同時也導致極大額外物質和能量消耗。因此建立系統的物料平衡，分析系統特性和運行優化方法，對于有效地降低污染物治理成本、提高系統脫硫脫硝性能、實現節能減排具有重要意義。

1 FGD物料平衡模型

石灰石-石膏法是以石灰石漿液為吸收劑，與煙氣中的SO2進行反應，再經空氣強制氧化為石膏的過程。吸收塔內發生的主要反應為：

SO2+CaCO3→CaSO3+CO2↑

CaSO3+1/2O2+2H2O→2H2O·CaSO4↓

1.1 FGD物料平衡模型假設

吸收塔內的物理和化學過程較為復雜，根據模型需要和方便計算，現對模型進行如下假設：

(1) 煙氣是理想氣體。液滴由于蒸發和液滴間質量傳遞造成的質量損失忽略不計。

(2) 工藝水為純凈水，不考慮泵的密封水，不考慮出口煙氣所帶走的水液滴。

(3) 漿液是完全混合的。

(4) 不考慮粉塵等微量雜質的影響。

(5) 吸收塔與環境之間沒有物質的進入和流出。

1.2 FGD物料平衡模型建立

FGD物料平衡主要包括水平衡、SO2和石灰石平衡。圖1為脫硫系統總物料平衡圖。

圖1 脫硫系統總物料平衡圖

1.2.1 水平衡

水平衡是進入吸收塔的水量等于出吸收塔的水量。進入吸收塔的水量包括原煙氣和氧化空氣帶的氣態水、漿液循環水量和補給水；出吸收塔的水量有煙氣帶走水、石膏表面水、石膏結晶水和排污水。

(1)

式中：M1為原煙氣帶的氣態水，可通過式(2)計算；Mk為氧化空氣帶的氣態水，kg/h，可通過式(3)～(5)計算；Mc為漿液循環水，kg/h；Ma為補給水，kg/h；M2為凈煙氣帶走水，kg/h，可通過式(6)計算；Ms為石膏表面水，kg/h，可通過式(7)計算；Mj為石膏結晶水，kg/h，可通過式(8)計算；Mp為排污水，kg/h。

(2)

式中：V1為入口煙氣流量，m3/h；d1為入口煙氣濕度，m3/m3；ρ1為入口溫度和壓力下水蒸汽密度，kg/m3，可查閱水蒸汽密度表得到。

(3)

式中：Vk為實際需要的空氣量，m3/h；dk為空氣濕度，m3/m3；ρk為氧化空氣中水蒸汽密度，kg/m3，可查閱水蒸汽密度表得到。

下面計算Vk。根據經驗，當煙氣中含氧量為6%以上時，在吸收塔噴淋區域的氧化率為50%～60%。采用氧槍式氧化分布技術，在漿池中氧化空氣利用率為25%～30%，據此，漿池內需要的理論氧氣量為[13]：

(4)

式中:S為漿液池需要的理論空氣里，mol/h；V1為入口煙氣流量，m3/h；q1為入口煙氣SO2含量，g/m3；ηs為脫硫效率。

理論需要的空氣量為：

(5)

式中:Qr為理論需要的空氣量，m3/h。

一般來說，實際需要的空氣量比理論需要的空氣量大，考慮到漿液中溶解鹽的多少根據經驗確定。

(6)

式中:Vk為實際需要的空氣量，m3/ h；K取經驗值2.0～3.0。

補給水Ma的主要補充方式是除霧器沖洗水。

(7)

式中：V2為出口煙氣流量，m3/h；d2為出口煙氣濕度，m3/m3；ρ2為出口溫度和壓力下水蒸汽密度，kg/m3，可查閱水蒸汽密度表得到。

(8)

式中：St為脫水石膏量，kg/h；Sg為脫水石膏含固量，kg/kg。

(9)

式中：V1為入口煙氣流量，m3/h；q1為入口煙氣SO2含量，g/m3；ηs為脫硫效率。Mp根據電廠運行情況實測。

1.2.2 SO2和石灰石平衡

煙氣中SO2平衡如下：

(10)

式中：q2為出口煙氣SO2含量，g/m3；鈣硫比Ca/S為：

(11)

式中：WL為石灰石消耗量，kg/h。

液氣比α計算如下：

(12)

式中：α為液氣比，L/m3；VL為漿液流量，L/h。

石膏產量計算如下：

St=172·V1·q1·ηs/(1 000×36·Sg)

(13)

式中:St為石膏產量，kg/h；q1為入口煙氣SO2含量，g/m3；V1為入口煙氣流量，m3/h；ηs為脫硫效率；Sg為脫水石膏含固量，kg/kg。

石膏漿液排出量計算如下：

(14)

式中:Md為石膏漿液排出量，kg/h;Ss為石膏漿液固含量，kg/kg。

2 SCR物料平衡模型建立

選擇性催化還原(SCR)工藝中，還原劑在催化劑的最用下將NOX還原為N2和H2O，還原劑主要是液氨、尿素和氨水，催化劑為TiO2，V2O5，MOO3或WO3。催化劑的溫度活性范圍為280～420℃。

SCR中主反應如下[14]：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

2.1 SCR物料平衡模型假設

為了便于模型的建立與計算，現對模型進行如下假設：

(1) 煙氣是理想氣體，滿足理想氣體方程。

(2) SCR催化劑為蜂窩式催化劑。

(3) 還原劑為純度99.6%以上的液氨。

(4) 不考慮HCl等微量雜質的影響。

(5) 模型中不考慮氨逃逸量。

2.2 SCR物料平衡模型建立

SCR物料平衡主要包括煙氣平衡、NH3-NOX平衡。

2.2.1 煙氣平衡

出口煙氣量計算公式如下：

(15)

式中：P1為入口的壓力，Pa；V1為入口煙氣量，m3/h；ΔV為稀釋空氣量，m3/h；T2為出口的溫度，℃；P2為出口的壓力，Pa；V2為出口煙氣量m3/h；T1為入口的溫度，℃。

2.2.2 NH3-NOX平衡

有如下平衡：

(16)

2.2.3 空氣量

(17)

式中：VA為稀釋空氣量，L/h；μ為噴入氣體中氨的體積分數。

2.2.4 氨氮摩爾比

(18)

式中:NH3/NOX為氨氮摩爾比；CNOx為入口煙氣中NOX的量，mg/m3。

2.2.5 脫硝效率

(19)

3 物料平衡應用與運行優化分析

3.1 物料平衡應用

以某電廠300 MW機組的實際運行情況為例，對該物料平衡進行計算與應用。由該機組煙氣成分與含量、石灰石漿液成分與含量、石膏漿液成分與含量、液氨消耗量等實測數據，根據上述模型計算該機組脫硫脫硝的主要運行參數，對主要物料消耗進行計算，為該機組節能降耗提供數據支持。

脫硫物料平衡應用。該機組脫硝裝置采用一爐一塔方案，鍋爐排出的原煙氣經增壓風機升壓后，通過煙氣換熱器進行熱交換，再進入吸收塔脫硫，脫硫后的凈煙氣經煙氣換熱器加熱至80 ℃以上，通過煙囪排至大氣。由物料平衡模型，計算2014年7～12月主要運行參數如表1所示。

表1 機組脫硫裝置主要運行參數

由計算結果可知，該機組脫硫效率95%以上，滿足設計要求。實際運行過程中，石灰石給料不均勻，Ca/S隨運行工況變化幅度較大。且為了防止脫硫塔堵塞，增加了運行中的液氣比，液氣比高達19.0。脫硫系統耗水量20.6 t/h，占該機組總水耗的46%。

3.2 脫硝物料平衡應用

該機組采用低碳燃燒器和SCR聯合脫硝，SCR布置采用高溫高塵布置方式，SCR裝置裝在鍋爐之后，空氣預熱器之前。煙氣在反應器里流過均流器到達催化劑層，為了防止催化劑積灰，每層催化劑設置4臺聲波吹灰器。由物料平衡模型計算可得，2014年7月～12月期間主要運行參數如表2所示，其中氨氮摩爾比隨月份變化如圖2所示。

表2 該機組脫硝裝置主要運行參數

圖2 氨氮摩爾比隨月份變化

由表2可知，系統脫硝效率與氨逃逸率均滿足設計要求。入出口煙溫差較大，最高可達9℃，這造成能量的浪費。由圖2可知，為了提高脫硝效率，該機組2014年6月～12月，NH3/NOX呈上升趨勢。

3.3 運行優化分析

3.3.1 脫硫裝置運行優化

(1)降低吸收塔蒸發水量。該脫硫系統水耗占電廠總水耗的46%，有很大的節水空間；脫硫系統耗水量主要和脫硫系統蒸發水量有關，系統蒸發水量主要由凈煙氣排出脫硫系統。通過模型計算，凈煙氣帶走水占脫硫系統水耗的70%以上，可以降低煙氣進出吸收塔的溫度差來降低吸收塔蒸發水量，實現節水的目的。同時，低洗滌溫度有利于SO2的吸收[15]，漿液洗滌過程中煙氣溫度要控制在100℃以下。這就要求煙氣在煙氣換熱器充分換熱，從而降低吸收塔入口煙溫，同時使排煙溫度升高，避免煙囪腐蝕。

(2)控制合理的液氣比。一般來說，液氣比增大，液氣接觸面積增大，脫硫效率也會增大，但液氣比的大小對脫硫能耗大小有顯著的影響。液氣比提高，要求循環漿液泵的數量增多，增加泵的電耗；同時壓力損失增大，增壓風機的能耗也會增加。液氣比在8 L/m3以下增加時，脫硫率上升速度快，而以后趨勢變得平緩；液氣比超過15.5 L/m3后，脫硫率的提高非常緩慢。因此，為減少脫硫系統的能耗，應該在保證脫硫效率的前提下，盡量采取較低的液氣比。運行過程中，應控制液氣比在15.0以下，同時根據鍋爐負荷合理調整送漿量，盡可能保持均勻送漿，保持Ca/S的穩定。

(3)降低漿液循環泵和增壓風機、氧化風機的能耗。對于漿液循環泵、增壓風機和氧化風機的運行節能，漿液液氣比降低后，通過合理調整泵的運行臺數、選用葉片開度小的增壓風機、通過變頻調節氧化風機可以有效地降低系統能耗。

3.3.2 脫硝裝置運行優化

(1)減少NOX生成量。研究表明，燃燒優化是最經濟的減排NOX方式[16]。在保證鍋爐燃燒盡可能充分的前提下，降低空氣過剩系數、加大燃盡風門開度可以有效減少原煙氣中的NOX濃度，從而可以減少液氨消耗量和稀釋風機的能耗。

(2)根據SCR出口NOX濃度合理噴氨。對SCR出口NOX濃度進行測定，在此基礎上改變入口相應位置的噴氨量，使NOX和NH3混合均勻，可以提高脫硝效率，降低液氨耗量。

(3)控制合理的氨氮摩爾比。一定范圍內，脫硝效率隨著NH3/NOX的增加而逐漸增大，實際運行中，為了節約物料與能量，同時滿足排放標準，通常將NH3/NOX控制在0.75左右。鍋爐在不同負荷情況下，負荷和噴氨量關系呈非線性，噴氨量增加速率明顯高于負荷增長率。因此在實際運行中，要根據鍋爐負荷及時調整噴氨量，為了降低氨逃逸量，在出口濃度達標的情況下，建議NH3/NOX控制在0.75以下。

4 結論

(1)本文建立了石灰石-石膏濕法煙氣脫硫和SCR脫硝的物料平衡模型，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫物料平衡主要包括水平衡，SO2和石灰石平衡；SCR物料平衡主要包括煙氣平衡，NH3和NOX平衡。建立的平衡模簡單清楚、易于計算，對于研究火電廠污染物控制單元的物料消耗實現節能降耗有重要意義。

(2)根據物料平衡，以某300 MW機組實際運行情況為例，計算了該機組的主要運行參數。并根據該機組運行情況，進行運行優化分析，提出了優化節能的建議。

(3)脫硫裝置優化建議主要有降低吸收塔蒸發水量、控制液氣比在15.0以下、降低漿液循環泵和增壓風機、氧化風機的能耗。脫硝裝置優化建議主要有減少NOX生成量、根據SCR出口NOX濃度合理噴氨、控制氨氮摩爾比在0.75以下。

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《電力科學與工程 》

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Material Balance and Operation Optimization in SO2and NOXControl Units of Thermal Power Plant

Yuan Yuan

(Northwest Subsidiary Company, China Datang Group Electric Power research Institute，Xi’an 710065, China)

The material balance is of great significance to material calculation and energy saving. In this paper, material balance in SO2and NOXcontrol units of thermal power plant was established. The limestone-gypsum wet flue gas desulfurization system including water balance and SO2-limestone balance and SCR denitrification facility including flue gas balance NH3-NOXbalance were analyzed. Finally, suggestions of optimizing operation and energy conservation were presented based on the operation status of 300MW unit. The advice of desulfurization equipment mainly includes: reduce water evaporation in absorber, control liquid-gas ratio reasonably, reduce energy consumption of slurry circulating pumps, booster fan and oxidation fan. The advice of denitrification facility mainly indudes: reduce generation amount of NOX, inject ammonia reasonably based on SCR outlet NOXconcentration, control the molar ratio of NH3/NOXreasonably.

desulfurization；denitrification；material balance；operation optimization

2015-05-04。

袁園(1983-)，男，工程師，主要從事火電廠除塵、脫硫、脫硝等環保設備性能試驗及優化工作，E-mail：25100106@qq.com。

TM621.9

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.011