135MW燃煤機組深度脫硝改造技術方案探討

摘要：本文根據某135MW燃煤機組氮氧化物排放情況，提出了SCR脫硝工藝方案、臭氧脫硝工藝、低溫等離子體脫硝工藝方案。從治理工藝、治理效果、經濟性等多方面討論了三種方案的優缺點，得出低溫等離子體脫硝工藝是較為經濟有效的可行性工藝方案。

關鍵詞：SCR;臭氧;低溫等離子體;工藝方案

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）11-00-03

Abstract： According to the NOx emission of a 135MW coal-fired unit， the SCR denitrification process， ozone denitrification process and low-temperature plasma denitrification process are proposed in this paper. The advantages and disadvantages of the three schemes are discussed from the aspects of treatment technology， treatment effect and economy.

Keywords： SCR;Ozone; Low temperature plasma; Processing plan

根據環境保護部、國家發改委、國家能源局《關于印發<全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案>的通知》（環發〔2015〕164號），到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現超低排放（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m?）。某135MW機組目前氮氧化物治理采用SNCR工藝，在基準氧含量6%條件下，煙囪排放出口氮氧化物最高達70 mg/m?，不滿足超低排放要求。本文根據電廠實際情況，提出氮氧化物治理的工藝方案，并通過方案比較和優化，確定最終的處理工藝。

1 設計條件

該鍋爐采用循環流化床燃燒技術。單爐架、一次再熱、平衡通風、單露天島式布置，全鋼構架、懸吊結構汽包、固定排渣方式。鍋爐主要由爐膛、高溫絕熱分離器、自平衡“U”形回料閥、尾部對流煙道和冷渣器組成。

現有SNCR系統包含尿素儲存系統、尿素溶液制備系統、稀釋水系統、計量混合系統、尿素噴射系統。

目前，在脫硝裝置的氨逃逸率小于7.6 mg/Nm3條件下，煙囪排放出口氮氧化物最高可達70 mg/m?（標況、干基、6%氧）。煙氣參數如表1所示：

2 脫硝改造技術方案

根據以上煙氣設計條件及現場情況，提出如下三個技術方案。

2.1 方案一：選擇性催化還原煙氣脫硝（SCR）

SCR 技術通常采用V2O5/TiO2基催化劑來促進脫硝還原反應。脫硝催化劑使用高比表面積專用銳鈦型TiO2作為載體，V2O5作為主要活性成分，為了提高脫硝催化劑的熱穩定性、機械強度和抗中毒性能，往往還其中添加適量的WO3、MoO3、玻璃纖維等作為助添加劑。

由于本臺機組已經設置了SNCR脫硝裝置，為了進一步降低NOx排放，可以在尾部設置煙道型SCR提高脫硝效率。

為保證鍋爐脫硝穩定性，在鍋爐尾部增加一層SCR催化劑，具體位置為省煤器高溫段和低溫段之間的空余位置。

由于尾部省煤器入口至預熱器入口約有10m煙道空間，目前此空間內采用光管省煤器，因此沒有空間布置煙道型SCR。

通過省煤器改造即將光管省煤器改為H型省煤器，并將省煤器分級布置。根據本機組的情況改造后可預留出1層催化劑的布置空間，詳見圖1省煤器改造圖。

2.1.1 反應器

鍋爐設置一個反應器，反應器截面尺寸為5.8（寬）×12.13（長）m。

脫硝反應器設置在一級過熱器與低再熱器之間，本次改造需省煤器整體下移，為SCR脫硝系統預留3m的空間，以滿足SCR脫硝系統的安裝需要。

脫硝反應器將設置足夠大小和數量的人孔門。

脫硝反應器設計還將考慮內部催化劑維修及更換所必須的起吊裝置和導軌。

2.1.2 催化劑

選擇催化劑型式為蜂窩式（20孔）。催化劑體積約60m3。

催化劑模塊必須設計有效防止煙氣短路的密封系統，密封裝置的壽命不低于催化劑的壽命。

催化劑將采用模塊化設計以減少更換催化劑的時間。

催化劑模塊將采用鋼結構框架，并便于運輸、安裝、起吊。

SCR反應器內催化劑將能承受運行溫度420℃（每次不低于5h，一年不超過三次）的考驗，而不產生任何損壞。

催化劑化學壽命為24000h，化學壽命期內，并可再生利用。脫硝煙道內催化劑總使用壽命10年（按年運行小時數大于8500h計）。還應有防止催化劑中毒和碎裂的措施。

2.1.3 吹灰系統

催化劑采用聲波吹灰。

吹灰器的數量和布置能將催化劑中的積灰盡可能多地吹掃干凈，并應盡可能避免因死角而造成催化劑失效導致脫硝效率的下降。

在反應器5.8m寬邊上，每邊各設置2臺聲波吹灰器，共設置4臺聲波吹灰器。

2.1.4 還原劑供應

還原劑供應系統利用SNCR系統的氨逃逸，進行SCR脫硝。

2.2 方案二：臭氧脫硝

從鍋爐出口的煙氣進入電除塵器，煙氣中的99.9%以上的煙塵被去除，出來的煙氣匯合之后進入臭氧混合反應裝置，在混合反應裝置內注入臭氧，使臭氧與煙氣充分混合，將煙氣中不溶于水的NO氧化成易溶于水的高價態氮氧化物，包括NO2，N2O3，N2O5等，并利用引風機進行旋流攪拌，極短的時間內完成反應。

將煙氣中殘余的NO氧化成易溶于水的高價態氮氧化物。然后煙氣進入吸收塔，噴淋堿性溶液將煙氣中的SO2和被氧化的NOx同時吸收，然后達標煙氣通過原有煙囪排放。

主要的反應如下：NO+O3→NO2+O2

2NO2+O3→N2O5+O2 N2O5+H2O2→2HNO3

在鍋爐電除塵器出口設置臭氧注入系統，單臺鍋爐配套建設一套臭氧脫硝系統，在經過半干法脫硫后，氮氧化物由70mg/Nm3，降低至50mg/Nm3以下。

布置：臭氧發生器，新建脫硝車間，布置在擴建端。

脫硝車間一層布置離心風機，空氣分離器，二層布置臭氧發生器。

輸送管道地上布置。

電源：380V±5%、50Hz。

壓縮空氣：用于設備閥門操作，要求壓力0.4-0.64MPa。

供水：工藝水：0.3～0.4MPa，60t/h。工藝水主要用作臭氧發生器冷卻循環用，冷卻水回收到脫硫或者電廠循環水。

具體配備形式為：鍋爐配備一臺30kg/h的臭氧發生器，額外備用一臺，共計2臺（考慮鍋爐煙氣溫度及其他因數留有必要的裕量），氧氣及臭氧供應管道采用分段母管制方式供氣。

離心風機? ? ?2臺

空分設備? ? ?2套

臭氧發生器 2臺

冷卻水系統 2 套

臭氧注入系統 1套

稀釋風機? ? ?2臺

2.3 方案三：低溫等離子體脫硝

由等離子體電源及介質阻擋框架組成的低溫等離子體反應器，電能通過阻擋介質表面的放電極輸入到煙氣中，產生低溫等離子體，煙氣中的H2O、O2等物質被激發活化產生O·、OH·、O2H·、H·等具有強氧化性自由基物質，可將原煙氣中的NO氧化成高價態的氮氧化物（如NO2、N2O3、N2O4、N2O5等），與脫硫系統內的鈣基堿性物質等反應而被去除，從而實現深度脫硝目的。，如下圖3。自由基脫硝可以分為兩個階段，NO 氧化和 NO2 轉化。自發化學反應通過熱化學反應脫除 NO2。

使用等離子后，可促進煙氣中的NO氧化成等高價態氮氧化物（如NO2、N2O5等）。等離子氧化后的煙氣進入干式脫硫系統，其中高價態氮氧化物與堿性物質反應生成硝酸鹽，特別是脫硫系統有足夠游離氧時最終生成的是高溶解度的硝酸鹽，反應式如下：

低溫等離子體氧化NO并與脫硫協同脫硝的流程示意見圖4。在脫硫入口前的直煙道中加設等離子反應器（DNTP），可水平或豎向布置。低溫等離子體反應器配5臺100KVA的等離子電源。等離子體反應器內設人孔及檢具備通道，反應器頂部設平臺布置等離子電源，平臺設雨棚，用于檢查、維護。

3 脫硝改造技術方案比較

3.1 技術特點對比

方案一（SCR工藝），需要對鍋爐部分進行改造，改造難度大，且需要進行大量的改造工作。整個工程工期在6個月左右。鍋爐內部煙塵未經過電除塵系統，煙氣含塵量較大，對SCR脫硝催化劑損害大。且改造后鍋爐運行是否受影響仍存在疑問。

方案二（臭氧脫硝），臭氧脫硝工藝耗電量極大。液氧儲存區乃重大危險源且有二次污染風險、微細塵升高的問題。

方案三（低溫等離子體脫硝），低溫等離子體脫硝提效改造，技術上可以滿足超低排放要求，且改造難度小，工期短。整個工程工期可以保證在1一個月之內。

因此，低溫等離子體脫硝的技術路線優勢明顯。

3.2 經濟指標對比? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?單位：萬元

項目 方案一 SCR 方案二 臭氧 方案三 低溫等離子體脫硝

1 基建投資 820 500 450

1.1 建筑工程費 110 50 0

1.2 設備購置費 580 420 425

1.3 安裝工程費 130 30 25

2 運行費用 180 384 162

根據以上三種方案的經濟性對比來看，方案三（低溫等離子脫硝）的基建投資和運行費用均低于另外兩種方案。

4 結論

通過對三種工藝方案的比較，在平穩、安全運行的前提下，目前采用方案三（低溫等離子體脫硝）是一種經濟可行的方法。

該方法的優點有：

工期短：安裝方便、布置靈活;

無污染：無需消耗任何氧化劑與還原劑;

成本低：與其他脫硝方法相比具有明顯的成本優勢;

安全可靠：后期設備維護簡單，運行穩定可靠;

另外，很多有SCR的電廠目前存在氨逃逸超標問題，噴氨量遠遠大于設計量，從而導致空預器堵塞等一系列問題。也可用低溫等離子脫硝技術來徹底解決氨逃逸帶來的空預器堵塞等問題。在當前對燃煤電廠排放嚴格控制的環境保護政策下。低溫等離子體脫硝所帶來的環保效益要遠遠高于其他工藝。

因此，根據該燃煤機組的煙氣條件，經過各方面的因素的綜合比較，方案三（低溫等離子體脫硝）是一種比較經濟可行的改造方案。

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收稿日期：2019-08-29

作者簡介：郭威（1991-），男，本科學士，研究方向為大氣污染控制技術。