煙氣高效脫硝一體化技術(shù)的研究及應(yīng)用

林歡

（永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410330）

引言

大氣污染治理中，如脫硝系統(tǒng)產(chǎn)生的飛灰、SO3、氨逃逸等含量過高，對(duì)下游的脫硫、除塵設(shè)備及脫除效率會(huì)造成影響。飛灰會(huì)導(dǎo)致設(shè)備磨損、積灰等問題[1]；SO3濃度增加產(chǎn)生的黏性沉積物會(huì)堵塞和腐蝕除塵器；氨逃逸會(huì)導(dǎo)致除塵器上產(chǎn)生板結(jié)，影響除塵效率；粉塵過高則會(huì)影響脫硫效率。所以，高效脫硝技術(shù)對(duì)煙氣治理至關(guān)重要。為達(dá)到《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014～2020年）》[2]大氣污染物排放濃度NOx≤50mg/Nm3的要求，某電力公司對(duì)4號(hào)600MW機(jī)組進(jìn)行了脫硝改造。

1 改造前脫硝情況

某電力公司4號(hào)機(jī)組鍋爐排渣煤粉爐。鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)以最大連續(xù)負(fù)荷MCR工況為依據(jù)，在汽輪機(jī)主汽門全開且超壓5%的情況下，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為2023t/h。為適應(yīng)調(diào)峰的要求，該鍋爐可滑壓運(yùn)行，滑壓運(yùn)行的控制負(fù)荷為40%THA。采用水封式固態(tài)排渣方式。省煤器出口煙氣中NOx的濃度為400mg/Nm3。為改善電廠及周邊地區(qū)的空氣環(huán)境質(zhì)量，對(duì)4號(hào)機(jī)組實(shí)施煙氣脫硝改造。

2 改造目標(biāo)

本次脫硝改造采用低氮燃燒+SCR脫硝工藝，脫硝系統(tǒng)性能保證值滿足：SCR出口污染物濃度（6%O2、標(biāo)態(tài)、干基）NOx≤50mg/Nm3的要求，NH3逃逸≤3ppm、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率＜1%。

3 技術(shù)分析

燃煤鍋爐脫硝技術(shù)主要有三種，1）燃燒前控制技術(shù)：燃料脫硝；2）燃燒中控制技術(shù)：改進(jìn)燃燒方式和生產(chǎn)工藝；3）燃燒后控制技術(shù)：煙氣脫硝[3]。目前燃料脫硝技術(shù)的開發(fā)較少。根據(jù)鍋爐中NOx的生成機(jī)理，降低NOx排放的主要技術(shù)有低氮燃燒、爐膛噴射脫硝和煙氣脫硝[4]。

3.1 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)是指通過對(duì)燃燒區(qū)域溫度和空氣量的控制，降低NOx的生成。低氮燃燒主要有低過量空氣燃燒技術(shù)、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)、燃料分級(jí)燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)[4]、低氮燃燒器技術(shù)等。

低過量空氣燃燒技術(shù)是通過控制燃燒空氣量，調(diào)整鍋爐燃燒配風(fēng)，降低過量空氣系數(shù)，在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行，從而降低NOx的生成。空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是目前較為成熟且應(yīng)用廣泛的低氮燃燒技術(shù)。通過對(duì)風(fēng)量的分配，減少燃燒高溫區(qū)域的空氣量，減少NOx的生成。燃料分級(jí)燃燒技術(shù)是利用烷烴與未完全燃燒產(chǎn)物混合燃燒時(shí)，NOx發(fā)生還原反應(yīng)的原理，燃料在第一燃燒區(qū)域富氧燃燒后，在第二燃燒區(qū)進(jìn)行缺氧燃燒，將NOx進(jìn)行還原，同時(shí)抑制NOx的生成。煙氣再循環(huán)技術(shù)是將鍋爐尾部的低溫?zé)煔馑腿霠t膛，從而降低燃燒區(qū)的氧濃度，減少NOx的生成。低氮燃燒器是利用空氣分級(jí)燃燒、燃料再燃燒和煙氣再循環(huán)等技術(shù)，通過調(diào)節(jié)燃燒空氣和燃燒頭，獲得最佳的燃燒參數(shù)。

3.2 爐膛噴射脫硝技術(shù)

爐膛噴射脫硝技術(shù)較為成熟的是爐膛噴氨（尿素）法。爐膛上部噴射作為還原劑的氨或尿素，與煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，來降低NOx的排放濃度。主要的還原反應(yīng)有：

爐膛噴射脫硝技術(shù)對(duì)氨的噴射點(diǎn)及噴氨量的選擇要適當(dāng)。此技術(shù)投資較少，運(yùn)行費(fèi)用低。當(dāng)脫出效率要求較高時(shí)，易造成過大的氨泄漏。

3.3 煙氣脫硝技術(shù)

煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原工藝（SCR）和選擇性非催化還原工藝（SNCR）。

選擇性催化還原工藝（SCR）是指在催化劑的作用下，通過注射氨或尿素等還原劑，選擇性地將NOx還原成N2。SCR的脫硝效率較高，可到80%～90%。煙氣進(jìn)入反應(yīng)器之前需要預(yù)熱。配套設(shè)施復(fù)雜，投資成本與運(yùn)行成本較高。催化劑需要按危險(xiǎn)廢物進(jìn)行特殊處理。

選擇性非催化還原工藝（SNCR）無需催化劑，在750℃～900℃區(qū)間，可直接通過爐內(nèi)注射還原劑，將NOx還原成N2。與SCR相比，SNCR的脫硝效率較低，為30%～50%。設(shè)備簡單，投資少，費(fèi)用僅為SCR的1/3。脫硝工藝在焚燒爐爐膛內(nèi)利用余溫即可完成，無需消耗更多的能量。脫硝的效率滿足相應(yīng)排放要求。但存在氨過量等問題，氨逃逸會(huì)造成二次污染。

4 改造技術(shù)線路

由于項(xiàng)目場(chǎng)地空間有限，本著節(jié)約用地的原則，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，煙氣高效脫硝技術(shù)工藝具體改造路線為：1）低氮燃燒改造，采用低氮燃燒器；2）采用高灰型煙氣脫硝（SCR）工藝，反應(yīng)器裝設(shè)在鍋爐后側(cè)與靜電除塵器之間的水平煙道上方，每臺(tái)鍋爐設(shè)兩個(gè)SCR反應(yīng)器，尿素?zé)峤猱a(chǎn)生氨氣制備還原劑；3）在SCR裝置的進(jìn)口設(shè)置灰斗，采用氣力輸灰方式；4）采用蜂窩式催化劑，按“2+1”層模式布置；5）采用計(jì)算機(jī)流場(chǎng)分析技術(shù)對(duì)煙道和氨噴射進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；6）采用半伸縮耙式蒸汽吹灰器+聲波吹灰器的吹灰方式，主機(jī)DCS控制和監(jiān)視吹灰系統(tǒng)所有設(shè)備和參數(shù)；7）脫硝反應(yīng)器進(jìn)、出口安裝煙氣參數(shù)檢測(cè)裝置；8）設(shè)立獨(dú)立系統(tǒng)的氨逃逸監(jiān)測(cè)NH3含量設(shè)備。

5 改造技術(shù)分析

5.1 特殊布置SCR反應(yīng)器及高效催化劑

SCR系統(tǒng)采用高粉塵布置，SCR反應(yīng)器布置在省煤器和空預(yù)器之間。送風(fēng)機(jī)房與除塵器入口之間上方空間，不占用現(xiàn)場(chǎng)用地。為減小整體結(jié)構(gòu)阻力，不設(shè)置SCR旁路系統(tǒng)。煙氣溫度在300℃～400℃，是大多數(shù)金屬氧化物催化劑的最佳反應(yīng)溫度。無需加熱即可獲得較高的脫硝效率。為提高脫硝效率，SCR按2+1層布置，催化劑采用蜂窩式模塊化設(shè)計(jì)，不但可以減少更換催化劑的時(shí)間，還可有效防止煙氣短路。為防止煙氣中的飛灰堵塞催化劑通道，使催化劑磨損和中毒，優(yōu)化裝置的流場(chǎng)分析。反應(yīng)器入口應(yīng)設(shè)氣流均布裝置，煙氣通過均布板后流向大部分垂直向下，可減少煙氣流向的偏離角度。大顆粒灰撞擊在均布板上可被擊碎。反應(yīng)器入口及出口段、彎道段設(shè)導(dǎo)流板，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)部易于磨損的部位設(shè)計(jì)必要的防磨措施。反應(yīng)器內(nèi)部各類加強(qiáng)板、支架設(shè)計(jì)成不易積灰的形式，確保脫硝效率。

5.2 煙道優(yōu)化

脫硝區(qū)煙道在鍋爐后豎直煙道兩側(cè)引出，分別進(jìn)入SCR反應(yīng)器后接入鍋爐空預(yù)器入口處。整個(gè)脫硝煙道及SCR反應(yīng)器采用雙煙道雙反應(yīng)器煙道的布置形式。在SCR反應(yīng)器進(jìn)口煙道設(shè)置灰斗，輸灰系統(tǒng)采用氣力除灰。在外削角急轉(zhuǎn)彎頭和變截面收縮急轉(zhuǎn)彎頭處等，利用計(jì)算機(jī)煙氣流動(dòng)模型模擬，設(shè)置導(dǎo)流板，導(dǎo)流裝置采用耐磨材質(zhì)制作。確保入口煙氣流速偏差小于±15%（均方根偏差率）；入口煙氣流向小于±10°；入口煙氣溫度偏差小于±10℃；NH3/NOx摩 爾比絕對(duì)偏差小于5%（均方根偏差率）。

5.3 噴氨及混合裝置優(yōu)化

氨噴射系統(tǒng)采用噴氨格柵，將煙道截面分成大小不同的控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有多個(gè)噴射孔，每個(gè)區(qū)域的流量單獨(dú)可以調(diào)節(jié)，以匹配煙氣中NOx的濃度分布，噴氨格柵包括噴氨管道、手動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥門、支撐、配件和氨氣分布裝置等。根據(jù)煙氣量及煙道的布置，通過模擬試驗(yàn)確定噴氨格柵的位置及噴嘴形式，保證混合均勻。噴氨格柵前后氨濃度分布如圖1所示。煙道和反應(yīng)器氨濃度分布如圖2所示。

每臺(tái)反應(yīng)器設(shè)一套噴射系統(tǒng)，噴射系統(tǒng)總管設(shè)置電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，控制噴氨總量；支管設(shè)置手動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，能根據(jù)煙氣不同的工況進(jìn)行微調(diào)節(jié)，保證NH3/NOx沿?zé)煹澜孛婢鶆蚍植迹謩?dòng)流量調(diào)節(jié)閥是靠煙氣風(fēng)管的取樣所取得的NH3/NOx比來調(diào)節(jié)。保證NH3/NOx摩爾比最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于±5%。催化劑入口截面氨濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.2%。

6 改造后運(yùn)行結(jié)果

該脫硝改造工程完成調(diào)試后投入使用，4號(hào)機(jī)組SCR反應(yīng)器出口NOx排放濃度≤50mg/Nm3，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，滿足國家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 噴氨格柵前后氨濃度分布圖

圖2 煙道和反應(yīng)器氨濃度分布圖

7 結(jié)論

煙氣脫硝超低排放改造中，應(yīng)用煙氣高效脫硝一體化技術(shù)，采用特殊布置SCR反應(yīng)器、高效催化劑、利用計(jì)算機(jī)流場(chǎng)分析優(yōu)化煙道設(shè)計(jì)，噴氨及混合裝置，實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝的超低排放；控制了飛灰、SO3、氨逃逸等含量過高問題，避免對(duì)下游的脫硫、除塵設(shè)備產(chǎn)生不利因素而影響脫除效率。