高溫高塵煙氣SCR脫硝系統設計解析

摘要：本文系統論述了在燃煤機組高溫高塵環境下，SCR脫硝工藝中：殼體與氨煙混合系統、催化劑與吹灰系統、還原劑制備系統的設計要點，并對防磨、低負荷脫硝、副反應等相關問題進行解析，強化了對SCR脫硝技術的理解與運用。

關鍵詞：高溫;高塵;SCR脫硝

Abstract：This paper systematically discusses the design points of SCR denitration process in the high temperature and high dust environment of coal-fired unit：shell ammonia smoke mixing system，catalyst and soot blowing system， reducing agent preparation system，analyzes the problems related to abrasion prevention， low load denitration， side reactions，and strengthens the understanding and application of SCR denitration technology.

Key words：High temperature;High dust;SCR denitration

1 殼體與氨煙混合系統

1.1 殼體外形及內部件

按《火力發電廠煙氣脫硝設計規程》（DL/T5490-2013）要求，SCR殼體，如煙道、反應器的尺寸應滿足規定的煙氣流速要求，其中煙道不超過15m/s，反應器空塔流速4～6m/s之間，考慮高煙塵量，宜選5m/s以下，避免煙氣流速過快造成的磨損。SCR進口煙道在省煤器出口引接，并采用流場模擬軟件對引接段煙道的傾斜角度、變徑方位和內部導流板設置方案進行優化，將噴氨格柵和混流器等內部件調整到適宜煙道截面，使煙氣路徑順暢、煙氨混合充分、系統壓損降到最低。流場模擬后，催化劑頂部煙氣：流速偏差小于15%、溫度偏差小于10℃、氨氮摩爾比偏差小于5%、入射催化劑角度（與垂直方向的夾角）在10°以內。

考慮機組負荷的變動，在不可避免的積灰處加裝清灰設備，保證煙塵有效收集。因鋼梁結構無法設置清灰裝置時，可采用設置吹灰管路等方式，將煙塵揚起，隨煙氣順利通過。流場模擬完成后，需采用1：10、1：15等比例的物理模型進行驗證，及時對計算機模擬方案微調[1]。

SCR系統為負壓煙氣系統，煙道及反應器殼體的設計壓力在-800～-2000pa之間，并有一定瞬態承壓能力，按《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》要求，綜合考慮風載等因素，進行煙道設計，合理布置加強筋、內撐桿、支吊架等。

1.2 氨煙混合系統

氨煙混合系統包括氨噴射和氨/煙氣混合兩部分，由氨空混合器、氨噴射格柵管、均流裝置等部件組成。根據流場模擬和物理模型的輸出結果，在給定的進口煙道部位布置模塊化噴氨格柵。氨空混合器、流量調節系統設置于噴氨格柵上游，使得氨與稀釋風以1：20 的比例混合均勻，并由調節系統實現模塊化分區控制，根據反應器截面煙氣分布、NOx濃度等分布狀況，調節上游各模塊氨供應量，避免無謂的氨逸漏[2]。當噴氨格柵管至催化劑截面的距離，為氨煙混合距離，根據流場模擬的要求，當需要強化混合時，在格柵下游設置均流裝置，強化氨煙混合。

2 催化劑與吹灰系統

2.1 催化劑

高溫高塵環境下，催化劑的選擇需考慮煙氣成分、催化劑強度和孔內流速等因素。砷、堿金屬、鈣、鎂等為催化劑中毒物質，其多存在燃煤煙氣的粉塵中，易凝結于煙氣水分并轉移到催化劑上，導致催化劑化學失活。因此需根據燃煤情況，測算煙氣中雜質含量，核算其對催化劑活性的影響。從強度上看，不銹鋼基質的板式、頂部強化的蜂窩式催化劑強度高、有較好耐磨性能，完全適用高塵煙氣條件。根據SCR反應器的尺寸、煙氣量、初選催化劑參數（壁厚、孔數、孔距等）核算孔內流速，宜控制在5～7m/s之間，過低易在死角位置積灰，造成催化劑的堵塞。

2.2 吹灰系統

吹灰系統主要有聲波吹灰器、空氣炮吹灰系統、蒸汽吹灰器等。聲波吹灰器的吹灰半徑為3-4m，布置在催化劑上方約500mm處，利用膜片機械震動發聲，使得催化劑上部空氣波動，將累積煙塵吹散，并順利通過催化劑孔隙。空氣炮與聲波吹灰介質相同，但其吹灰壓縮空氣耗量大，吹灰更徹底。蒸汽吹灰器包含耙管、噴嘴、大梁等部件組成，使蒸汽進入吹灰器，經爐內耙管上噴嘴吹出，將催化劑孔內灰塵向下方疏通。聲波吹灰器、空氣炮吹灰系統適用于松散積灰情況，設備結構簡單、可在線維護。蒸汽吹灰適用于積灰較難清理的情況，清掃強度大，但運行條件高，系統維護量大，要求過飽和蒸汽吹灰壓力穩定、無水，壓力過高或有水分時易對催化劑造成機械損傷。

3 脫硝還原劑制備系統

SCR脫硝以氨為還原劑，主要的制備方法有尿素法和氨法。尿素法是以40%～60%的尿素溶液為原料，在350～650℃熱解生成氨氣，或在溫度140～160℃下水解生成氨氣。其中水解法運行費用低、系統簡單、可多爐共用，熱解法能耗大、運行費用高、一爐一熱解配置，但熱解法更穩定。氨法，包括液氨和氨水法，液氨或約20%的氨水溶液經蒸發穩壓生成為氨氣，由存儲輸送、流量調節、蒸發混合等模塊組成。氨法建設成本與運行成本較低，但因液氨屬于乙類危險化學品，氨水存儲及運輸量大等因素，均不適用于燃煤機組;反觀尿素法運輸便捷、使用安全，因此更為常用。尿素法、氨法均要結合氣溫等當地環境狀況，考慮設置保溫、伴熱等，防止尿素溶液在管道內結晶或蒸發后的氨在管道中冷凝成液相。

4 相關問題解析

4.1 防磨設計

在實際工程運用中，因鋼架、鋼梁結構無法調整等因素限制，在局部位置煙道尺寸無法加大，造成煙氣流速難以避免地超出標準值，因此煙道內部應做相應的防磨處理。內撐桿等管件可采用貼角鋼等方式，內壁等平面可設置龜甲網等。

4.2 低負荷運行

機組運行負荷為波動狀態，50%、30%BMCR等低負荷，與100%BMCR狀態設計條件相比，NOx濃度不變、煙氣量下降、煙溫下降。當煙溫低至290℃以下，催化活性將部分甚至完全失活，脫硝率下降或停止脫硝，將導致超標排放，因此需綜合核算煙氣量與煙溫變化對系統脫硝效率的影響。為保障低負荷下脫硝效率，可采用多種組合技術，如，省煤器分級改造、高溫煙氣旁路、增加低氮燃燒器等。在工程運用中首先應全面收集鍋爐系統運行熱力數據，分析50%、80%、100%等BMCR下的煙溫對催化性能的影響，綜合經濟性和可行性，選擇適用的低負荷運行技術。

4.3 副產物解析

SCR系統中催化劑在催化脫硝的同時，易將煙氣中SO2轉化為SO3，SO3與NH3進一步反應生成硫酸氫氨（ABS），SCR脫硝副產物以SO3、ABS為主。ABS有氣態、液態、固態，液態下具有黏性和強腐蝕性，對后續裝備造成運行隱患。液態ABS易與煙塵結合，黏附于催化劑表面時，阻擋活性物質與煙氣的接觸，導致催化效率下降，并增加積灰風險;在空預器中，黏附于傳熱元件上時形成融鹽狀的積灰，造成預熱器的腐蝕、堵灰等，降低預熱器的換熱效率;黏附情況嚴重時系統阻力增加，甚至影響機組的正常運行。在工藝設計中需要關注ABS的生成與狀態分析，一是控制系統溫度，保證系統溫度在ABS露點溫度以上，如SCR連續運行煙溫至少要高于硫酸氫氨露點溫度10℃;二是控制ABS的濃度，ABS生成隨SO3與NH3體積分數的增大而升高，選擇催化劑時需控制SO3的生成率在低值的范圍，同時做好噴氨系統模塊分區控制，減少氨逃逸;三是采取防腐措施，如，空預器冷端元件更換為耐腐蝕材料、加大吹灰強度等。

5 結論

高溫高塵環境下，煙氣環境SCR脫硝設計應綜合考慮經濟性和技術可行性，選擇強度高耐磨性好且孔內流速適宜的催化劑，吹灰系統、還原劑制備方法，核對殼體尺寸、結構、防磨舉措等關鍵部件，同時避免煙塵雜質、副反應等對脫硝效率的影響。

參考文獻

[1]朱天宇，李德波，方慶艷，等.燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝系統流場優化的數值模擬[J].動力工程學報，2015，35（6）：481-488.

[2]沈丹，李大梅，楊蕾，等.電廠SCR脫硝數值模擬技術研究進展[J].能源環境保護，2013，27（3）：10-13.

[3]馬燕.聯合脫硝技術在燃煤鍋爐脫硝改造中的應用[J].科技創新與應用（工業技術），2013（35）：12.

[4]高巖，欒濤，彭吉偉，等.燃煤電廠真實煙氣條件下SCR催化劑脫硝性能[J].化工學報，2013（07）：23-24.

收稿日期：2020-05-02

作者簡介：楊西茜（1986-），女，漢族，碩士，工程師，研究方向為大氣環境工程與管理。