燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術關鍵問題研究

張 潔，張 楊

(中國華電集團公司，北京 100031)

燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術關鍵問題研究

張 潔，張 楊

(中國華電集團公司，北京 100031)

0 引言

我國能源以煤炭為主，燃煤造成的環境污染已日趨嚴重，“十一五”期間國家采取了專項資金投入、重點污染物總量控制等一系列經濟、政治措施大力加強環境保護工作，污染治理取得了積極進展，火電廠SO2排放得到有效控制。但是隨著經濟的快速發展，我國環境形勢依然嚴峻，以煤炭為主的能源結構導致大氣污染物排放總量居高不下，城市大氣環境質量不容樂觀，區域性大氣污染問題日趨嚴重，長三角、珠三角和京津冀地區等城市群大氣污染呈現明顯的區域性特征，酸雨的類型已經從硫酸型向硫酸和硝酸復合型轉化。根據中國環境監測總站提供的數據，我國2007年的NOx排放量為1643.4萬t，其中工業NOx排放量為1261.3萬t，電力行業占整個工業行業NOx排放量的64.3%，占全國總量的45.5%。從區域分布來看，電力行業NOx排放量大的省份依次為貴州、江蘇、山東、廣東、河南、內蒙古、河北、浙江、遼寧、山西省等，占電力行業排放總量的68.3%。環境保護部從20世紀90年代中后期，就對燃煤電站鍋爐NOx的排放做出了限制［1］，并分別于1996年、2003 年［2－3］和 2010 年［4］對《火電廠大氣污染物排放標準》(以下簡稱“大氣排放標準”)進行了修訂，特別是目前正在修訂的大氣排放標準對NOx的排放限值大幅趨嚴，目前常用的燃燒控制技術措施已無法滿足進一步降低NOx排放的要求。同時，環境保護部印發了《“十二五”主要污染物總量控制規劃編制指南》，指南中明確“十二五”期間，在“十一五”COD和SO2兩項主要污染物減排的基礎上，將氨氮和NOx納入總量控制指標體系，實施國家總量控制。國家的NOx排放控制以電力行業和機動車為重點。NOx總量控制將作為電力行業“十二五”污染物控制的重要內容，“十二五”期間火電廠大規模煙氣脫硝已勢在必行。

為促進火電行業可持續發展和氮氧化物減排及控制技術進步，國家相關部委已相繼出臺了《燃煤煙氣脫硝技術規范》、《火電廠氮氧化物防治技術政策》、《火電廠煙氣脫硝工程技術規范選擇性催化還原法》和《火電廠煙氣脫硝工程技術規范選擇性非催化還原法》等一系列技術標準與規范［5－7］，進一步促進脫硝產業的發展。截至2009年4月底，全國共簽訂脫硝工程合同機組容量已達到2.4億kW，其中，多數以選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝為主，個別項目采用選擇性非催化還原法(SNCR)法脫硝工藝。由于SCR煙氣脫硝技術易與現有燃燒器相匹配，受燃料類型影響小，氮氧化物脫除效率高，已成為燃煤電站較常采用的煙氣脫硝技術。但是隨著燃煤電站SCR煙氣脫硝技術在我國的快速應用和發展，對脫硝工程建設和運行單位的技術管理水平提出了更高要求。本文針對SCR脫硝催化劑的選擇，SCR煙氣脫硝系統旁路設置與脫硝裝置流場模擬這三個當前SCR煙氣脫硝工程技術中的關鍵問題進行了分析與探討。

1 脫硝催化劑的選擇

催化劑成本占整個SCR脫硝系統投資成本的20%甚至更多，而且催化劑性能直接決定了SCR系統的脫硝效率和穩定運行，因此選擇優良的催化劑是SCR煙氣脫硝工程技術的關鍵。

1.1 型式

目前在全世界范圍內，燃煤電廠SCR煙氣脫硝工藝廣泛采用的催化劑為 V2O5－WO3(MoO3)/TiO2整體式催化劑，主要類型包括蜂窩式催化劑、平板式催化劑和波紋板式催化劑。考慮到波紋板式催化劑應用業績較少，本文僅對蜂窩式與平板式催化劑進行比較分析。

(1)蜂窩式催化劑是以釩－鎢(V2O5－WO3)為主要活性材料，鈦(TiO2)為載體材料，各種材料充分混合，經模具擠壓成型后煅燒而成。

(2)平板式催化劑是以金屬板網為骨架，以釩－鉬(V2O5－MoO3)為主要活性材料，鈦(TiO2)為載體材料，采取碾壓的方式將各種材料與金屬板網結合，后經成型、組裝和煅燒而成。

1.2 產能及業績

根據對國內外現有脫硝工程和產能的統計，到2010年底，全世界SCR脫硝催化劑產能將達到16萬m3，其中中國脫硝催化劑產能將超過6萬m3。在全世界范圍內，蜂窩式催化劑和平板式催化劑在燃煤電廠脫硝工程中都有成熟的應用業績。在國際市場的燃煤電廠脫硝領域，平板式與蜂窩式催化劑工程業績相當，蜂窩式催化劑在燃氣機組的業績較為突出。根據相關資料統計，至2010年10月份全球已建成投運的SCR脫硝機組已超過3000臺，其中燃煤機組約占總量的50%。全球燃煤電廠煙氣脫硝工程使用平板式催化劑與蜂窩式催化劑的比例約為47%、49%(見圖1);中國范圍內燃煤電廠煙氣脫硝工程使用平板式催化劑與蜂窩式催化劑的比例約為63%、32%(見圖2)。

圖1 全球脫硝催化劑燃煤電廠應用業績統計

圖2 中國燃煤電廠脫硝催化劑類型統計

1.3 技術特點

蜂窩式脫硝催化劑和平板式催化劑各具特點，平板式催化劑在抗灰堵性方面獨具優勢，對于高灰煙氣條件，應優先選擇平板式催化劑;但蜂窩式催化劑比表面積大，對于中低灰煙氣條件，體積需求量小，經濟性優于板式催化劑。在全世界范圍內，為了業主能有更多的選擇，蜂窩式和平板式催化劑均按照標準模塊化設計，可以進行互換。

無論是蜂窩式還是平板式催化劑，對于催化劑的質量控制應從外觀質量(不應有破損、裂紋和裂縫)、化學性能(初始反應活性、SO2/SO3轉化率)、物理性能(抗壓強度、磨損率)、結構參數(孔數、節距、壁厚;間距、板厚)等多方面進行把關，從而確保催化劑選擇符合工程實際需要。

1.4 選擇原則

(1)燃煤電站一般選擇使用溫度在320～425℃范圍內的催化劑，該反應溫度具有脫硝效率高、選擇性好、抗毒性強、運行可靠、氨逃逸和SO2/SO3轉化率低以及便于飛灰通行等特點，可最大程度適應燃料類型和運行條件。

(2)催化劑的選型應根據煙氣特性、飛灰特性和灰分含量等綜合性能保證要求考慮。鍋爐省煤器出口煙塵濃度＜30g/m3時，可優先選用蜂窩式催化劑;當鍋爐省煤器出口煙塵濃度≥40g/m3時，優先使用平板式催化劑;當鍋爐省煤器出口煙塵濃度在30～40g/m3之間時，可以根據實際情況，經技術經濟比較后選擇蜂窩式或平板式催化劑。

(3)催化劑應采取模塊化設計，具有互換性，機械壽命應不小于9年，化學壽命一般應不小于3年(24000h)。為了節約初投資，對于高鈣(＞20%)、高砷(＞10μg/g)等特殊煤種條件，催化劑化學壽命可按不小于2年(16000h)考慮。催化劑在化學壽命內應能有效保證系統脫硝效率及各項技術指標，此外還應考慮其再生性能。

2 SCR煙氣脫硝系統旁路設置

2.1 省煤器旁路

當鍋爐低負荷運行，省煤器出口(即SCR脫硝裝置入口)煙氣溫度較低時，一方面催化劑活性會比較低，另一方面，還原劑氨與煙氣中的SO3反應生成的硫酸氫氨和硫酸氨會沉積在催化劑上，進一步降低催化劑的活性，甚至造成催化劑不可逆轉的活性降低，因此，一般要求SCR脫硝裝置噴氨時煙氣的溫度要大于320℃。

如果省煤器出口的煙氣溫度低于允許的噴氨溫度，為防止硫酸氫銨和硫酸銨在催化劑表面沉積，應立刻停止噴氨。如果要求脫硝裝置在省煤器出口溫度低于最小噴氨溫度時仍然運行，就需要加裝省煤器旁路，以提高SCR脫硝裝置入口的煙氣溫度。最低噴氨溫度主要取決于煙氣中的SO3濃度，省煤器旁路的設計要求主要是保證進入脫硝裝置的煙氣溫度在SCR法脫硝最低運行溫度以上，并保證兩部分煙氣在進入SCR反應器之前均勻混合。這一問題可以用數值模擬技術進行解決，目前已在國外SCR脫硝工程設計中獲得成功的應用。

在我國，絕大多數燃煤電廠省煤器出口煙氣溫度在滿負荷下大于350℃，在50%負荷下大于320℃。因此，一般情況下，SCR煙氣脫硝裝置不需要設置省煤器旁路，而對于省煤器出口煙氣溫度在50%負荷下小于320℃的機組，可根據實際情況加裝省煤器旁路。

2.2 反應器旁路

環境保護部頒發的《火電廠煙氣脫硝工程技術規范—選擇性催化還原法》(HT 563－2010)［6］中明確規定“脫硝系統不得設置反應器旁路”。針對不設置SCR反應器旁路時的催化劑燒結、煙氣結露以及油沾污等問題，可采用下述措施。

2.2.1 防止催化劑燒結的應對措施

如果催化劑設計溫度選用過高，催化劑以及與之相關的反應器等成本就會升高;如果設計溫度選用過低，一旦在運行中省煤器出口溫度超過了允許值，就必須降機組鍋爐負荷運行，否則，催化劑就會因燒結而失去部分活性。因此要避免催化劑的燒結，就需要提出SCR脫硝系統的適合的設計溫度，讓催化劑供應商合理選擇配方以及生產工藝，提供滿足運行要求的催化劑。

2.2.2 鍋爐啟動時煙氣結露的應對措施

在鍋爐點火時催化劑處于冷態的情況下，煙氣通過反應器的時候會在催化劑表面結露，影響催化劑活性與使用壽命。為避免結露，可采用空氣加熱系統對催化劑進行預熱。SCR脫硝系統停運時，催化劑也可采用空氣加熱系統進行保護，以確保反應器內空氣的相對濕度處于較低的水平，讓催化劑在SCR脫硝系統停運時不發生壽命損耗。

2.2.3 鍋爐啟動時油沾污的應對措施

正常情況下，鍋爐停爐以及低負荷穩燃過程中燃用輕柴油時，燃燒比較完全。在鍋爐冷爐啟動過程中催化劑表面的油污會在鍋爐負荷和煙氣溫度升高后被蒸發，對催化劑活性的影響在可以接受的范圍內。但是如果鍋爐調試過程過長，鍋爐燃燒系統頻繁啟停，并且油槍霧化效果較差時，由于油的未完全燃燒，會造成較多的油滴沾污在催化劑的表面。附著在催化劑表面的油滴就有可能在更高的溫度下燃燒，造成催化劑的燒結。

針對上述問題可在設計和運行時采取以下預防措施:油槍采用蒸汽霧化;在鍋爐燃燒系統啟動調試的后期或者鍋爐本體主要調試完成后才安裝催化劑;嚴格按照鍋爐制造商的鍋爐啟動手冊啟動鍋爐，保證霧化壓力和適當的燃油流量，確保油燃燒器的霧化質量和燃燒效率;適時吹灰，減少催化劑表面灰和油的污染;如果在鍋爐點火啟動或者調試過程中，已經發現較長時間內燃油霧化以及燃燒效果很差，或者已經發現催化劑表面受到了油的沾污，就需要采取分段升溫的方法，緩慢加熱催化劑，使催化劑表面沾污的油滴分段蒸發。

2.2.4 鍋爐爆管時的應對措施

鍋爐爆管時會有大量的蒸汽進入煙氣，進而流經催化劑。在爆管時由于煙氣溫度以及汽水側工質的溫度都很高，煙氣的相對濕度很小，在煙氣溫度下降以前，對催化劑壽命損耗的速度幾乎沒有影響。但鍋爐爆管后一般會采取一系列停爐措施，如果在汽水側疏水、卸壓、降溫完成以前，通風溫度先行降得太低，爆管泄漏處就會有大量的蒸汽進入低溫空氣，使空氣相對濕度過大甚至局部出現水滴，在較短的時間造成催化劑較大的壽命損耗。

因此在SCR脫硝裝置不設反應器旁路的情況下，必須保證發生爆管以后，及時對汽水側進行疏水和卸壓操作，以減少和終止煙氣中含濕量的增加，并在泄漏處還有大量蒸汽噴出的情況下，保證反應器入口煙氣或者空氣的溫度在設計范圍內，必要時可在爐膛投入燃料進行加熱。

3 SCR煙氣脫硝裝置流場模擬

SCR煙氣脫硝裝置流場模擬的均流和導流是SCR煙氣脫硝工藝的核心技術之一。流場模擬主要包括計算機數值模擬和物理模型試驗，即利用流體力學的方法計算反應器內的煙氣流動、煙氣組分混合等流場狀況，并結合比例模型試驗來進行驗證，通過流場模擬來優化催化劑前煙道內部的設計布置，達到煙氣中NH3與氮氧化物的最佳混合，優化煙氣速度分布，降低壓損。流場模擬范圍應涵蓋從鍋爐省煤器出口到鍋爐空預器入口的全部煙氣系統，包含煙氣系統內的導流板、噴氨裝置、反應器入、出口煙道、反應器等。物理流場模型比例一般在1∶10到1∶15之間選擇。根據目前國內煙氣脫硝技術引進與消化吸收的情況，對于新建機組可在工程經驗非常豐富的基礎上有選擇的進行計算機數值模擬，而對于煙道復雜的新建機組和所有改造機組，則必須采用數值模擬與物理模型試驗相結合的方法進行脫硝裝置的設計。

SCR煙氣脫硝裝置的流場模擬流程如下:首先由脫硝工程公司設計出反應器及相關導流、噴氨等內部裝置;接著由SCR煙氣脫硝流場模擬公司(以下簡稱流場計算公司)進行模擬計算和物理模型試驗。流場計算公司須驗證原始設計是否達到了所要求的性能指標，如果沒有提出修改優化的設計要求，并再次對修改設計要進行模型試驗校核;最后，根據流場計算優化后的結果，進行反應器和內部裝置的安裝。該工作需要流程計算公司具備豐富的專業技能和實際經驗。流場設計的好壞將直接影響脫硝裝置運行效果。

目前，進入中國的SCR煙氣脫硝流場模擬的國外公司主要有丹麥Force公司、瑞士Flowtech公司、美國FuelTech公司、丹麥Flowvision公司等。國外流場模擬公司在歐美脫硝業績很多，積累了很多的工程經驗，在對模擬技術的把握和運用上比較成熟。在國內脫硝市場前期的項目中，絕大部分都是由國外公司完成流場模擬工作。隨著國內脫硝市場的發展，脫硝技術越來越成熟，國內脫硝工程公司和部分高校也紛紛開始自主研發脫硝流場模擬技術。隨著脫硝工程經驗的不斷積累，國內脫硝工程流場模擬技術很快會達到國外先進水平，而國內的價格優勢也將會越來越明顯。

4 結語

在我國當前環保形勢下，燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術在“十二五”期間將得到快速應用和發展，這就要求我們加快對引進SCR煙氣脫硝工程技術的消化、吸收與再創新，使之能夠適應于我國氮氧化物排放國情。在對當前燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術進行全面調研的基礎上，結合我國現行的有關環境法律法規、標準規范，對SCR煙氣脫硝工程技術中幾個關鍵技術問題進行深入的探討與研究，并提出了相應的指導意見與解決措施，從而為建設與運行單位提高SCR煙氣脫硝工程技術水平，完善煙氣脫硝技術的標準化建設提供借鑒。

［1］GB 13223－1991，燃煤電廠大氣污染物排放標準［S］.

［2］GB 13223－1996，燃煤電廠大氣污染物排放標準［S］.

［3］GB 13223－2003，燃煤電廠大氣污染物排放標準［S］.

［4］GB/T 21509－2008，燃煤煙氣脫硝技術裝備［S］.

［5］HJ 562－2010，火電廠煙氣脫硝工程技術規范:選擇性催化還原法［S］.

［6］HJ 563－2010，火電廠煙氣脫硝工程技術規范:選擇性非催化還原法［S］.

［7］王義兵，孫葉柱，陳 豐，等.火電廠SCR煙氣脫硝催化劑特性及其應用［J］.電力環境保護，2009，25(4):13 －15.

［8］王文選，趙繼海，周建鋒，等.600 MW燃煤機組SCR脫硝工程設計特點［J］.電力科技與環保，2010，26(1):49－52.

Study on key technical issues of SCR denitrification from coal－fired boiler flue gas

對SCR煙氣脫硝催化劑的選擇、脫硝系統旁路設置與脫硝裝置流場模擬這三個當前我國燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術中的關鍵問題進行了分析與探討，并提出了解決措施，為提高脫硝工程技術水平、完善當前SCR煙氣脫硝技術規范提供借鑒。

氮氧化物;SCR;催化劑;旁路;流場模擬

Three key technical issues of SCR denitrification from coal－fired boiler flue gas have been analyzed and discussed，including selection of catalyst，bypass installation，and flow field simulation for SCR denitrification system.The corresponding guidance suggestions and settlement measures have been proposed for improving denitrification technical merit of construction and operation units and consummating the current technical specifications for SCR denitrification.

nitrogen oxide;SCR;catalyst;bypass;flow field simulation

X701.7

B

1674－8069(2011)02－038－04

2010-11-09;

2011-02-26

張 潔(1975-)，女，江蘇江陰市人，工程師，從事火電廠煙氣除塵、脫硫及脫硝等環保工程管理方面的工作與研究。E－mail:jie－zhang@chd.com.cn