選擇性催化還原技術在超超臨界燃煤機組脫硝的應用

徐 灝

(浙江天地環保工程有限公司，杭州 310003)

0 引言

火電在我國裝機總容量中占有相當大的比例。大氣中的NOX有90%來自燃燒產物，其中火電廠的排放量約占總量的50%。NOX的大量排放將形成溫室氣體、酸雨、光化學煙霧，嚴重污染環境，威脅人類健康。NOX排放控制可以分為低NOX燃燒技術和煙氣脫硝技術兩類。低NOX燃燒技術已經廣泛應用于大多數燃煤鍋爐，在環保排放要求日益嚴格的情況下，以選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)為代表煙氣脫硝工藝具有脫硝效率高、技術成熟的特性，大量應用于燃煤電站脫硝。

浙能樂清發電廠二期#3、#4機組采用上海鍋爐廠660 MW超超臨界參數變壓直流爐、一次再熱、平衡通風、半露天布置、固態排渣、全鋼懸吊結構Π型鍋爐。為滿足環保要求，該工程采用SCR脫硝裝置，與主體工程同步設計、施工、投產。在設計煤種及校核煤種、鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量條件下，脫硝系統設計脫硝效率不小于65%，并預留80%脫硝效率空間。

1 SCR脫硝原理

通常以NH3作為還原劑，在300～420℃溫度范圍內，在催化劑的作用下，煙氣中的NOx被選擇性還原成氮氣和水。主要反應機理如下:

2 設計參數

樂清發電廠二期SCR脫硝系統設計參數見表1:

表1 SCR脫硝系統設計參數

3 工藝流程及關鍵設備

3.1 工藝流程

工程脫硝還原劑采用純度為99.6%以上的液氨。液氨儲罐中的液氨經蒸發器加熱后蒸發為氨氣，經氨氣管道輸送到SCR區域，與空氣混合成體積濃度小于5%混合氣體，由噴氨格柵(AIG)噴入入口煙道。來自鍋爐省煤器出口的煙氣進入脫硝系統煙道，在煙道內與氨氣充分混合均勻后進入SCR反應器。在反應器內，煙氣中的氮氧化物與氨在催化劑的作用下發生氧化還原反應，生成氮氣和水，從而完成脫硝過程。脫硝后的凈煙氣從反應器底部流出，經出口煙道進入下游的空氣預熱器。該系統工藝流程見圖1。

圖1 煙氣脫硝裝置工藝流程

3.2 關鍵設備

3.2.1 煙道及反應器

工程SCR反應器采用高塵布置方式，布置在省煤器出口與空預器入口之間。一臺機組設置兩臺SCR反應器，反應器前入口煙道上布置有網格狀的噴氨格柵。

通過運用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)進行數值模擬，對脫硝系統煙道中的導流裝置進行優化設計，使噴氨格柵及催化劑層入口的煙氣流場滿足設計要求，系統阻力降也在設計范圍之內。經過CFD優化后，第一層催化劑入口處的NH3/NOX摩爾比偏差小于5%，速度偏差小于15%，流場分布趨于均勻。速度矢量圖見圖2。

圖2 CFD優化后的速度矢量圖

每臺SCR反應器寬10 m、長16 m、高14.2 m，設計成煙氣豎直向下流動。反應器采用通用型結構設計，能滿足蜂窩式、平板式及波紋板式等任何形式催化劑的安裝要求。反應器是標準的板箱式結構，輔以各種加強筋和支撐構件，以滿足防震、承載催化劑、承受其它荷載和抵抗熱應力的要求，并且與外界隔熱。

催化劑的各模塊間、催化模塊與反應器墻壁間裝設有密封裝置，可保證煙氣全部流經催化劑，避免煙氣短路。

反應器進口設置均流格柵，以保證進入催化劑表面的進口煙氣流場分布均勻，減少積灰和磨損。

每臺反應器布置12臺聲波吹灰器(不含預留層)。

整個煙氣系統不設省煤器旁路和反應器旁路，不設灰斗，煙道在適當位置配有足夠數量和大小的人孔門和清灰孔，以便于煙道的維修和檢查。SCR煙道及反應器布置見圖3。

圖3 SCR煙道及反應器布置圖

3.2.2 催化劑

工程催化劑采用蜂窩式，在反應器內為2+1層布置，上面2層裝設催化劑，下面1層為預留層。催化劑孔距7.1 mm，壁厚1.0 mm，每臺爐初裝兩層催化劑，總用量約為337 m3。催化劑基材為TiO2，占催化劑組成的80%左右，活性物質為V－W－Mo，約占催化劑組成的10%。催化劑機械壽命不小于10年，化學壽命不低于24 000小時。

3.2.3 噴氨格柵

AIG布置在截面為3.8 m×11.2 m的入口煙道中，其布置面與煙氣流動方向相垂直，與下游催化劑之間保持足夠的混合距離。AIG布置見圖4。

圖4 AIG布置圖

AIG將煙道截面等分成4×7=28個區，每個區15個噴嘴，共420個噴嘴。每個區的噴氨量由一個調節閥控制，可根據煙氣的不同負荷工況調節流量，保證噴氨的均勻性。

3.3 設備性能及運行情況

浙能樂清發電廠二期兩臺660 MM機組已于2011年1月順利通過性能考核試驗，各項指標均優于設計要求。主要性能測試數據見表2。

表2 性能測試數據

在裝置連續運行20個月后，對#3機組的脫硝催化劑進行了采樣分析測試。結果顯示，催化劑實際活性高于催化劑廠家的預測值。

4 結論及建議

(1)SCR脫硝工藝是一種成熟的技術。該工藝脫硝率高、運行安全可靠。

(2)浙能樂清發電廠二期2×660 MW超超臨界燃煤機組煙氣脫硝系統投運以來，裝置運行穩定，性能指標均滿足設計要求。

(3)本期工程兩臺機組脫硝投運后，電廠每年可減少氮氧化物排放8 077 t，每年節省排污費508.8萬元。環境效益和經濟效益都很顯著。

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