火電廠SCR煙氣脫硝工藝系統設計

孫娜

摘要：目前國內燃煤電廠已投入使用的SCR 脫硝機組大多數采用國外技術，而我國的脫硝工作現在還處于初步階段，SCR 脫硝技術的工藝設計和運行控制經驗相對缺乏，尚未形成一套完整成熟的自主知識產權技術。SCR 脫硝技術工藝設計和運行控制手段的不斷完善和優化，對于SCR 技術的應用和推廣具有積極的推動作用，也對改善我國大氣環境質量有著深遠的意義。因此，本文主要對火電廠SCR煙氣脫硝工藝系統設計進行了一系列的探討和論述。

關鍵詞：火電廠，SCR，煙氣脫硝，系統設計

中圖分類號： N945 文獻標識碼： A

一、引言

SCR技術是當前世界上主流的煙氣脫硝工藝，自上世紀70年代在日本燃煤電廠開始正式商業應用以來，目前在全世界范圍內得到廣泛的應用，也是中國煙氣脫硝采用最多的技術，特別是近幾年SCR煙氣脫硝得到大面積的應用。SCR煙氣脫硝技術具有脫硝效率高，成熟可靠，工藝系統簡單，雖然投資費用偏高，但是運行十分穩定。然而在進行火電廠SCR煙氣脫硝工藝設計的過程中往往存在一些問題，會產生嚴重的后果。所以加強火電廠SCR煙氣脫硝設計探討及學習是十分有必要的。

二、SCR脫硝工藝介紹

選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)工藝是當今世界各國應用最多且最為成熟的工藝。SCR原理是在催化劑作用下，還原劑NH3在300-420℃下將NO和NO2還原成N2，而幾乎不發生NH3的氧化反應，從而提高了N2的選擇性，減少了NH3的消耗。煙氣脫硝SCR工藝根據反應器在煙氣系統中的位置主要分為三種類型：高灰型、低灰型和尾部型等。

1、高灰型SCR工藝：脫硝催化劑布置在省煤器和空預器之間，煙氣中粉塵濃度和SO2含量高，工作環境相對惡劣，催化劑活性下降較快，需選用低SO2氧化活性、大節距、大體積催化劑，但煙氣溫度合適（300-400℃），經濟性最高，是目前燃煤電廠煙氣脫硝的主流布置形式。

2、低灰型SCR工藝：脫硝催化劑位于除塵器和脫硫設施之間，煙氣中粉塵濃度低，但SO2含量高，可選用低SO2氧化活性、小節距、中體積催化劑，但為了滿足催化劑反應活性溫度要求，需相應配置高溫除塵系統，目前此項工藝僅在日本有所應用。

3、尾部型SCR工藝：脫硝催化劑位于脫硫設施后，煙氣中粉塵濃度和SO2含量都很低，可選用低SO2氧化活性、小節距、小體積催化劑，但由于煙氣溫度低于80℃，與低灰布置形式類似，需要采用GGH煙氣換熱或外部熱源加熱方式將煙氣溫度升至催化劑活性反應溫度，系統復雜，同樣只適用于煙氣成分復雜或者空間布置受到限制特定情況，此種布置形式在垃圾焚燒廠中有較多應用。

三、SCR煙氣脫硝系統技術原理

典型的燃煤電廠鍋爐選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統采用氨(NH3)作為還原介質,主要由供氨和噴氨系統、催化反應器、煙氣管道與控制系統等組成。SCR反應器通常布置在鍋爐省煤器出口與空氣預熱器入口之間。離開省煤器的熱煙氣在進入SCR反應器前,在遠離SCR反應器的上游煙道中噴入氨(NH3),與煙氣充分均勻混合后進入反應器。氨在反應器中，由于催化劑的作用下,選擇性地與煙氣中的NOx(主要為NO和少量的NO2)發生化學反應,將NOx轉換成無害的氮氣(N2)和水蒸氣(H2O),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。研究認為,在290-400e有如下幾種反應：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

四、SCR系統各部分工藝設計要點

1、氨氣供應系統設計要點

氨氣供應系統主要由液氨儲罐、氨氣蒸發器、氨氣緩沖槽、氨/空氣混合器等組成，此套系統的主要作用是為脫硝系統提供還原劑（NH3），此過程中設計要點：

（1）液氨儲罐設計要點

液氨儲罐日常運行過程中可能遇到液氨泄漏、火災及爆炸的風險事故，為了防止相關風險事故的發生，在工藝設計過程中需考慮以下相關設計要點：

①在儲罐相關位置設置超流閥、逆止閥、緊急關斷閥和安全閥等，以防止液氨的泄漏；②在儲罐相關位置設置溫度計、壓力表、液位計、高位報警儀等，以對液氨儲存狀態進行實時監督；③儲罐周圍設計有噴淋裝置，適時對儲罐進行噴淋降溫，同時也可對揮發的微量氨氣進行吸收。

（2）氨氣蒸發器設計要點

為了保證進入氨/空氣混合器內的氨氣滿足壓力和溫度上的要求，氨氣蒸發器內應設計相關的過高溫斷源裝置、過低溫斷源裝置和過壓力斷源裝置，在蒸發出的氨氣不滿足相關壓力和溫度的要求時，切斷氨氣蒸汽源，以保證進入后續工段的氨氣滿足壓力和溫度上的要求。

（3）氨/空氣混合器設計要點

氨/空氣混合器的作用是調節氨的濃度，同時使氨在空氣中分布均勻。通常工藝設計上通過設置稀釋風機和氨氣流量控制器來控制氨氣和空氣的混合比例關系，以滿足脫硝反應對于還原氣體的濃度要求。

（4）氨氣供應系統相關安全措施設計要點

氨氣供應系統部分在設計上主要考慮的相關安全措施包括氨氣泄漏檢測器和氮氣吹掃措施，氨氣泄漏檢測器實時對各部位的氨氣濃度進行檢測，氮氣吹掃措施用來防止氨氣的泄漏和潛在的爆炸危險。

2、進出口煙道設計要點

進出口煙道在設計上主要考慮煙道拐彎處的導流葉片設計，導流葉片的設計主要考慮葉片的形狀、位置和數量。另外，還需要考慮煙道的加固和支撐問題，以及導流葉片和拐彎處的防磨問題。

3、氨噴射裝置設計要點

氨噴射裝置通常采用噴射格柵的形式，在煙道截面上布置若干個控制區域，在不同控制區域上布設數目不等的氨氣噴射頭。氨噴射裝置在工藝設計上需要考慮的問題主要有以下幾個要點：（1）每個控制區域的噴射頭流量可單獨控制，適時匹配煙氣中的NOx的濃度分布；（2）根據具體的鍋爐尾部煙道的布置形式，合理設計噴氨格柵的位置及噴嘴形式；（3）在煙道的適當位置加設導流擋板，使氨氣與煙氣混合更充分均勻；（4）噴氨部位應設計在NOx濃度與煙氣流速都分布較均勻的部位，以提高物料效能及脫硝效率；（5）NH3/NOx的摩爾比通常按0.75～1.00設計，以保證在提高脫硝效率的同時，盡可能的降低副反應的反應速率。

4、SCR 反應器設計要點

SCR 反應器是脫硝系統中的核心部件，主要由反應器殼體、催化劑布置層和吹灰器組成。

（1）SCR 反應器殼體設計要點

SCR 反應器殼體是影響 NOx/NH3的混合效果和煙氣速度均勻分布的核心部件，為了保證較為理想的反應條件，SCR 反應器殼體在設計上主要需要考慮加固、防震、載重、密封、抗拉、抗壓、隔熱等設計要求。

（2）催化劑布置層設計要點

催化劑布置層是影響SCR 反應條件的核心設備部件，在設計上主要考慮以下幾點內容：①SCR 反應器中的催化劑一般為 2～4 層，通常垂向布置（平行于煙氣通過的方向）；②空塔氣速的選擇；③催化劑體積的選擇；④選擇合適的催化劑型式（平板式、蜂窩式或波紋板式）；⑤選擇合理的催化劑層距、過氣孔隙面積和過氣孔隙密度。

（3）吹灰器設計要點

吹灰器的作用是除去催化劑活性表面及堵塞在氣流通道內的顆粒物，以起到恢復催化劑表面活性和降低反應器壓降的作用，通常采用蒸汽吹灰器和聲波吹灰器。吹灰器在設計上主要考慮吹灰氣流或聲波的指向性，使它們更有效地作用于積灰表面。根據不同催化劑層的布置情況，有針對性地布設吹灰器的位置及指向作用范圍；對于吹灰器處于兩層催化劑之間的情況，在設計上需同時考慮氣流或聲波的反射作用，以便更充分地利用吹灰能。

五、結束語

總之，SCR 法煙氣脫硝技術作為目前應用最成熟的煙氣脫硝技術，在我國燃煤電廠氮氧化物控制領域具有巨大的應用前景。在 SCR 煙氣脫硝系統工藝設計和運行控制過程中，可以借鑒發達國家已經取得的成功經驗，但要結合我國鍋爐和燃煤的特性，進行合理的優化設計和運行控制，以研發出具有我國自身特色的SCR法煙氣脫硝技術，為我國的氮氧化物控制工作出更大的貢獻。

參考文獻：

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