SCR脫硝技術的應用實例

黃秋麗 李 玲 董強強 沈 健

(1.河源市環境監測站，廣東 河源 517000;2.深能合和電力(河源)有限公司，廣東 河源 517000)

0 引言

燃煤電廠煙氣脫硝分為選擇性催化還原(SCR)、選擇性非催化還原(SNCR)和SCR/SNCR聯用三種技術。其中選擇性催化還原(SCR)是目前最成熟的煙氣脫硝技術，其脫硝效率高(70% ～90%)，選擇性好，無二次污染，因此在我國得到了最廣泛的應用［1－2］。

2010年，我國火電行業N O x排放量達到1 038萬t，預計到2015年全國將有約5億kw的燃煤電廠進行煙氣脫硝。而據中國電力企業聯合會提供的數據，截至2008年底，已有超過2 000萬kw的煙氣脫硝機組投運，其中絕大部分采用的是 SCR法［1］。SCR技術工業設備緊湊，運行可靠，脫硝效率可達85%，使用催化劑，反應溫度低，還原生成氮氣，無二次污染。但是存在以下缺點:煙氣成分復雜，某些污染物可使催化劑中毒;系統存在一些未反應的NH3和煙氣的 S O2作用，生成易腐蝕和堵塞設備的(NH4)2S O4和NH4HS O4，會降低氨的利用率，同時加劇空氣預熱器的低溫腐蝕［3］。

SCR脫硝技術在國內外已運行一段時間，現階段運行仍然存在以下問題:若煙氣溫度低于最低投運溫度，則脫硝退出;高分散的粉塵會覆蓋催化劑的表面，使其活性下降;發電機組負荷率下降導致機組長期處于低負荷狀態下運行，脫硝設施撤出時間增加，不利于污染物減排;若脫硝設施長期在低負荷、煙氣溫度不高的情況下運行，則會對脫硝設施的催化劑產生一定的副作用，影響催化劑的實際催化效果和使用壽命［4］。本文以某電廠為例，通過分析SCR脫硝技術在該廠的實際應用，以期為SCR脫硝工程工藝設計和設備選型提供借鑒。

1 電廠煙氣處理概況

1.1 煙氣處理背景

該電廠2×600 MW超臨界燃煤發電機組采用低氮燃燒技術，分別于2008年12月和2009年8月投入商業運行，同期建設脫硫系統，并預留脫硝接口。煙氣自省煤器后進入高頻電除塵設備進行除塵，最后進入FGD脫硫系統除去S O2后進入煙囪排放。在機組本體及脫硫系統的進出口煙道上均設有回轉式空預器，實現煙氣系統的熱交換。

該電廠1、2號機組脫硝改造工程分別于2014年1月、2013年3月投運，同期建設可存儲90 t液氨的液氨站。

1.2 脫硝工藝

該電廠脫硝工程選用福建龍凈環保股份有限公司設計制造的全套煙氣脫硝系統，采用SCR脫硝裝置，按入口N O x濃度450 mg/Nm3、處理100%煙氣量及最終N O x排放濃度為90 mg/Nm3進行設計。脫硝還原劑采用99.8%液氨氣化處理后的氣氨。如圖1所示，在催化劑作用下，氣氨與煙氣中的N O x反應生成無害的 N2和H2O，從而去除氮氧化物［3］。該電廠在SCR煙氣脫硝系統的設備選型階段，就充分考慮了催化劑最低投用煙溫與機組低負荷運行時省煤器出口煙氣溫度的匹配性，為了保證脫硝投用率，選擇最低投用煙氣溫度較低的催化劑。

圖1 SCR煙氣脫硝反應示意

化學反應式如下:

如圖2所示，鍋爐配置A、B兩臺SCR脫硝反應器。從鍋爐省煤器來的煙氣經SCR裝置入口補償器、氨噴射格柵(AIG)、反應器入口補償器，然后進入反應器內，煙氣豎直向下流動。催化劑為蜂窩式，設計為3層，其中一層為預留層。考慮到溫度可控且裕量充足，未設省煤器調溫旁路和反應器旁路煙道。氨站儲罐內儲存的液氨經加熱蒸發后形成氨氣，經穩壓、流量調節、空氣混合后，由噴氨格柵進入脫硝反應器入口混合煙道中，與煙氣進行充分混合，在催化劑表面進行反應。工藝參數見表1。

圖2 該電廠脫硝工藝流程

表1 SCR脫硝系統主要工藝參數

2 系統設備

2.1 氨站

2.1.1 卸料系統

氨站設有2臺美國C O RKEN壓縮機，出力為48 m3/h，用于正常狀態下液氨的卸料，以及檢修狀態下液氨的倒罐和裝車。以卸料過程為例，其工作原理是將液氨儲罐內部的氣體經過增壓后輸入槽車中，形成壓差將槽車中的液氨壓入儲罐，如圖3所示。

2.1.2 存儲系統

氨站設2臺92 m3水平臥式的氨儲罐，儲罐及其管路上均配有安全閥，避免氨氣超壓泄漏爆炸。每個儲罐設有磁翻板式和超聲波式液位計、溫度計、壓力計等監控保護裝置，此外罐體周圍還布有工業水噴淋管道，實現超溫超壓時的緊急噴淋。

圖3 卸料壓縮機工作原理示意［5］

2.1.3 蒸發系統

氨站設有2臺蒸發器，其作用是將液氨加熱轉化為氨氣。液氨(流量由調節閥根據氨氣壓力進行調節控制)進入盤管中，被盤管外的水浴加熱氣化，之后進入緩沖罐，壓力穩定在約0.30 MPa。水的熱量來自鍋爐輔助蒸汽，并通過溫度控制裝置將水溫恒定在約70℃。

2.2 反應區

2.2.1 反應器

反應器本體采用板箱結構，內設橫向加強板、支架、密封、鋼架等均采用方型或者長方型(內空)鋼梁，設計成不易積灰的型式。反應器入口及出口段應設導流板，SCR反應器與進、出口煙道范圍內的導流板、整流裝置、靜態混合器、支撐及附件等材質為Q345鋼，并對內部易磨損的部位采取耐磨合金鋼防護板。反應器設有入孔，并在最下層催化劑下部布置永久氮氧化物抽氣測點。

2.2.2 催化劑

選用成都東方凱特瑞環保催化劑有限責任公司生產的釩鈦基催化劑，主要成分有二氧化鈦(Ti O2)、五氧化二釩(V2O5)、三氧化鎢(W O3)、三氧化鉬(Mo O3)。每層布有72個催化劑箱。催化劑的型式為蜂窩式，單體模塊孔數18×18孔，帶有測試模塊，可在機組維護期間進行取樣測試。催化劑的化學壽命大于24 000運行小時。圖4為催化劑及蒸汽吹灰系統的布置。

2.2.3 吹灰系統

單個反應器上，每層設有5個聲波吹灰器和4個半伸縮耙式蒸汽吹灰器。聲波吹灰器采用瑞典科康品牌，所用壓縮空氣壓力為0.60 MPa。蒸汽吹灰器采用上海克萊德貝爾格曼機械有限公司生產的耙式吹灰設備，對催化劑上表面進行伸縮式吹灰。

2.2.4 氨氣供給管路設備

氨氣自氨站輸送至反應器本體外部，經由調節閥對其流量進行控制后，進入氨空混合器與空氣混合，最后進入噴氨格柵。氨氣在空氣中的爆炸極限為15% ～27%，為保證安全，采用稀釋風機將空氣注入氨空混合器，將其濃度控制在5%以下。每臺鍋爐設3臺稀釋風機，采用法國風力嘉工業風機，流量為3 550 Nm3/h。

2.2.5 噴氨格柵AIG

噴氨格柵關系到反應器內的氨氣與煙氣中的N O x混合均勻的程度，直接關系到脫硝效率和氨逃逸率兩個重要指標。每個反應器上設有1組噴氨格柵，具有18根噴氨支管分區域進行噴氨，每根支管上有8個噴頭，共144個噴頭組成格柵，均勻分布在入口煙道的橫截面上。每根支管設有流量調節閥和壓差計，用于調節噴氨場的均勻性。

圖4 催化劑及蒸汽吹灰系統［5］

3 技術特點

3.1 氨區的安全技術

由于氨是化學危險品，具有爆炸性和可燃性，泄漏時，氨的擴散能力很強，對周圍環境及人體的毒害性大。因此，氨站內設有6個氨泄漏監測儀、3臺消防炮、滅火器、洗眼器等消防安全設施。此外，氨站附近配備有8套防護裝備，包括正壓式呼吸器、全身防護服、全面罩、半面罩、長筒膠靴、防凍手套、護目鏡等，分別放置在氨站控制室及化水集控室內。特別在氨站附近建有急救設備存放亭，在事故狀態下能夠及時穿戴，保證氨站的安全與穩定運行。

3.2 未設旁路

設置旁路的SCR脫硝系統存在旁路擋板的密封和積灰問題，而且投資、運行和維護費用較高。考慮到該工程每年正常啟停次數在10次以下，借鑒國內外的經驗，取消旁路設置，簡化系統 。

3.3 氨氣/煙氣的混合技術

注入的氨氣與煙氣均勻混合是保證脫硝率和減少氨逃逸率的重要措施。該工程在每個SCR反應器上設有一組噴氨格柵，共有144個噴頭，均勻分布在入口煙道的橫截面上。格柵上的每根支管設有流量調節閥和壓差計，用于調節噴氨場的均勻性。

3.4 催化劑層數的設置

層數設置是以滿足排放標準為前提，盡量減小初期投資為原則。每臺SCR反應器采用2+1層催化劑布置方式，其中最下層為預留層，減少了SCR所占空間和初投資及運行、檢修維護的費用。同時，預留備用層從遠期角度滿足我國不斷提高的環保要求，靈活性強［5］。

3.5 廢水回用

該電廠氨站設置有162 m3的廢水池貯存廢水。當液氨儲罐和蒸發系統需要檢修時，可將氣氨排入氨稀釋槽中，經水吸收后再排往氨區廢水池，減少環境污染。氨區廢水池設有2臺廢水泵，將含氨廢水輸送至廠區工業廢水池中進行處理并回用，達到“廢水零排放”的標準。另設有32 m3的回用水池，主要用于加熱用蒸汽水的儲存、回用。

4 系統性能測試

2013年5月，委托廣東電網公司電力科學研究院對2號機組脫硝系統性能進行測評，對脫硝率、煙氣流場分布、溫度場分布、進出口N O x分布、出口NH3分布、系統阻力、氨氮摩爾比等參數進行了實測分析。

2號機組SCR脫硝裝置第一次性能試驗的主要結果匯總見表2，主要測量參數滿足設計值要求，脫硝效果良好。

表2 2號SCR脫硝裝置性能試驗主要結果匯總

5 結語

該電廠2×600 MW燃煤機組SCR煙氣脫硝裝置分別于2013年3月和2014年1月通過168 h試運行并投產使用，各項指標均符合設計要求，在100%、75%、60%工況條件下，脫硝效率分別為82%、87%和90%，氨逃逸率均小于2%，系統總阻力低于500 Pa。煙氣N O x排放濃度達到最新國家標準GB 13223—2011的要求。

綜上所述，SCR工藝因其脫硝效率高，選擇性強，是國內脫硝工藝的首選。隨著國家節能減排力度的加大，在借鑒發達國家成功經驗的同時，應完善和解決SCR工藝運行過程中存在的問題，提高脫硝設備的投運穩定性和投運率，裝備國產化，整體降低電力行業N O x排放。

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