135 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈嵐

（浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州310012）

135 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈嵐

（浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州310012）

介紹了某135 MW燃煤機(jī)組鍋爐選擇性催化還原煙氣脫硝裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)，包括反應(yīng)器本體設(shè)計(jì)、催化劑選型設(shè)計(jì)和氨區(qū)設(shè)計(jì)等，并對(duì)脫硝裝置內(nèi)部煙氣流場(chǎng)進(jìn)行了研究，優(yōu)化了脫硝煙道結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了一些優(yōu)化建議。

煙氣脫硝；選擇性催化還原；燃煤鍋爐；135MW機(jī)組

目前國(guó)內(nèi)大氣污染情況嚴(yán)重，燃煤機(jī)組排放煙氣中NOX是主要的大氣污染源之一。我國(guó)NOX排放量中70%以上來(lái)源于煤炭的直接燃燒，電力行業(yè)又是國(guó)家的耗煤大戶，因此燃煤機(jī)組是NOX排放的主要來(lái)源[1]。隨著燃煤發(fā)電廠數(shù)量的不斷增加，燃煤機(jī)組NOX的排放量及所占的比重還會(huì)不斷提高。

某發(fā)電廠2×135 MW熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤機(jī)組由于無(wú)脫硝裝置，省煤器出口煙氣中NOX質(zhì)量濃度達(dá)到400 mg/m3，出口煙氣NOX排放濃度將無(wú)法滿足GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》NOX排放100mg/m3的限值要求，加裝脫硝裝置及進(jìn)行相應(yīng)設(shè)施改造成為必然選擇。

以該工程改造為例，較為全面地介紹了135 MW等級(jí)燃煤機(jī)組的脫硝系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)方法，并提出相應(yīng)的優(yōu)化建議和對(duì)策。

1 脫硝工藝方案的確定

該發(fā)電廠2×135MW機(jī)組采用SCR（選擇性催化還原）脫硝技術(shù)，每臺(tái)鍋爐設(shè)1臺(tái)SCR反應(yīng)器，布置在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間。反應(yīng)器安裝“2層運(yùn)行+1層備用”（2+1）的模式設(shè)計(jì)，初裝兩層蜂窩型催化劑，脫硝的還原劑為液氨（純度99.6%）。

1.1 脫硝原理

目前燃煤發(fā)電廠鍋爐配備的SCR裝置中，高溫高塵型SCR工藝（如圖1所示）占據(jù)最大比例。高溫高塵型SCR的脫硝反應(yīng)器一般布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間，在這個(gè)流程段煙氣溫度通常在300℃~400℃，是SCR脫硝催化劑合適的運(yùn)行溫度。

圖1 典型的高溫高塵型SCR技術(shù)反應(yīng)器布置

鍋爐省煤器出口的煙氣中含有NOX與SO2等有害氣體，并攜帶大量的飛灰，通過(guò)連接煙道在適當(dāng)?shù)奈恢脟娙脒€原劑（通常是NH3），并在煙道內(nèi)設(shè)計(jì)混流裝置，煙氣與還原劑混合均勻后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器。在脫硝反應(yīng)器內(nèi)催化劑的作用下，噴入煙氣中的NH3與NOX在脫硝反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生還原反應(yīng)，生成無(wú)害的N2和H2O。煙氣中以NO形式存在的NOX占到95%以上，所需的NH3/NOX物質(zhì)的量之比接近化學(xué)當(dāng)量關(guān)系。在反應(yīng)過(guò)程中，NH3可以有選擇性地和NOX反應(yīng)生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，因此該反應(yīng)被稱為“選擇性”催化還原反應(yīng)。

煙氣中NH3與NOX在催化劑表面層流區(qū)的擴(kuò)散是反應(yīng)的控制環(huán)節(jié)，而催化劑本身活性是整個(gè)反應(yīng)的關(guān)鍵。在催化劑的催化作用下還會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，比如SO2與O2結(jié)合生成SO3。

當(dāng)煙氣進(jìn)入下游換熱設(shè)備（空預(yù)器）時(shí)，煙氣溫度逐漸下降，在低于220℃溫度下，SO3與脫硝過(guò)程逃逸的氨反應(yīng)生成高粘性的硫酸氫銨（NH4HSO4）或部分硫酸銨（NH4）2SO4）[1]。

在高溫高塵型SCR裝置的脫硝過(guò)程中，核心部件是催化劑，脫硝裝置的性能主要取決于催化劑。由于煙氣中所含有的全部飛灰和SO2均通過(guò)催化劑反應(yīng)器，催化劑是工作在“不干凈”的高塵煙氣條件中，易導(dǎo)致催化劑的性能受下列因素的影響而降低，主要的影響有：

（1）飛灰對(duì)催化劑的沖蝕磨損。

（2）煙氣所攜帶的飛灰中含有Na，Ca，Si等成分時(shí)，會(huì)使催化劑“中毒”或受污染。

（3）高活性的催化劑會(huì)促使煙氣中的SO2氧化成SO3。

（4）飛灰將催化劑通道堵塞。

（5）如煙氣溫度升高，還會(huì)將催化劑燒結(jié)，或使之再結(jié)晶而失效，如煙氣溫度降低，NH3會(huì)和SO3反應(yīng)生成酸性硫酸銨和硫酸氫氨，從而會(huì)堵塞和污染空氣預(yù)熱器。

在催化劑選型確定后，優(yōu)化脫硝裝置的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，可以更好地發(fā)揮催化劑的性能，延長(zhǎng)催化劑壽命。為此，通常要求煙氣進(jìn)入催化劑前必須滿足一系列的邊界條件，一般要求是：

（1）溫度最大偏差：平均值的±10℃。

（2）速度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<15%。

（3）煙氣入射催化劑角度（與垂直方向的夾角）<10°。

（4）氨氮摩爾比分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<5%。

此外，鍋爐省煤器出口的煙氣參數(shù)（如飛灰濃度、煙氣溫度及煙氣參數(shù)）取決于鍋爐的運(yùn)行狀況，并且這些參數(shù)隨鍋爐負(fù)荷波動(dòng)而變化。合理的SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅能夠保證頂層催化劑前煙氣參數(shù)分布均勻且受機(jī)組負(fù)荷的影響較小，還應(yīng)使系統(tǒng)阻力和裝置積灰程度最小。因此，需要借助數(shù)值模擬的方法，對(duì)SCR裝置的關(guān)鍵設(shè)備和工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 脫硝設(shè)計(jì)參數(shù)

燃煤機(jī)組采用是發(fā)電廠周邊煤，由于燃煤成分變化較大，故進(jìn)行SCR設(shè)計(jì)時(shí)，利用多個(gè)煤質(zhì)對(duì)SCR設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了校核，脫硝裝置具體的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 脫硝裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 脫硝工藝流程

SCR脫硝系統(tǒng)包括氨儲(chǔ)存制備系統(tǒng)、還原劑供應(yīng)系統(tǒng)、氨/空氣混合系統(tǒng)、氨噴射/混合系統(tǒng)、煙道系統(tǒng)、SCR反應(yīng)系統(tǒng)（含催化劑）、吹灰系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。系統(tǒng)主要設(shè)備包括煙道接口、煙道、膨脹節(jié)、氨氣制備與供應(yīng)、氨噴射器、導(dǎo)流與整流、反應(yīng)器殼體、催化劑、吹灰器、稀釋風(fēng)機(jī)、在線分析儀表及控制系統(tǒng)等部件。

SCR脫硝系統(tǒng)整體布置包括整體流程布置、氨區(qū)、脫硝區(qū)、交通運(yùn)輸和管線綜合布置等。SCR脫硝區(qū)域設(shè)置在現(xiàn)有鍋爐尾部，利用原有結(jié)構(gòu)，在其上方設(shè)置支撐鋼架，所有新增的設(shè)備均布置在鋼架上。

煙氣脫硝工藝系統(tǒng)描述如下：未脫硝煙氣從省煤器出口煙道引出，并對(duì)煙道截面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使得煙速在滿負(fù)荷下接近15m/s。將AIG（氨噴射器）和靜態(tài)混合器布置在豎直段煙道，煙氣在豎直段混合一定比例的氨/空氣混合氣后，經(jīng)2個(gè)90°轉(zhuǎn)角和整流格柵，進(jìn)入催化反應(yīng)段，氨與氮氧化物在催化劑的作用下，發(fā)生反應(yīng)將氮氧化物脫除，反應(yīng)后的凈煙氣經(jīng)出口煙道進(jìn)入空氣預(yù)熱器入口煙道。

反應(yīng)器頂部煙道為大斜角煙道，該結(jié)構(gòu)煙道有利于煙氣均勻轉(zhuǎn)向，并節(jié)省材料。催化劑選用蜂窩式，按“2＋1”模式布置，備用層在下。在機(jī)組BMCR（鍋爐最大出力工況）100%煙氣量下，脫硝系統(tǒng)入口NOX濃度400 mg/m3（標(biāo)況）、按不低于80%的脫硝效率設(shè)計(jì)，滿足出口NOX濃度穩(wěn)定控制在80 mg/m3（標(biāo)況）以下的環(huán)保排放要求。

反應(yīng)器出口煙道斜面角度大于45°，能有效防止積灰。反應(yīng)器入口設(shè)氣流均布裝置，為減小煙道系統(tǒng)的壓降，反應(yīng)器入口、出口及轉(zhuǎn)向段均設(shè)導(dǎo)流板，并對(duì)其形狀進(jìn)行優(yōu)化。

2 脫硝工程設(shè)計(jì)

2.1 反應(yīng)器本體設(shè)計(jì)

反應(yīng)器是SCR工藝的關(guān)鍵部件，在其中承載了促進(jìn)NOX與氨氣發(fā)生還原反應(yīng)的催化劑，是將原煙氣轉(zhuǎn)化為凈煙氣的設(shè)備。在本工程中，按照尾部煙道布置，每臺(tái)鍋爐配置單個(gè)SCR反應(yīng)器。反應(yīng)器設(shè)計(jì)為煙氣豎直向下流動(dòng)，并滿足以下各項(xiàng)要求：

（1）反應(yīng)器設(shè)置在省煤器與空預(yù)器之間的高含塵段，采用一爐一反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。不設(shè)置SCR反應(yīng)器煙氣旁路，整體結(jié)構(gòu)阻力相對(duì)最小。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)荷載的設(shè)計(jì)應(yīng)以體積較大和重量大的催化劑為基礎(chǔ)。

（2）反應(yīng)器設(shè)計(jì)成煙氣豎直向下流動(dòng)，反應(yīng)器入口應(yīng)設(shè)氣流均布裝置，反應(yīng)器入口及出口段應(yīng)設(shè)導(dǎo)流板。

（3）反應(yīng)器內(nèi)部各類加強(qiáng)板、支架、密封等應(yīng)設(shè)計(jì)成不易積灰的型式，同時(shí)考慮熱膨脹的補(bǔ)償措施。反應(yīng)器應(yīng)采取保溫，使經(jīng)過(guò)反應(yīng)器的煙氣溫度變化小于5℃；SCR反應(yīng)器應(yīng)能承受連續(xù)運(yùn)行溫度450℃不少于5 h的考驗(yàn)，而不產(chǎn)生任何損壞。

（4）在每套反應(yīng)器入、出口各設(shè)置1套獨(dú)立的NOX/O2煙氣分析系統(tǒng)（2套探頭采樣系統(tǒng)）。在每套反應(yīng)器出口設(shè)置1套NH3分析系統(tǒng)。在每層催化劑上方，設(shè)置可遠(yuǎn)傳的煙氣溫度、壓力監(jiān)測(cè)裝置及前、后差壓測(cè)量裝置。在反應(yīng)器的噴氨格柵前、反應(yīng)器入口（第一層催化劑上方）、各層催化劑出口、反應(yīng)器出口等設(shè)置足夠數(shù)量的煙氣取樣孔，并在噴氨格柵前與反應(yīng)器出口布置足夠數(shù)量的煙氣取樣格柵鋼管。測(cè)孔布置位置應(yīng)便于取樣，在相應(yīng)位置設(shè)置檢修平臺(tái)。

2.2 催化劑選型設(shè)計(jì)

采用蜂窩式或板式催化劑，按“2+1”方式布置，兩用一備，反應(yīng)器內(nèi)催化劑模塊按4×12矩陣布置。

（1）催化劑的物理化學(xué)特性：選用釩鈦鎢催化劑，主要成分有TiO2，V2O5，WO3等。針對(duì)鍋爐特點(diǎn)，催化劑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采取防堵塞和防中毒的技術(shù)措施。催化劑的型式為蜂窩式催化劑。

（2）催化劑的性能：催化劑能在鍋爐正常的負(fù)荷下運(yùn)行；催化劑能承受運(yùn)行溫度450℃不少于5 h的考驗(yàn)，而不產(chǎn)生任何損壞；在達(dá)到要求的脫硝效率同時(shí)，能有效防止鍋爐飛灰在催化劑中發(fā)生粘污、堵塞及中毒現(xiàn)象。催化劑化學(xué)壽命大于24 000 h，機(jī)械壽命大于50 000 h，并可再生利用。頂層催化劑的上端部采取耐磨措施。

（3）催化劑模塊設(shè)計(jì)：催化劑采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。催化劑各層模塊一般規(guī)格統(tǒng)一、具有互換性以減少更換催化劑的時(shí)間。催化劑模塊設(shè)計(jì)有效防止煙氣短路的密封系統(tǒng)，密封裝置的壽命不低于催化劑的壽命。每層催化劑層都安裝可拆卸的測(cè)試塊，每8個(gè)模塊至少有1個(gè)測(cè)試塊，均勻布置。

2.3 氨區(qū)設(shè)計(jì)

在SCR脫硝工程中，需要對(duì)還原劑進(jìn)行合適的選擇。純氨法和尿素法制備氨氣都是較成熟的技術(shù)，都有較廣泛的應(yīng)用，但純氨法系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，純氨法的建造成本和運(yùn)行成本都是最低的。如條件許可，宜采用純氨為脫硝劑；外界條件不允許，如運(yùn)輸條件、存儲(chǔ)條件受到限制時(shí)，可采用尿素法。

經(jīng)過(guò)綜合考慮采用液氨來(lái)制備脫硝劑，液氨純度為99.6%，按照共用儲(chǔ)存、卸載及供應(yīng)系統(tǒng)的原則設(shè)計(jì)。氨區(qū)系統(tǒng)包括液氨卸料壓縮機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽、氨氣稀釋槽、廢水池及廢水泵、閥門、管路及附件等。液氨的儲(chǔ)存、供應(yīng)及排放過(guò)程如下：

（1）液氨的供應(yīng)由液氨槽車運(yùn)送，槽車與氨儲(chǔ)存系統(tǒng)之間用機(jī)械臂連接，利用卸料壓縮機(jī)將液氨由槽車輸入液氨儲(chǔ)罐內(nèi)。

（2）用壓差將儲(chǔ)罐中的液氨輸送到液氨蒸發(fā)槽內(nèi)蒸發(fā)為氨氣，經(jīng)氨氣緩沖槽來(lái)控制供氨的壓力恒定，氨氣流量由爐前噴氨流量調(diào)節(jié)閥控制。

（3）氨氣與稀釋空氣在混合器中混合均勻后，再通過(guò)氨噴射系統(tǒng)噴入煙道。

（4）氨氣系統(tǒng)緊急排放的氨氣則排入氨氣稀釋槽中，經(jīng)水的吸收排入廢水池，再經(jīng)由廢水泵送往發(fā)電廠廢水處理車間處理。

3 脫硝流場(chǎng)的優(yōu)化

對(duì)脫硝裝置煙道系統(tǒng)及脫硝反應(yīng)器進(jìn)行CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)。流動(dòng)模型的研究將包括從鍋爐省煤器出口到空預(yù)器入口的煙道，包含灰斗、噴氨混合系統(tǒng)和帶有整流器及催化劑床層的反應(yīng)器在內(nèi)。

通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)初始設(shè)計(jì)方案尚有需要改進(jìn)之處。通過(guò)反復(fù)優(yōu)化導(dǎo)流葉片的形狀及位置，最終的結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)要求。圖2給出了最優(yōu)方案第一層催化劑入口截面速度分布云圖。2層催化劑投運(yùn)100%BMCR工況下，氨噴射裝置前截面的速度最大相對(duì)偏差小于7%，第一層催化劑來(lái)流速度分布最大相對(duì)偏差為3.5%；第一層催化劑來(lái)流速度與豎直方向夾角小于10°；第一層催化劑來(lái)流氨濃度分布最大相對(duì)偏差為0.7%；系統(tǒng)阻力667 Pa（從省煤器出口到空預(yù)器入口，含兩層催化劑的阻力）。通過(guò)將原煙道與新改造的脫硝煙道進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，脫硝改造后，進(jìn)入一次風(fēng)空預(yù)器、二次風(fēng)空預(yù)器的灰量、煙氣量基本保持不變。

圖2 最優(yōu)方案第一層催化劑入口截面速度分布云圖

物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)模研究的結(jié)論。表2給出了此截面上速度取樣值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，此截面速度分布最大相對(duì)偏差為3.5%，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。兩層催化劑投運(yùn)100%BMCR工況下，氨噴射裝置前截面的速度最大相對(duì)偏差為8.7%，第一層催化劑來(lái)流速度分布最大相對(duì)偏差為7.9%；第一層催化劑來(lái)流速度與豎直方向夾角小于10°；第一層催化劑來(lái)流替代氣體濃度分布最大相對(duì)偏差小于2.5%；換算后的系統(tǒng)阻力710 Pa（從省煤器出口到空預(yù)器入口，含兩層催化劑的阻力）。

表2 最優(yōu)方案第一層催化劑入口速度取樣值m/s

在脫硝系統(tǒng)運(yùn)行在低負(fù)荷工況下，部分飛灰在省煤器處分離并進(jìn)入灰斗，入口煙道和反應(yīng)器內(nèi)的積灰量較少，在反應(yīng)器出口45°斜煙道有一定量的積灰。但在高負(fù)荷工況下，該部分積灰可被高速煙氣帶走。此外，75%BMCR工況和50% BMCR工況的數(shù)值模擬結(jié)果和物理模型試驗(yàn)結(jié)果也均滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

脫硝煙道內(nèi)的流場(chǎng)模擬是脫硝工程的核心技術(shù)之一。采用CFD數(shù)值模擬方案與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的思路，為脫硝入口煙道設(shè)計(jì)了多組導(dǎo)流裝置、整流裝置和渦流噴氨裝置，從而使得氨噴射裝置前截面的速度最大相對(duì)偏差小于10%，催化劑前煙氣流場(chǎng)參數(shù)全部達(dá)到指標(biāo)要求。設(shè)計(jì)的渦流式噴氨裝置，可以對(duì)煙氣和還原劑產(chǎn)生均流和強(qiáng)化混合的作用。通過(guò)上述導(dǎo)流和噴氨裝置的耦合設(shè)計(jì)，省去了傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器，降低了脫硝裝置的成本。

另外，由于135 MW級(jí)別的燃煤機(jī)組通常設(shè)計(jì)有2個(gè)空氣預(yù)熱器，而掌握脫硝裝置對(duì)空氣預(yù)熱器運(yùn)行的影響是保證機(jī)組能否正常工作的關(guān)鍵。采用數(shù)值模擬的手段，對(duì)加裝脫硝裝置后的機(jī)組空氣預(yù)熱器的煙氣流量、灰分分布情況進(jìn)行了計(jì)算模擬，通過(guò)調(diào)整脫硝裝置出口煙道的尺寸和阻力分布，保證了加裝脫硝裝置前后的空氣預(yù)熱器工作條件基本不變。

4 結(jié)語(yǔ)

SCR煙氣脫硝是目前比較成熟、可靠的技術(shù)，具有易于控制，脫硝效率高的優(yōu)點(diǎn)。以135 MW等級(jí)燃煤機(jī)組鍋爐的典型SCR脫硝裝置為例，重點(diǎn)分析了反應(yīng)器設(shè)計(jì)、催化劑選型、氨區(qū)、氨氣噴射裝置等重要設(shè)備的設(shè)計(jì)原則和思路，并介紹了CFD數(shù)值模擬技術(shù)在該工程中的應(yīng)用情況，可為其他燃煤機(jī)組的SCR脫硝裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]韓東，郝海平，米自君.SCR脫硝技術(shù)在滄東電廠4號(hào)機(jī)組中的應(yīng)用[J].能源環(huán)境保護(hù)，2015，28（1）∶35-38.

[2]GB 13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[3]柏源，李忠華，薛建明，等.尿素為還原劑燃煤煙氣脫硝技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].電力科技與環(huán)保，2011，27（1）∶19-22.

（本文編輯：陸瑩）（本文編輯：陸瑩）

Design of SCR Denitration System for 135 MW Coal-fired Generating Units

SHEN Lan
（Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

The paper introduces design features of selective catalyst reduction（SCR）flue gas denitration system for 135 MW coal-fired generating units，including reactor body design，catalyst selection design and ammonia area design and so on.The flue gas flow field of in the denitration system is investigated and flue gas duct for denitration is optimized.By combining practical experience，the paper brings forward some optimization suggestions on denitration system design.

flue gas denitration；selective catalytic reduction；coal-fired boiler；135 MW units

X701.7

B

1007-1881（2016）01-0061-05

2015-11-04

沈嵐（1982），女，工程師，從事火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)工作。