SNCR脫硝技術(shù)及設(shè)備綜述

閆志海，柴 彬，陳 磊，葛 硯，魏少華，唐 濱

(1. 天津渤海環(huán)保工程有限公司 天津300304；2. 溧陽市萬遠(yuǎn)電力建設(shè)工程有限公司 江蘇溧陽213300；3. 天津賽瑞機(jī)械設(shè)備有限公司 天津300301)

科技評論

SNCR脫硝技術(shù)及設(shè)備綜述

閆志海1，柴 彬1，陳 磊1，葛 硯1，魏少華2，唐 濱3

(1. 天津渤海環(huán)保工程有限公司 天津300304；2. 溧陽市萬遠(yuǎn)電力建設(shè)工程有限公司 江蘇溧陽213300；3. 天津賽瑞機(jī)械設(shè)備有限公司 天津300301)

闡述了SNCR煙氣脫硝的概念、基本原理與工藝流程，并對氨水法脫硝技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行了介紹，主要對脫硝系統(tǒng)的各單元設(shè)備進(jìn)行了綜述。分別介紹了氨水加注單元、氨水存儲單元、氨水輸送泵撬、軟水存儲及輸送單元、計(jì)量混合與噴射單元以及控制系統(tǒng)的詳細(xì)配置，包括各單元內(nèi)部的各種設(shè)備以及熱控儀表、閥門組件、系統(tǒng)運(yùn)行時的工藝流程。對熱控儀表與設(shè)備之間的邏輯控制順序給予說明，同時對控制系統(tǒng)的PLC與中控室DCS之間的通訊方式與協(xié)議進(jìn)行闡述，介紹了氨水法脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行時應(yīng)采取的安全措施。

脫硝 氨水 除鹽水

0 引 言

選擇性非催化還原(SNCR，英文名稱Selective Non-Catalytic Reduction)是指在沒有催化劑的作用下，在高溫區(qū)域內(nèi)噴入還原劑將煙氣中的NOx還原為N2以及H2O。一般情況下，該技術(shù)選用在爐膛內(nèi)噴入氨水或尿素溶液(與軟水或除鹽水混合)作為還原劑而不使用催化劑，但必須在高溫區(qū)噴入還原劑，并噴射在爐膛溫度為850～1,100,℃的區(qū)域，還原劑迅速熱分解成NH3與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和H2O。本文將以氨水作為還原劑探討垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)中煙氣脫硝處理工藝及設(shè)備配置。

1 SNCR脫硝技術(shù)的原理

SNCR脫硝是指還原劑和氮氧化合物在850～1,100,℃高溫區(qū)域下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，主要化學(xué)反應(yīng)化學(xué)方程式為：

反應(yīng)效率主要取決于反應(yīng)溫度以及還原劑的注入位置，還原劑的注入一般選取噴槍霧化的形式，而噴槍應(yīng)均勻布置在高溫區(qū)域的橫截面。爐膛溫度區(qū)域?qū)Ψ磻?yīng)效率影響很大，其安裝位置則影響到運(yùn)行成本與氨逃逸(一般要求＜8 mg/Nm3)。

2 SNCR系統(tǒng)工藝介紹

氨水法脫硝技術(shù)成套設(shè)備包括氨水加注單元、氨水存儲單元以及輸送泵撬、軟水存儲單元、計(jì)量混合與噴射單元以及控制系統(tǒng)等。氨水法脫硝技術(shù)的工藝流程簡圖如圖1所示：

圖1 脫硝系統(tǒng)(氨水法)工藝流程簡圖Fig.1 Denitration system(ammonia) process

2.1 氨水加注單位

氨水加注單元用于將氨水(濃度一般不超過20%,)從運(yùn)輸罐車上輸送到氨水存儲罐中，整個脫硝系統(tǒng)共用1套氨水加注系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由1臺氨水加注泵和儀表、閥門、管道等組成，就地操作完成加注過程。

氨水加注時，由人工將罐車自帶的加注軟管接口與加注泵入口管道的快速接頭相連，并將氨水存儲罐的排氣管道與罐車相連(為了將加注時的多余壓力釋放)。當(dāng)氨水加注到儲罐的高液位時，液位檢測儀表自動發(fā)送報(bào)警信號，由PLC發(fā)出指令將加注泵停止，同時將加注泵入口的氣動閥門關(guān)閉并提醒本次加注氨水完畢。當(dāng)氨水存儲罐的還原劑消耗到低液位時，則發(fā)出低液位報(bào)警信號，提示需加注氨水。

開始加注氨水時，加注管道與排氣管道的閥門將自動打開，而加注泵可自動(或手動)運(yùn)行。氨水存儲罐配備有溢流保護(hù)開關(guān)，當(dāng)溢流保護(hù)裝置發(fā)出報(bào)警信號時，氨水加注泵會自動停止(或按下急停按鈕)。氨水存儲罐和泵撬安裝于水泥基礎(chǔ)上，罐內(nèi)最大運(yùn)行壓力不可超過限值。在罐頂安裝呼吸閥組保持管內(nèi)壓力平衡，罐頂安裝有壓力變送器對罐內(nèi)壓力監(jiān)測以保證運(yùn)行安全。本單元的設(shè)備啟停可在就地控制箱操作完成，而當(dāng)出現(xiàn)高液位或溢流報(bào)警時則由程序控制停止氨水加注。

2.2 氨水存儲單元

氨水法脫硝技術(shù)系統(tǒng)設(shè)備中的存儲罐內(nèi)存儲約20%,濃度的氨水(氨水屬于危險化學(xué)品，運(yùn)輸車輛必須滿足危險貨物運(yùn)輸規(guī)則)，整套脫硝系統(tǒng)共用1套氨水存儲單元，該系統(tǒng)由1套雙層SUS304材質(zhì)的存儲罐、相應(yīng)的熱控儀表及閥門組件、管道等組成。控制系統(tǒng)將依據(jù)液位指示、壓力變送、溫度變送等信號自動完成相應(yīng)的設(shè)備控制。

當(dāng)罐體內(nèi)液位達(dá)到高位時，由PLC發(fā)出停止加注的指令，當(dāng)?shù)鸵何粫r則發(fā)出投料提示。罐體液位設(shè)置了低低液位報(bào)警，當(dāng)檢測到此信號時則停止運(yùn)行氨水輸送泵。成套系統(tǒng)在不同區(qū)域設(shè)置了氨氣泄漏聲光報(bào)警儀表，比如氨水存儲罐頂部、氨水輸送泵撬、計(jì)量混合單元以及噴槍附近。在任何地方檢測到泄漏的氨氣，控制系統(tǒng)將立即停止脫硝系統(tǒng)。氨水的液位在PLC柜的觸摸屏畫面以及中控室的DCS畫面均能顯示并監(jiān)測。

儲罐配有SUS304材質(zhì)的矩形管爬梯(帶圓形護(hù)籠)，頂部設(shè)有維修平臺。考慮到人身安全，在罐區(qū)附近配備緊急噴淋裝置(洗眼器)。

2.3 氨水輸送泵撬

氨水輸送泵撬將存儲罐內(nèi)的氨水輸送到計(jì)量混合單元。成套脫硝系統(tǒng)共用一套氨水輸送泵撬，主要由2臺輸送泵、流量儀表和管道、閥門等組成。

壓力變送器發(fā)出高、低壓信號，控制系統(tǒng)將通過壓力控制閥對輸送泵的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并監(jiān)控壓力值。泵的工作狀態(tài)(運(yùn)行或停止)以及泵的進(jìn)口、出口閥門狀態(tài)(打開或關(guān)閉)信號將發(fā)送至控制系統(tǒng)。輸送泵(1用1備)啟動后向計(jì)量混合單元輸送氨水，泵的出口均設(shè)置壓力變送器以監(jiān)測壓力，可實(shí)現(xiàn)泵的就地或遠(yuǎn)程(手動或自動)控制。

2.4 軟水存儲單元

該單元的作用是存儲由軟水設(shè)備制備而得的軟水(或直接使用廠區(qū)自有的除鹽水/軟化水)，并通過泵撬輸送至計(jì)量混合單元與氨水進(jìn)行混合并稀釋20%,濃度的氨水。整套脫硝系統(tǒng)共用1套軟水存儲系統(tǒng)，主要由1套軟水儲罐、2臺軟水輸送泵、熱控儀表和管道、閥門等組成。受控設(shè)備可實(shí)現(xiàn)就地或遠(yuǎn)程(手動或自動)操作，并向控制系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)信號。當(dāng)儲罐的高液位信號出現(xiàn)時則停止軟水設(shè)備的運(yùn)行，低液位信號出現(xiàn)時則運(yùn)行軟水設(shè)備。當(dāng)?shù)偷鸵何粓?bào)警時則停止輸送泵進(jìn)行設(shè)備檢查。

2.5 計(jì)量混合單元

該單元的作用是將氨水和軟水進(jìn)行混合并輸送至噴槍，每臺焚燒爐使用1套計(jì)量混合單元，主要由氣動調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)、閥門組件、靜態(tài)混合器以及熱控儀表燈組成。流量計(jì)將監(jiān)測氨水與軟水的實(shí)際流量并發(fā)送信號至PLC設(shè)備，同時在DCS系統(tǒng)顯示流量值。測量或控制設(shè)備以及系統(tǒng)運(yùn)行所需的閥門均安裝于密封良好的柜內(nèi)便于搬運(yùn)與安裝，一般設(shè)置在圾焚燒爐前墻附近的平臺上。

氮氧化物達(dá)標(biāo)排放所需的氨水與軟水的量由氣動調(diào)節(jié)閥自動控制完成，混合液由可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)子流量計(jì)分配到每根噴槍，并由壓力變送器輔助控制。

2.6 噴射單元

該單元由霧化空氣、冷卻風(fēng)以及噴槍設(shè)備組成，完成向爐膛高溫區(qū)域噴射混合液以及噴槍的冷卻。混合液與煙氣中的NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)脫除超標(biāo)的氮氧化物而達(dá)標(biāo)排放。另外，增設(shè)過濾器可防止初期運(yùn)行時的雜物堵塞噴嘴。

廠區(qū)自備的CEMS(煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng))檢測到的NOx值以及NH3值、爐膛溫度信號均傳送至控制系統(tǒng)的PLC設(shè)備。程序?qū)⒏鶕?jù)排放的NOx值區(qū)間而選擇性調(diào)整氨水以及軟水管路中氣動調(diào)節(jié)閥的開度，從而調(diào)整了混合液的濃度與流量。氣動閥的開度值信號將反饋至控制系統(tǒng)。當(dāng)噴槍出現(xiàn)堵塞時，轉(zhuǎn)子流量計(jì)將發(fā)出報(bào)警信號并在畫面閃爍顯示。

噴槍的布置位置在初步設(shè)計(jì)時可由CFD(流體力學(xué)技術(shù))軟件分析，但開孔(或預(yù)留)之前應(yīng)與鍋爐制造廠家技術(shù)交流并根據(jù)運(yùn)行工況而定。噴槍在工作時應(yīng)保證混合液盡量覆蓋整個爐膛的截面，可在反應(yīng)速率較高的溫度區(qū)域布置兩層。

2.7 控制系統(tǒng)

氨氣泄漏檢測裝置分別安裝在氨水存儲區(qū)域、輸送泵撬以及計(jì)量混合柜。當(dāng)檢測到高濃度(未達(dá)到能造成安全事故)的氨氣時由檢測儀表發(fā)出報(bào)警信號并停止整套脫硝系統(tǒng)。

CEMS系統(tǒng)監(jiān)測的NOx值、爐膛溫度值會發(fā)送至PLC設(shè)備，程序?qū)⒏鶕?jù)該值信息自動調(diào)整氣動調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變氨水與軟水(或除鹽水)混合濃度與噴射量，但不應(yīng)實(shí)時調(diào)整調(diào)節(jié)閥(縮短設(shè)備的使用壽命)，應(yīng)該根據(jù)NOx排放值與設(shè)定的達(dá)標(biāo)排放的NOx值進(jìn)行比較(由程序算法完成)后階梯性進(jìn)行調(diào)整。由中控室DCS系統(tǒng)提供并顯示的脫硝系統(tǒng)運(yùn)行信號有煙囪出口的NOx值、NH3值、噴槍安裝位置的爐膛溫度以及各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

控制系統(tǒng)配備有PLC柜與動力柜，PLC設(shè)備可直接與DCS進(jìn)行通信并收發(fā)指令。現(xiàn)場受控設(shè)備的操作(氣動或停止等)可由PLC柜面板上的觸摸屏完成，畫面有編輯、制圖工藝流程以及受控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、操作按鈕圖框，主要的參數(shù)可傳送至DCS系統(tǒng)并在終端顯示準(zhǔn)確。受控設(shè)備旁應(yīng)設(shè)置就地控制箱，并實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程控制的切換，以及運(yùn)行或停止(打開或關(guān)閉)的操作，設(shè)置帶指示燈的按鈕。

脫硝系統(tǒng)在正常運(yùn)行時處于自動模式，也可切換至手動模式(即通過操作面板控制)，并可通過以太網(wǎng)連接進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測。控制系統(tǒng)可準(zhǔn)確計(jì)算還原劑用量，并控制相關(guān)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動運(yùn)行。

3 結(jié) 論

降低煙氣中氮氧化物排放的處理工藝有多種，技術(shù)方案的選擇應(yīng)根據(jù)具體的工況條件而定。在我國空氣污染持續(xù)嚴(yán)重的現(xiàn)況下，環(huán)境保護(hù)部與國家質(zhì)檢總局共同發(fā)布了新的《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)一步提高了污染控制要求。2014年7月1日起，新建生活垃圾焚燒爐需執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)的污染物濃度限值。在此背景下，已建成的垃圾焚燒電廠必將面臨著改造需要，以SNCR為代表的煙氣脫硝技術(shù)將有較為廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 蔣文舉. 煙氣脫硫脫硝技術(shù)手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：399-400.

［2］ 白良成. 生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：305-306.

［3］ 閆志海，趙昕哲，董珂，等. 垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣凈化技術(shù)方案的選擇[J]. 節(jié)能與環(huán)保，2008(5)：24-26.

［4］ 鄒金生，王志強(qiáng). 選擇性非催化還原煙氣脫硝技術(shù)在垃圾焚燒發(fā)電廠的應(yīng)用[J]. 華電技術(shù)，2012，34(5)：71-73.

Description of SNCR Denitration Technology and Equipment

YAN Zhihai1，CHAI Bin1，CHEN Lei1，GE Yan1，WEI Shaohua2，TANG Bin3
(1.Tianjin Bohai Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300304，China；2.Liyang Wanyuan Power Construction Engineering Co.，Ltd.，Liyang 213300，Jiangsu Province，China；3.Tianjin Sairui Machinery Equipment Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China)

This paper expounds the concept，basic principle and technological process of SNCR flue gas denitration，introduces ammonia denitration technology and equipment and reviews the main units of denitration system equipment.Detailed configurations of ammonia charging unit，ammonia storage unit，ammonia pump lever，soft water storage and transportation unit，mixing and injection unit of measurement and control system were described，including internal units of various equipment and thermal control instrument，valve components and operation process.The logic control order between thermal control meters and equipment was given，communication mode and protocol between the PLC of control system and DCS of central control room were described and security measures during the operation of ammonia denitration system was presented.

denitration；ammonia；desalted water

X511

：A

：1006-8945(2016)09-0028-03

2016-08-08