燃煤煙氣脫硫脫硝非標設備的工程設計

吳海亮/上海泰欣環境工程股份有限公司

燃煤煙氣脫硫脫硝非標設備的工程設計

吳海亮/上海泰欣環境工程股份有限公司

燃煤煙氣脫硫脫硝非標設備的工程設計中，本文首先分析目前主要大氣污染源SO和NOX的危害，進一步探討大氣污染物控制技術現狀，最后研究燃煤煙氣脫硫脫硝非標設備的工程設計，從在脫硫吸收塔的設計、SCR脫硝反應器等方面展開，應根據其各自不同的特點做特殊考慮，并提出需要解決的問題。希望本文能起到拋磚引玉的作用。

燃煤煙氣脫硫脫硝；非標設備；工程設計；

引言

化石燃料開采利用量的不斷增加，造成有害物質的排放越來越嚴重，其中SO2和NOx污染不斷加劇，使局部地區出現了酸雨、光化學煙霧等大氣污染。SO2和NOx排放主要來自于煤炭的直接燃燒，成為主要的大氣污染源之一。為減少燃煤煙氣中的SO2和NOx排放，必須對燃煤煙氣進行脫硫脫硝處理，燃煤煙氣脫硫脫硝系統中非標設備的設計與常規的化工機械設備相比，具有自身特有的結構型式，在脫硫吸收塔和SCR脫硝反應器等方面，需要在相應的工程設計中做特殊的考慮。

一、目前主要大氣污染源SO和NOX的危害分析

目前，煤炭等化石燃料的應用形式仍然是以直接燃燒為主，然而其在燃燒過程中由于高溫反應會使化石燃料在氧化反應下生成SO2，這種化學物會對環境造成相當嚴重的污染，它排放到高空以后形成酸雨，降落到地面以后不僅侵蝕建筑物，還會對植物、動物、人類造成危害，污染環境。同時對于人體的危害極大，二氧化硫通過呼吸系統進入人體的呼吸器官以及人體內部，同人體的體液融合形成亞硫酸溶液或者硫酸溶液，對人體造成刺激和侵蝕，從而威脅到人體的健康。SO2進入到人體內部以后會和血液融合產生化學反應，對于人體的臟腑器官產生危害，破壞人體的免疫系統。化石燃料在燃燒時也會產生NOX，當NOX被排放到空氣中時與氧氣、水發生化學反應形成酸雨，對于環境造成更大的污染。

二、大氣污染物控制技術現狀

1.煙氣脫硫技術。

（1）石灰石－石膏濕法脫硫

石灰石－石膏濕法脫硫工藝采用Ca(OH)2或CaCO3粉末的料漿來除去SO2，該方法脫硫效率高、穩定性好、投資較低，因此是所有脫硫方法中應用最廣泛的，該方法占火電行業現役脫硫機組的90%以上。在石灰石－石膏濕法煙氣脫硫系統中，堿性吸收劑漿液與煙氣在噴淋塔中相遇，煙氣中SO2溶解在水中形成一種稀酸溶液，然后與漿液中的Ca(OH)2或CaCO3發生中和反應生成亞硫酸鈣，經強制氧化成為脫硫副產品石膏。石灰石－石膏濕法脫硫效率比較高，一般可達到95%以上，最高可達99%，基本可保證排放煙氣中SO2濃度滿足GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》的要求。

（2）氨法脫硫

氨法脫硫是用氨水作為吸收劑與煙氣中SO2進行反應以凈化煙氣中SO2的濕法煙氣脫硫技術，該工藝的優點是脫硫效率高(脫硫效率為95%～99%)、能耗低、反應速率快、吸收劑利用率高。從實際運行效果看，副產品可作為農用肥料。氨法脫硫是較適宜中國國情的一項煙氣脫硫技術，但其凈化氣中可能會殘留NH3，容易造成二次污染。另外，由于氨法脫硫副產品硫酸銨的價格受市場波動影響較大，同時硫酸銨作為肥料其價格受季節影響也較大，因此其運行費用也會受到影響而產生波動。

（3）其他脫硫技術

半干法脫硫技術主要是以鈣基脫硫劑在反應器內大量循環，并采用高CaS來達到一定的脫硫效率，半干法的脫硫效率一般很難達到95%。隨著煙氣排放標準的逐步提高，半干法滿足排放標準愈來愈難，目前半干法脫硫技術應用范圍較小。海水脫硫技術應用受到了區域的限制，只有在臨近海邊有合適條件才可應用，目前海水脫硫技術基本屬于非主流技術。

2.煙氣脫硝技術。

（1）低氮燃燒技術

低氮燃燒技術是通過改變燃燒條件來降低NOx的排放量。低氮燃燒技術主要包括:低NOx燃燒器技術、空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術、煙氣再循環技術和循環流化床鍋爐燃燒技術，低氮燃燒技術的脫硝效率僅為25%～40%。低氮燃燒技術均是通過改變鍋爐原有的燃燒條件和燃燒方式，來降低空氣比，改變空氣混合方式，控制燃燒溫度，進而降低NOx的生成率。低氮燃燒技術的應用造成爐膛內的含氧量降低，提高了燃料的不完全燃燒比例，同時增加了爐壁腐蝕和結渣的風險。低氮燃燒技術通過控制爐內的溫度而控制NOx的生成，因而鍋爐的熱效率會有相應的損失(能耗約0.5g(kW·h))。

（2）SNCR脫硝技術

SNCR脫硝技術是在800～1100℃內，NOx與還原劑尿素或氨類化合物發生反應生成N2，從而減少NOx的排放量。在高溫的環境中使得反應迅速達到所需的較高活化能，避免了催化劑的使用。SNCR脫硝技術具有系統簡單、投資少、阻力小、系統占地面積小等優點，但其脫硝效率較低。SNCR脫硝效率一般被限制在20%～40%，如再進一步增加脫硝效率，氨逃逸率會大幅度提高，對下游設備造成影響，并可能造成二次污染。

（3）SCR脫硝技術

SCR脫硝技術是指在催化劑的作用下，煙氣中的NOx有選擇性地與氨發生氧化還原反應，生成無污染的N2和H2O。SCR脫硝技術是在煙氣溫度300～400℃的鍋爐尾部反應器內完成，脫硝效率可達90%以上，在國內應用比較廣泛，特別是火電行業。據統計，2016年全行業火電SCR脫硝機組容量達3.4×108kW，約占現役機組容量的97.18%。SCR脫硝技術具有初投資和運行費用較高、占地面積較大、催化劑需要更換且易中毒等缺點。

三、燃煤煙氣脫硫脫硝非標設備的工程設計

通過上述探討大氣污染物控制技術現狀，下面筆者研究燃煤煙氣脫硫脫硝非標設備的工程設計：

1.脫硫吸收塔。

目前燃煤煙氣脫硫的主導技術是濕法煙氣脫硫，即WFGD系統。脫硫吸收塔是該系統的核心設備，作用是使煙氣中的二氧化硫與塔內各噴淋層噴淋的石灰漿液發生氣液反應，以脫除煙氣中的硫。部分老裝置在改造過程中受空間限制，需脫硫、濕電除塵和煙囪三者一體化。其中濕電除塵裝置自重較大并設置在吸收塔之上，給脫硫吸收塔本體施加一高質點的載荷，需要考慮脫硫塔的穩定性問題。該類脫硫吸收塔的結構設計目前還沒有相應的設計規范，缺乏比較清晰的理論分析和指導規范。根據國外的引進技術（如美國的B&W公司），整個塔體自下而上依次分段采用不同的壁厚，塔體底部至矩形開孔段由于受力情況復雜采用比較大的壁厚值，向上依次減少壁厚值。這樣的壁厚布置，雖然在強度上能滿足要求，但是實際工程中并未達到很好的經濟性能。部分研究發現，在正常工況下，除了矩形開孔部位有比較大的應力外，其他區域應力都不太大，可采用局部加結構型鋼的方式減小局部應力，整個塔體存在較大優化空間。

2.SCR脫硝反應器。

SCR脫硝反應器是完成脫硝化學反應、提供氮氧化物降解的裝置，是脫硝系統中最核心的設備。催化劑以單元模塊形式疊放在若干層托架上，需要大型鋼結構支撐，這些鋼結構體型龐大，長期工作在高溫狀態下，結構形式與常規設備不同，還沒有一種精確的設計方法。SCR脫硝反應器為矩形截面平板薄壁鋼殼結構，為提高SCR脫硝反應器的機械承載能力，反應器采用梁柱—蒙皮、外加加強筋結構。所有機械載荷由梁柱結構承受，蒙皮不承受機械載荷，可保證SCR脫硝反應器安全穩定長周期運轉。SCR脫硝反應器能承受長期載荷和短期載荷。SCR脫硝反應器的設計溫度較高，針對高溫熱效應下的結構設計，外部加強筋的布置及規格，既要滿足強度、剛度和振動要求，又要經濟合理。為保證煙氣進入反應器時分布均勻，反應器進口設置導流板和整流格柵，導流板、整流格柵的型式及分布對煙氣流形影響較大，除需要工程經驗外，還需要流場模擬的配合。

四、結語

綜上可知，（1）脫硫脫硝主設備的設計方法尚沒有一個確切的設計標準，如脫硫吸收塔的穩定性分析以及局部應力的分析，SCR脫硝反應器的支撐梁柱的布置及大小的強度和剛度分析，煙道加固肋的布置及規格確定，現階段的設計相對不完善，仍然依賴國外公司的技術成果。（2）脫硫脫硝的非標設備的設計與設備布置、內件布置以及工藝要求有密切的關系，如煙道的強度、剛度、振動和流場分析，脫硫吸收塔的開孔及內件布置，SCR脫硝反應器進出口導流板及催化劑的布置，需要多個專業協作完成。

[1]陳進生.火電廠煙氣脫硝技術— —選擇性催化還原法[M].2015.

[2]張強.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術及工程應用[M].2014.