300MW機(jī)組氧化脫硝技術(shù)分析及工程應(yīng)用

火電行業(yè)超低排放是指火電廠燃煤鍋爐在發(fā)電運(yùn)行、末端治理等過程中，采用多種污染物高效協(xié)同脫除集成系統(tǒng)技術(shù)，使其大氣污染物排放濃度達(dá)到天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組標(biāo)準(zhǔn)的排放限值，即煙塵、二氧化硫和氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/Nm3。

本項(xiàng)目機(jī)組在現(xiàn)有SCR脫硝系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)制氧-臭氧脫硝系統(tǒng)的改造方案，從運(yùn)行安全角度考慮，增加臭氧噴射設(shè)備，通過減少噴氨量或減少現(xiàn)有催化劑數(shù)量等方式，適當(dāng)調(diào)高SCR出口NOx濃度，既能實(shí)現(xiàn)NOx深度減排，符合國家節(jié)能減排政策，又能減輕現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的負(fù)荷出力和脫除氨逃逸造成的空預(yù)器堵塞等問題，并通過預(yù)留擴(kuò)展空間為后續(xù)實(shí)現(xiàn)NOx近零排放做鋪墊。

1 改造方案設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用在現(xiàn)有石灰石-石膏法脫硫塔前的入口煙道上布置臭氧噴射裝置，在SCR 出口NOx排放濃度60mg/Nm3的工況下，通過臭氧氧化脫硝裝置將NOx排放濃度降至30mg/Nm3，達(dá)到深度減排的目的。圖1為臭氧低溫氧化脫硝系統(tǒng)的改造示意圖。

1.1 現(xiàn)有機(jī)組脫硝系統(tǒng)概況

本項(xiàng)目火電機(jī)組為亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、前后墻對(duì)沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的∏型汽包爐。采用中速磨配冷一次風(fēng)機(jī)，正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配5 臺(tái)磨煤機(jī)，4 臺(tái)運(yùn)行，1 臺(tái)備用。脫硝系統(tǒng)采用液氨工藝SCR 脫硝技術(shù)，配以“2+1”模式布置蜂窩式催化劑，設(shè)計(jì)脫硝效率為80%。機(jī)組發(fā)電機(jī)功率隨全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)的變化分別參見圖2 所示。

圖1 臭氧低溫氧化脫硝改造示意圖

經(jīng)計(jì)算，機(jī)組平均負(fù)荷為230MW，負(fù)荷率為70%，煙囪入口處凈煙NOx排放值約35mg/Nm3，SCR 催化劑效率已經(jīng)由設(shè)計(jì)值80%升高至88.30%，SCR 入口NOx濃度超過300mg/Nm3時(shí)，SCR 脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行壓力會(huì)更大。因此，催化劑的使用壽命受到了限制、效率已接近正常運(yùn)行臨界點(diǎn)。從圖2-b 可知，凈煙氣NOx排放值時(shí)常超過50mg/Nm3，表明SCR 系統(tǒng)隨機(jī)組負(fù)荷或者煤種的波動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后，嚴(yán)重影響機(jī)組人員的正常調(diào)控，導(dǎo)致噴氨調(diào)門忽大忽小，可能造成氨逃逸率過大。由于機(jī)組SCR 脫硝系統(tǒng)備用層也裝配了催化劑，現(xiàn)場(chǎng)未預(yù)留空間來再次增加催化劑，因此無法通過加層來增加脫除NOx的潛力。

1.2 改造方案的設(shè)備配置

本工程在引風(fēng)機(jī)出口至脫硫塔入口的煙道內(nèi)設(shè)置墻式噴槍進(jìn)行臭氧/氧氣混合氣體的噴射，并輔以高壓稀釋風(fēng)克服煙道壓力。高價(jià)態(tài)的氮氧化物隨煙氣進(jìn)入脫硫塔進(jìn)行溶解和氧化，形成硝酸鈣，經(jīng)脫硫廢水系統(tǒng)排出。具體布置一套采用吸附真空解吸法(VPSA)連續(xù)制取純度90%～95%的氧氣，為臭氧發(fā)生器提供氧源，兩套采用介質(zhì)阻擋放電的技術(shù)原理的管式臭氧發(fā)生器來生產(chǎn)臭氧介質(zhì)，臭氧介質(zhì)通過一套活性分子反應(yīng)器裝噴射裝置噴進(jìn)脫硫塔前的煙道煙氣中進(jìn)行氧化反應(yīng)。

1.3 臭氧脫硝主要系統(tǒng)

1.3.1 制氧系統(tǒng)

采用VPSA 連續(xù)制取純度90%～95%的氧氣，為臭氧發(fā)生器提供氧源。普通空氣經(jīng)入口過濾器過濾后，由鼓風(fēng)機(jī)送往吸附塔，在吸附塔內(nèi)完成氧氣的制備，在緩沖罐內(nèi)進(jìn)行緩沖后，經(jīng)一級(jí)壓縮氧壓機(jī)后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐待用。空氣制氧后的剩余產(chǎn)物經(jīng)管道過濾器、真空泵排至排氮消聲器對(duì)外排空。

1.3.2 煙道反射噴射系統(tǒng)

臭氧噴射系統(tǒng)由流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，臭氧噴嘴以及煙氣分布器組成，該系統(tǒng)能夠滿足臭氧與煙氣充分均勻混合，臭氧流量數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳并時(shí)時(shí)可調(diào)。臭氧噴射位置選擇靜電除塵器后部煙道，煙氣溫度低于200℃，能保證臭氧與NOx高效反應(yīng)的溫度區(qū)間及反應(yīng)時(shí)間。

1.3.3 臭氧發(fā)生器

采用介質(zhì)阻擋放電的技術(shù)原理，將氧氣電離后生成高濃度的臭氧、氧氣混合氣體，混合氣體氧化性強(qiáng)，由于部分氧氣也攜帶電子，能進(jìn)一步增加氧化反應(yīng)效率。

1.3.4 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

因臭氧發(fā)生器在工作中將產(chǎn)生大量熱量，而臭氧發(fā)生器的工作溫度應(yīng)小于30℃，故需要設(shè)置冷卻水循環(huán)系統(tǒng)降溫。采用閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)為閉路循環(huán)，采用除鹽水注滿整個(gè)系統(tǒng)。外循環(huán)直接接入電廠循環(huán)水系統(tǒng)。

臭氧發(fā)生器冷卻水設(shè)計(jì)內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，通過板式換熱器換熱，為臭氧發(fā)生器提供冷卻水，可有效防止因外循環(huán)水質(zhì)變化（尤其是氯離子與pH 值）對(duì)臭氧發(fā)生器的腐蝕。

1.3.5 吸收塔系統(tǒng)

采用現(xiàn)有石灰石-石膏法脫硫系統(tǒng)，氧化反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入脫硫塔與噴淋液反應(yīng)。臭氧反應(yīng)后生成的高價(jià)態(tài)NOx易溶于水，同時(shí)與石灰石漿液生成一定量的硝酸鹽，含有硝酸鹽的液體同石膏漿液通過石膏漿液泵排出，進(jìn)入石膏脫水系統(tǒng)。脫水后的固體石膏外運(yùn)使用，脫除液體溢流后進(jìn)入濾液箱，最終返回到脫硫塔或當(dāng)氯離子超標(biāo)時(shí)隨脫硫廢水排出脫硫系統(tǒng)。

1.3.6 安全報(bào)警系統(tǒng)

系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范設(shè)計(jì)，臭氧制備區(qū)內(nèi)安裝臭氧泄漏報(bào)警儀、氧氣制備區(qū)或者儲(chǔ)存區(qū)內(nèi)安裝氧氣泄漏報(bào)警儀，當(dāng)這些區(qū)域內(nèi)環(huán)境中臭氧/氧氣泄露超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)。

2 脫硝效果分析

2.1 臭氧脫硝系統(tǒng)投運(yùn)效果

氧化脫硝系統(tǒng)是按照實(shí)際SCR 后煙氣參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，臭氧脫硝的效率可達(dá)95%以上，脫硝效率取決于臭氧的噴射量以及噴射濃度。本項(xiàng)目的脫硝效率設(shè)計(jì)值為不小于75%，即確保氮氧化物在SCR 后不高于60mg/Nm3的條件下（這時(shí)氨逃逸率較低，有助于減輕空預(yù)器堵塞），出口氮氧化物不高于30mg/Nm3。本項(xiàng)目氧化脫硝系統(tǒng)主要參數(shù)見表1 所示。

圖2 機(jī)組發(fā)電機(jī)電負(fù)荷和煙囪入口凈煙氣NOx濃度變化規(guī)律

表1 臭氧脫硝系統(tǒng)的主要參數(shù)

本項(xiàng)目增加臭氧脫硝系統(tǒng)后，需要對(duì)現(xiàn)有的脫硝系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保氨逃逸有效的控制以及氧化后的氮氧化物被吸收。詳細(xì)的系統(tǒng)分配如下：

①SCR 系統(tǒng)由現(xiàn)有的氮氧化物50mg/Nm3以下，升高至60mg/Nm3，脫硝效率由88.33%（300mg/Nm3降低至35mg/Nm3）降低至80%（300mg/Nm3降低至60mg/Nm3）。機(jī)組SCR 催化劑的設(shè)計(jì)效率為80%，在此效率下運(yùn)行，SCR系統(tǒng)最為經(jīng)濟(jì)安全高效。液氨的噴射量可減少約17.46kg/h，即全年節(jié)省液氨用量為87.31t。

②用臭氧氧化法來進(jìn)行深度減排脫硝，將氮氧化物控制在30mg/Nm3以下，確保系統(tǒng)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.2 臭氧脫硝技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境效益和社會(huì)效益

2.2.1 NOx深度減排

本機(jī)組煙氣系統(tǒng)目前采用SCR 脫硝裝置控制NOx排放量，NOx排放濃度為50mg/Nm3，符合《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）中NOx排放限制要求，機(jī)組年有效利用按5000h 計(jì)算，鍋爐NOx年排放總量約262.5t。本工程為了實(shí)現(xiàn)深度減排脫硝和減少氨逃逸，在脫硫塔入口前增加臭氧脫硝裝置，機(jī)組年減少NOx年排放總量約183.75t，這對(duì)改善當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境質(zhì)量起到積極作用。

2.2.2 氨逃逸治理

SCR 脫硝系統(tǒng)在通常的設(shè)計(jì)是向催化劑上游的煙氣中噴入氨還原劑，首先使氨蒸發(fā)，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，利用噴氨格柵將其噴入SCR 反應(yīng)器上游的煙氣中，利用催化劑將煙氣中的NOX轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退CR 系統(tǒng)NOx脫除效率通常很高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOx反應(yīng)。有一小部分氨不反應(yīng)而是作為氨逃逸離開了反應(yīng)器。一般來說，對(duì)于新的催化劑，氨逃逸量很低。但是，隨著催化劑失活或者表面被飛灰覆蓋或堵塞，氨逃逸量就會(huì)增加，為了維持需要的NOX脫除率，就必須增加反應(yīng)器中NH3/NOx摩爾比。

機(jī)組煙氣NOx排放濃度約276～321mg/Nm3，經(jīng)SCR 脫硝裝置NOx排放濃度約30～50mg/Nm3，為維持NOx超低排放要求，實(shí)際運(yùn)行中NH3/NOx摩爾比較高，在滿足NOx環(huán)保排放要求同時(shí)，也導(dǎo)致脫硝裝置出口的氨逃逸較高，加劇了尾部空預(yù)器的堵塞。

本工程通過在機(jī)組煙道增加臭氧脫硝裝置，降低了SCR 脫硝NH3/NOx摩爾比，氨逃逸率可降低至2.3mg/Nm3以內(nèi)，使NOx排放濃度降低至30mg/Nm3以內(nèi)，本臭氧脫硝工程的實(shí)施，將進(jìn)一步降低SCR 運(yùn)行壓力（也可適當(dāng)?shù)臏p少催化劑填充量）和NOx排放量，并解決氨逃逸疑難問題，而且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成新的二次污染。

2.2.3 社會(huì)效益

火電廠排放的NOx除形成酸雨外，還會(huì)與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)生成致癌物質(zhì)，對(duì)人體造成嚴(yán)重影響。因此，通過臭氧脫硝工程的實(shí)施可適當(dāng)?shù)臏p少催化劑填充質(zhì)量并可減少NOx排放量，將有助于改善當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境，具有良好的社會(huì)效益。

3 結(jié)論

本次改造工程的投產(chǎn)運(yùn)行，在現(xiàn)有SCR 脫硝系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)制氧-臭氧氧化脫硝系統(tǒng)的改造方案，從運(yùn)行安全角度考慮，增加臭氧噴射設(shè)備，通過減少噴氨量或減少現(xiàn)有催化劑數(shù)量等方式，適當(dāng)調(diào)高SCR 出口NOx濃度，既能實(shí)現(xiàn)NOx深度減排，又能減輕現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的負(fù)荷出力和脫除氨逃逸等問題。