火力發(fā)電廠煙氣脫硝工程施工技術

馬曉偉MA Xiao-wei；尹田田YIN Tian-tian；黃云飛HUANG Yun-fei

（國家能源集團石橫熱電有限公司，泰安 271600）

0 引言

工業(yè)化發(fā)展到今天，各工業(yè)企業(yè)都需要密切圍繞“雙碳”目標，參與到節(jié)能減排的行動中，創(chuàng)新生產技術并更新設備。火力發(fā)電廠在生產期間的燃料消耗大、煙氣污染嚴重，不符合低碳經濟發(fā)展要求。當前許多火電廠在國家戰(zhàn)略引導下陸續(xù)實施了煙氣脫硝工程，在煙氣脫硝處理中產生了諸多新技術、新設備，對促進火電廠的生產轉型起到了重要的作用。每一火電廠應從煙氣脫硝的過程、效果等出發(fā)，改造系統(tǒng)并嘗試推廣新技術，以構建科學且合理的煙氣脫硝系統(tǒng)。

1 火電廠煙氣脫硝的必要性

火電廠生產期間以煤炭作為主要原料，但因為煤炭中的氮氧化物含量較高，在持續(xù)生產過程中煤炭燃燒量大，將同步產生大量的煙氣，這些煙氣中的污染物多，不經處理直接排放將加劇空氣污染。當下我國的城市化進程明顯加快，在此條件下用電需求激增，火電廠在承擔繁重的電力生產任務期間也需注意煙氣脫硝，以降低污染程度，實現減碳、清潔目標。針對熱力型氮氧化物，溫度是需要關注的一大指標，在溫度急劇升高的過程中，氮氧化物總量也相對較高；而燃料型氮氧化物多產生于高參數鍋爐中，這一鍋爐中的產生量占總量的很大比重；快速型氮氧化物于燃氣燃燒環(huán)節(jié)生成，氮氧化物含量與含氮量存在直接關聯，在含氮量較高的情況下，氮氧化物的含量也相對較高。目前我國火電廠都擴大了其生產規(guī)模，為恢復大氣環(huán)境，火電廠需增大在煙氣脫硝方面的投入，以改善環(huán)境，提高火電廠生產的經濟、社會與環(huán)境效益。

2 火力發(fā)電廠煙氣脫硝相關技術

2.1液氨脫硝技術 很多火電廠均采用了液氨脫硝技術，其原理為選擇性催化劑還原脫硝（SCR）。依據火電廠的生產特點，需要建立SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)，將此系統(tǒng)設置在省煤器與空預器之間。尿素熱解與水解產生的NH3經噴氨格柵均勻噴射于煙道，與煙氣充分混合以后進入SCR反應器，在蜂窩式催化劑作用下將產生選擇性催化還原反應，生成N2和H2O[1]。

反應過程中有關人員需合理控制溫度，一般最佳的溫度區(qū)間為300～400℃。在特定的溫度條件下催化劑將凸顯其作用，提高脫硝效果。整個過程中存在以下化學反應過程：

一旦在反應過程中溫度超過了350℃，將伴隨著其他反應過程，如NH3的氧化與分解，導致在反應過程中NH3的消耗較大。為此，從經濟性角度相關人員需合理控制反應溫度，盡可能將溫度保持在350℃以下。

液氨與尿素相比，經濟效益顯著，但是其安全風險較大，無論是運輸液氨還是儲存液氨時都有嚴格的規(guī)定，一旦未執(zhí)行這些標準，將引發(fā)安全事故。

2.2尿素水解技術 火電廠的煙氣脫硝中如采用尿素水解技術，其原理為：在水的影響下尿素分解，形成氨與二氧化碳。火電廠生產期間為發(fā)揮尿素水解的作用，有關人員需根據火電廠生產流程，將一定量的尿素輸送于尿素溶解罐，借助攪拌器攪拌溶解尿素，形成60%的尿素溶液，混合泵再將此溶液輸送到尿素溶液儲罐，最后再輸送到水解反應器，與此同時飽和蒸汽經管束進入水解反應器，當溫度、壓力分別為150～250℃、1.5～3.0MPa 時尿素溶液將分解，這一反應后的產物為氨氣和二氧化碳，這就是尿素的水解過程[2]。水解反應中也有一定的液體殘留，這些液體能被充分利用，以最大程度上減小熱損失。尿素水解后所產生的氨氣、二氧化碳依次進入緩沖罐、鍋爐噴氨系統(tǒng)，最后完成脫硝。結合許多火電廠的尿素水解情況，規(guī)范應用該技術可大大提高脫硝效率，且在整個過程中的成本消耗較低。即使如此，尿素水解也存在一定的缺點，就是水解過程中將產生氨基甲酸銨等酸性物質，這些物質對設備有明顯的腐蝕現象，可能損壞部分設備的零部件，增大設備風險。

2.3尿素熱解技術 尿素熱解技術同樣能實現煙氣脫硝。如在實際的工作中采用的是尿素熱解技術，有關人員需按照一定的比例配備尿素溶液，將此溶液經給料泵、計量與分配裝置等輸送到火電廠的分解室，通過控制溫度與壓力來創(chuàng)造分解條件。根據大量的實踐經驗，尿素熱解技術下最佳的溫度與壓力分別為600℃、0.1MPa，精準控制這些參數，能加快分解，形成NH3、H2O、CO2。稀釋空氣并加熱后重新進入分解室，使其與氨氣、二氧化碳均勻、充分混合，最后由氨噴射系統(tǒng)進入脫硝煙道。雖尿素熱解技術能實現煙氣脫硝，但在具體應用時也存在其他問題，如對溫度有嚴格規(guī)定，必須由專人根據溫度要求，做好尿素熱解設備、管道等的保溫工作，特別是北方地區(qū)，冬季氣溫偏低，在未保溫處理時直接輸送尿素易出現結晶問題，影響煙氣脫硝。另外，尿素溶液在熱解室的停留時間相對較短，未分解的尿素也會產生結晶問題。當煙氣脫硝系統(tǒng)運行時，噴氨格柵管道手動閥前后段的蜂窩狀沉積物較多，尿素溶液無法在煙氣脫硝中發(fā)揮作用。

2.4SNCR 技術 在火電廠煙氣脫硝時可選擇的技術相對較多，選擇性非催化還原（SNCR）也相對常見，其技術過程為：將氨、尿素共同注入到鍋爐燃燒室，無催化劑時在煙氣溫度在760～1090℃的地方與燃燒時的氮氧化物反應，生成分子氮、二氧化碳與水。在利用SNCR 技術時，為提高脫硝效率，相關人員需根據需求合理控制溫度，一般需將溫度保持在760～1090℃之間。一旦在反應期間溫度較低，NO與氨之間無任何反應。無反應的氨就是逃逸氨，能與其他燃燒物如三氧化硫等反應，生成銨鹽，影響各類設備的正常運行。將SNCR 與SCR 技術相對比，前者的脫硝效率偏低。

3 火力發(fā)電廠建立煙氣脫硝系統(tǒng)的關鍵要點

3.1構建燃燒系統(tǒng) 火電廠為實現煙氣脫硝目的，必須構建完善的煙氣脫硝系統(tǒng)，特別需注意其中的燃燒系統(tǒng)。結合煙氣脫硝系統(tǒng)的構成，燃燒系統(tǒng)僅為其中的一大子系統(tǒng)。為凸顯燃燒系統(tǒng)的作用，相關人員在設計燃燒系統(tǒng)時需考慮脫硝要求，嚴格控制燃燒過程。結合火電廠的煤炭燃燒過程，在設計燃燒系統(tǒng)時有關人員需選擇最佳的風口結構，將原先的單一風口變?yōu)槎鄠€風口，保障燃燒期間氧氣高速流動，在有需要的條件下促進低碳燃燒。當然，燃燒系統(tǒng)中同樣應合理控制燃燒溫度，以創(chuàng)造條件促進碳元素、氧氣的反應，保持充分燃燒，從根本上控制一氧化碳氣體的產生量。為提高燃燒系統(tǒng)的合理性，相關人員也需將鍋爐的風力方向、強度作為參考，適當增加燃燒器，使氣流中分布更多的燃燒物。

3.2建立蒸汽系統(tǒng) 鍋爐蒸汽系統(tǒng)的結構及運行狀態(tài)也是影響煙氣脫硝效果的重要因素。為提高蒸汽系統(tǒng)的科學性，有關人員在前期設計中應關注蒸汽的傳輸與擴散過程，優(yōu)化系統(tǒng)細節(jié)。燃燒氣體能否均勻分布，與蒸汽數量及分布有關。因此，在設計蒸汽系統(tǒng)時應適當增加蒸汽輸送口的數量，以保障鍋爐內部氣體的均勻分布。蒸汽系統(tǒng)正常運行時能調整煙氣的分布，避免煙氣集中分布于某一空間，否則，將影響脫硝試劑與煙氣的充分混合。在優(yōu)化蒸汽系統(tǒng)時關鍵應調整過熱器的結構，使過熱器蒸汽排出口向上打開，促進煙氣向四周擴散，保持良好的煙氣脫硝條件。

3.3設計噴射系統(tǒng) 脫硝系統(tǒng)運行中噴射系統(tǒng)負責輸送反應試劑，此系統(tǒng)的運行水平關乎脫硝效率及效果。在噴射系統(tǒng)中噴槍必不可少，其主要結構不在鍋爐內，一般在鍋爐旁增設一個盛裝噴射試劑的容器，由導管來實現容器與噴槍之間的連接。在鍋爐內安裝噴槍，但需注意安裝位置，確保噴槍口正對鍋爐燃燒產生的煙氣。有關人員在前期設計噴射系統(tǒng)時，需考慮試劑在噴出后與煙氣之間的結合情況，盡可能采取霧化特點，使液體試劑以霧化氣體的形態(tài)噴出，促進試劑與煙氣的混合。在改進噴射系統(tǒng)時，有關人員應考慮噴射試劑的泄漏。為實現防泄漏，相關人員可采用新型材料、閥門管路。

4 項目情況

某火電廠，為兩臺2×200MW 雙抽凝汽式供熱機組，包含2 臺670t/h 超高壓煤粉爐、脫硫裝置。綜合本火電廠的情況，鍋爐為超高壓、自然循環(huán)汽包爐、單爐膛、一次中間再熱、單鍋筒型結構、四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼結構構架、懸吊結構、半露天布置燃煤鍋爐。整個生產期間采用的是低氮氧化物燃燒技術。為符合低碳環(huán)保要求，相關人員需做好煙氣脫硝設計。

5 煙氣脫硝設計方案

綜合本火力發(fā)電廠的煤質資料、設備種類、煙氣參數、工藝流程等，最終選擇了SCR 煙氣脫硝技術，反應劑為尿素或者液氨。如選擇液氨方案，占地面積大，還涉及征地問題。從經濟性、技術性角度，尿素方案更為適用。本項目中的SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)主要包含還原劑存儲與供應系統(tǒng)、SCR 反應器系統(tǒng)。

5.1確定還原劑的布置位置 綜合項目區(qū)域內的地質地形等基本情況，并綜合了技術、管理人員的意見，尿素區(qū)可設置在以下兩個區(qū)域：布置在兩爐之間，占地18m×19m；引風機擴建端，占地10m×35m，如圖1 所示。

圖1 還原劑區(qū)布置平面圖

選擇第一種布置方案，接近正方形，區(qū)內設備布置較為合理；第二種布置方案為狹長的矩形，部分設備無法正常布置。另外，將還原劑區(qū)域設置在兩爐之間，尿素溶液管道、附屬公用管道與爐后的距離合理，方便物資運輸。引風機擴建端布置還原劑區(qū)時，因為有嚴格的防火間距規(guī)定，尿素存放的西側墻應作為防火墻。綜合上述一系列分析，在煙氣脫硝過程中需將尿素布置在兩爐之間。

5.2SCR 反應器布置 為保障火電廠煙氣脫硝工作的順利進行，在前期的工作中有關人員需做好充分的調研，了解火電廠的生產情況。綜合分析，布置脫硝裝置時有多種選擇。考慮到成本方面，高溫高塵布置的優(yōu)勢明顯。另外，考慮到本次煙氣脫硝工程為改造項目，在布置設備時需考慮更多的因素，如采用低含塵方案，空間上不具備布置條件；冷段布置時需在SCR 前煙道添加燃油或者燃燒天然氣的燃燒器，以加熱煙氣，但此方式的前期投資和后期運行成本較高[3]。從經濟性與技術性分析，高溫高塵布置方案最為合理。具體來說，在省煤器與高溫空預器之間設置SCR 反應器，因為原先的設計方案中沒有預留脫硝，去除原省煤器與高溫空預器之間的煙道，增設新省煤器到脫硝反應器的煙道、反應器到空預器的煙道。系統(tǒng)運行時鍋爐鋼架可能承受一定的荷載，前期相關人員需做好荷載分析與計算。每一套SCR 反應器上都應該有2 個反應器、連接煙道與工藝管道。

5.3SCR 脫硝主工藝布置方案 此次改造期間，不僅要提高脫硝效率，還需盡可能保障原有的設備布置、工藝流程，以達到脫硝目的的同時降低改造的成本。本工程中的兩個機組，直接利用現有鍋爐鋼架無法安裝脫硝SCR裝置，需在原有鍋爐基礎上，適當加高最后兩排的鋼架，并從整體上加固鋼架結構，以保障其結構穩(wěn)定性。在布置過程中主要需注意以下方面：由原鍋爐廠家或者專業(yè)單位對省煤器、空預器的改造進行鍋爐熱力計算，改變省煤器空預器的布置方式、結構形式。在重新計算省煤器、空預器的熱力時，首先需計算鍋爐的整體熱力情況，假定SCR 入口溫度為380℃、排煙溫度為129℃。

5.4技術路徑及要點 ①工藝說明。本次煙氣脫硝中采用的是SCR 技術，此技術下需向鍋爐煙氣中噴入一定量的氨氣作為還原劑，并同步使用氧化鈦、氧化鐵、沸石等作為催化劑，將溫度控制在300～400℃，促進氮氧化物的還原。

整個過程中的反應過程為：

選擇尿素作為還原劑的情況下，有關人員需提前準備充分的袋裝尿素，并將其存儲于專門的儲存區(qū)域，在后續(xù)使用時由斗式提升機輸送到溶解罐中，用去離子水將干尿素溶解成50%～60%質量濃度的尿素溶液。在現場利用給料泵輸送尿素溶液，使其到達尿素溶液儲罐，溶液依次經歷循環(huán)/傳輸裝置、計量與分配裝置、霧化噴嘴等達到絕熱分解室[4]。從鍋爐空氣預熱器抽取一次風，由電加熱裝置進行加熱，再使其進入熱解室。經過霧化的尿素液滴在絕熱分解室分解，生成還原劑NH3，以備SCR系統(tǒng)使用，而其他分解產物由氨噴射系統(tǒng)進入煙氣脫硝系統(tǒng)。

②脫硝工藝系統(tǒng)。SCR 系統(tǒng)的構成復雜，其中主要包含帶催化劑的SCR 反應器、氨噴射系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、煙道、尿素儲備供應系統(tǒng)，每一部分都有其特定的作用，通過相互之間的有效配合，可全面提高煙氣脫硝系統(tǒng)的運行可靠性，保障煙氣脫硝工作的順利進行。煙氣從鍋爐省煤器出口開始均分為兩路，每一路煙氣都并行通過煙道，進入垂直布設的SCR 反應器中。煙氣經過整流柵以后進入催化劑層，依次經過空預器、除塵器、引風機、脫硫裝置，最后排入煙囪。系統(tǒng)中包含氨注入系統(tǒng)，該系統(tǒng)能促進煙氣與氨的充分混合，創(chuàng)造催化反應條件，脫除煙氣中的氮氧化物。經由一系列實踐，利用SCR 技術進行煙氣脫硝后，脫硝效率高達85%，在一些時候下脫硝率更高。為保障脫除效果，相關人員應合理布置催化劑層，按照“2+1”層的方式布置，也就是布置兩層催化劑，預留一層布置空間[5]。

③設備方案。在此次改造過程中涉及了多種專業(yè)設備，這些設備的配置及布置情況是影響煙氣脫硝效果的重要因素。以煙道為例，當脫硝裝置投入使用后，煙氣從省煤器出口煙道水平段引出，隨后進入SCR 反應器，此時煙氣向上轉彎經過混合氣，再90°轉彎經過導流葉片，在反應器入口部位由漸變整流柵調節(jié)煙氣流速，使煙氣流速、方向等符合要求，最后流經催化劑，以創(chuàng)造良好的反應條件。為促進煙氣脫硝，在煙道的三通、變截面收縮急轉彎頭等特殊位置，有關人員需依據煙氣流動模型的分析情況，在恰當的位置布設導流板，以調節(jié)煙氣的流動方向。再比如SCR 反應器，作為煙氣脫硝中的核心設備，每一臺鍋爐均需布設2 個SCR 反應器，且需遵循平行布置的要求。反應器上流段應合理安裝煙氣導流、優(yōu)化分布的裝置、氨的噴射格柵，并且在反應器豎直段布設催化劑床層。

6 結束語

煙氣脫硝對提高火電廠的生產效率及效益具有重要的意義。許多火電廠都在煙氣脫硝方面展開了一系列嘗試，但受限于諸多因素的限制，脫硝效果不佳。在各火電廠穩(wěn)步發(fā)展的過程中，有關人員需立足自身情況，合理創(chuàng)新煙氣脫硝工藝，構建科學的煙氣脫硝技術體系、工藝路線。