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        SCR煙氣脫硝工藝方案

        1. 脫硝工藝的簡介

        有關(guān)NOX的控制方法從燃料的生命周期的三個(gè)階段入手,限燃燒前、燃燒中和燃燒后。當(dāng)前,燃燒前脫硝的研究很少,幾乎所有的脫硝都集中在燃燒中和燃燒后的NOX的控制。所以在國際上把燃燒中NOX的所有控制措施統(tǒng)稱為一次措施,把燃燒后的NOX控制措施統(tǒng)稱為二次措施,又稱為煙氣脫硝技術(shù)。
        目前普遍采用的燃燒中NOX控制技術(shù)即為低NOX燃燒技術(shù),主要有低NOX燃燒器、空氣分級燃燒和燃料分級燃燒。
        應(yīng)用在燃煤電站鍋爐上的成熟煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原技術(shù)(Selective Catalytic Reduction,簡稱SCR)、選擇性非催化還原技術(shù)(Selective Non-Catalytic Reduction,簡稱SNCR)以及SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術(shù)。
        2 .SCR煙氣脫硝技術(shù)
        近幾年來選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)(SCR)發(fā)展較快,在歐洲和日本得到了廣泛的應(yīng)用,目前催化還原煙氣脫硝技術(shù)是應(yīng)用最多的技術(shù)。
        1)SCR脫硝反應(yīng)
        目前世界上流行的SCR工藝主要分為氨法SCR和尿素法SCR兩種。此兩種法都是利用氨對NOX的還原功能,在催化劑的作用下將NOX(主要是NO)還原為對大氣沒有多少影響的N2和水。還原劑為NH3,其不同點(diǎn)則是在尿素法SCR中,先利用一種設(shè)備將尿素轉(zhuǎn)化為氨之后輸送至SCR觸媒反應(yīng)器,它轉(zhuǎn)換的方法為將尿素注入一分解室中,此分解室提供尿素分解所需之混合時(shí)間,駐留時(shí)間及溫度,由此室分解出來之氨基產(chǎn)物即成為SCR的還原劑通過觸媒實(shí)施化學(xué)反應(yīng)后生成氨及水。尿素分解室中分解成氨的方法有熱解法和水解法,主要化學(xué)反應(yīng)方程式為:
        NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2
        在整個(gè)工藝的設(shè)計(jì)中,通常是先使氨蒸發(fā),然后和稀釋空氣或煙氣混合,之后通過分配格柵噴入SCR反應(yīng)器上游的煙氣中。
        在SCR反應(yīng)器內(nèi),NO通過以下反應(yīng)被還原:
        4NO+4NH3+O2→3N2+6H2O
        6NO+4NH3→5N2+6H2O
        當(dāng)煙氣中有氧氣時(shí),反應(yīng)第一式優(yōu)先進(jìn)行,因此,氨消耗量與NO還原量有一對一的關(guān)系。
        在鍋爐的煙氣中,NO2一般約占總的NOX濃度的5%,NO2參與的反應(yīng)如下:
        2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
        6NO2+8NH3→7N2+12H2O
        上面兩個(gè)反應(yīng)表明還原NO2比還原NO需要更多的氨。
        在絕大多數(shù)鍋爐煙氣中,NO2僅占NOX總量的一小部分,因此NO2的影響并不顯著。
        SCR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。當(dāng)不能保證預(yù)先設(shè)定的脫硝效率和(或)氨逃逸量的性能標(biāo)準(zhǔn)時(shí),就必須在反應(yīng)器內(nèi)添加或更換新的催化劑以恢復(fù)催化劑的活性和反應(yīng)器性能。從新催化劑開始使用到被更換這段時(shí)間稱為催化劑壽命。
        2)SCR系統(tǒng)組成及反應(yīng)器布置
        在選擇催化還原工藝中,NOx與NH3在催化劑的作用下產(chǎn)生還原。催化劑安放在一個(gè)固定的反應(yīng)器內(nèi),煙氣穿過反應(yīng)器平行流經(jīng)催化劑表面。催化劑單元通常垂直布置,煙氣自上向下流動(dòng)。
        SCR系統(tǒng)一般由氨的儲存系統(tǒng)、氨與空氣混合系統(tǒng)、氨氣噴入系統(tǒng)、反應(yīng)器系統(tǒng)、省煤器旁路、SCR旁路、檢測控制系統(tǒng)等組成。

        3.1 氨的儲存系統(tǒng)

        (1)系統(tǒng)組成
        液氨儲存系統(tǒng)包括液氨卸料壓縮機(jī)、液氨儲罐等。
        (2)工藝描述
        還原劑(氨)用罐車運(yùn)輸并在儲罐儲存。在高壓下,氨被液化以減小運(yùn)輸和儲存的體積。市場購買的還原劑(液態(tài)氨純度99.6%),供應(yīng)商用罐裝車運(yùn)輸(以液體形態(tài)儲存在壓力容器內(nèi)),送往氨貯存場地,通過氨卸載壓縮機(jī)抽取儲罐中氣氨,送入儲罐后,將槽車中的液氨,擠入液氨儲槽中貯存。使用時(shí),儲存罐中的氨借助自壓輸送到蒸發(fā)器中。
        · 卸載壓縮機(jī)
        卸料壓縮機(jī)為往復(fù)式壓縮機(jī),系統(tǒng)設(shè)置二臺卸載壓縮機(jī),一臺運(yùn)行,一臺備用。
        · 液氨儲槽
        本工程設(shè)置2臺液氨儲罐,供兩爐使用。液氨儲罐的***大充裝量為25m³。儲氨罐組可供應(yīng)兩臺爐設(shè)計(jì)條件下,每天運(yùn)行24小時(shí),連續(xù)運(yùn)行7天的消耗量。液氨儲罐上安裝有超流閥、逆止閥、緊急關(guān)斷閥和安全閥做為儲罐安全運(yùn)行保護(hù)所用。儲罐還裝有溫度計(jì)、壓力表液位計(jì)和相應(yīng)的變送器將信號送到主體機(jī)組DCS控制系統(tǒng),當(dāng)儲罐內(nèi)溫度或壓力高時(shí)報(bào)警。儲罐四周安裝有工業(yè)水噴淋管線及噴嘴,當(dāng)儲罐內(nèi)液氨溫度過高時(shí)自動(dòng)淋水裝置啟動(dòng),對儲罐進(jìn)行噴淋降溫。
        3.2氨注入系統(tǒng)
        (1)系統(tǒng)組成
        氨注入系統(tǒng)包括氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐、氨氣稀釋槽、廢水泵、廢水池等。
        (2)工藝描述
        儲罐里的液態(tài)氨靠自壓輸送到蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器內(nèi)(通過蒸汽加熱)將氨蒸發(fā),每個(gè)蒸發(fā)槽上裝有壓力控制閥將氨氣壓力控制在≤2kg/cm2。當(dāng)出口壓力超過2kg/cm2時(shí),切斷節(jié)流閥,停止液氨供應(yīng)。從蒸發(fā)槽蒸發(fā)的氨氣流進(jìn)入氨氣緩沖罐,通過氨氣輸送管道送至每一臺爐的SCR反應(yīng)裝置旁。再用空氣稀釋高濃度無水氨,這樣氨/空氣混合物安全且不易燃。通過裝在SCR入口煙道內(nèi)的氨注入格柵,將氨/空氣混合物注入到SCR系統(tǒng)內(nèi)。
        (3)主要設(shè)備選型
        · 液氨蒸發(fā)槽
        液氨蒸發(fā)所需要的熱量由低壓蒸汽提供,共設(shè)有二個(gè)液氨蒸發(fā)槽(一用一備)。蒸發(fā)槽裝有安全閥,可防止設(shè)備壓力異常過高。液氨蒸發(fā)槽面積按照在BMCR工況下單臺機(jī)組100%容量設(shè)計(jì)。
        · 氨氣緩沖槽
        氨氣緩沖槽的作用即在穩(wěn)定氨氣的供應(yīng),避免受蒸發(fā)槽操作不穩(wěn)定所影響。緩沖槽上也有安全閥可保護(hù)設(shè)備。
        · 氨氣稀釋槽
        氨氣稀釋槽為立式水槽,水槽的液位由滿溢流管線維持,稀釋槽設(shè)計(jì)連結(jié)由槽頂淋水和糟側(cè)進(jìn)水。液氨系統(tǒng)各排放處所排出的氨氣由管線匯集后從稀釋槽低部進(jìn)入。通過分散管將氨氣分散入稀釋槽水中,利用大量水來吸收安全閥排放的氨。
        · 稀釋風(fēng)機(jī)
        噴入鍋爐煙道的氨氣為空氣稀釋后的含5%左右氨氣的混合氣體。所選擇的風(fēng)機(jī)滿足脫除煙氣中NOx***大值的要求,并留有一定的余量。稀釋風(fēng)機(jī)兩臺按一臺100%容量(一用一備)設(shè)置,共有四臺離心式稀釋風(fēng)機(jī)。
        ·氨/空氣混合器
        為了實(shí)現(xiàn)氨和稀釋空氣的充分、均勻的混合,
        · 氨氣泄漏檢測器
        液氨儲存及注入系統(tǒng)周邊設(shè)有3只氨氣檢測器,以檢測氨氣的泄漏,并顯示大氣中氨的濃度。當(dāng)檢測器測得大氣中氨濃度過高時(shí),在機(jī)組控制室會發(fā)出警報(bào),操作人員采取必要的措施,以防止氨氣泄漏的異常情況發(fā)生。電廠液氨儲存及供應(yīng)注入系統(tǒng)遠(yuǎn)離機(jī)組,并采取措施與周圍環(huán)境隔離。
        · 排污系統(tǒng)
        液氨儲存和注入系統(tǒng)的氨排放管路為一個(gè)封閉系統(tǒng),將經(jīng)由氨氣稀釋槽吸收成氨廢水后排放至廢水池再經(jīng)由廢水泵送至主廠廢水處理站。
        · 氮?dú)獯祾?br /> 液氨儲存及注入系統(tǒng)保持系統(tǒng)的嚴(yán)密性防止氨氣的泄漏和氨氣與空氣的混合造成爆炸是最關(guān)鍵的安全問題;诖朔矫娴目紤],本系統(tǒng)的卸料壓縮機(jī)、液氨儲罐、氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐等都備有氮?dú)獯祾吖芫。在液氨卸料之前通過氮?dú)獯祾吖芫對以上設(shè)備分別要進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)嚴(yán)密性檢查和氮?dú)獯祾,防止氨氣泄漏和與系統(tǒng)中殘余的空氣混合造成危險(xiǎn)。
        3.3 SCR反應(yīng)器及附屬系統(tǒng)
        (1)系統(tǒng)組成
        SCR反應(yīng)器和附屬系統(tǒng)由擋板門、氨注入格柵、SCR反應(yīng)器、催化劑、吹灰系統(tǒng)和煙道等組成。
        (2)工藝描述
        由氨/空氣混合器來的稀釋氨氣通過氨注入格柵的多個(gè)噴嘴,將氨噴入煙氣中。注入格柵后的煙氣混合裝置促進(jìn)煙氣和氨的混合,保證煙氣中氨濃度的均勻分布。
        來自鍋爐省煤器出口的煙氣通過SCR反應(yīng)器,SCR反應(yīng)器包含催化劑層,在催化劑作用下,NH3與NOX反應(yīng)從而脫除NOX,催化劑促進(jìn)氨和NOX的反應(yīng)。在SCR反應(yīng)器最上面有整流柵格,使流動(dòng)煙氣分布均勻。催化劑裝在模塊組件中,便于搬運(yùn)、安裝和更換。煙氣經(jīng)過煙氣脫硝過程后經(jīng)空氣預(yù)熱器熱回收后進(jìn)入靜電除塵器和FGD系統(tǒng)后排入大氣。
        SCR反應(yīng)器催化劑層間安裝吹灰器用來吹除沉積在催化劑上的灰塵和SCR反應(yīng)副產(chǎn)物,以減少反應(yīng)器壓力降。
        SCR工藝主要性能指標(biāo)有:脫硝效率、氨量、反應(yīng)器的壓力降等。
        SCR工藝主要設(shè)計(jì)參數(shù)有催化劑總量、催化劑高度、催化劑空隙率和煙氣速度等。
        燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝裝置催化劑設(shè)計(jì)參數(shù)見下表。
        燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝裝置催化劑設(shè)計(jì)參數(shù)

        項(xiàng)目

        蜂窩型催化劑

        板型催
        化劑

        高灰煤

        低灰煤

        單塊催化劑孔數(shù)

        400

        441

        529

         

        間距(mm)

        7.4

        7.0

        6.4

        6.9

        比表面積(㎡/ m3)

        427

        470

        500

        285

        空隙率(%)

        69

        71

        67

        82

        壓力降(kpa/m)

        0.2

        0.21

        0.27

        0.1

         

        (3)主要設(shè)備選型
        · SCR反應(yīng)器
        反應(yīng)器的水平段安裝有煙氣導(dǎo)流、優(yōu)化分布的裝置以及氨的噴射格柵,在反應(yīng)器的豎直段裝有催化劑床。
        反應(yīng)器采用固定床垂直通道型式,初裝2層,并預(yù)留1層位置,作為未來脫硝效率低于保證值時(shí)增裝催化劑用,以此作為增強(qiáng)脫硝效率并延長有效觸媒壽命的備用措施。
        脫硝效率按80%設(shè)計(jì),催化劑模塊尺寸為長1901mm×寬952mm×高1100mm(含框架),鍋爐脫硝反應(yīng)器每層布置21個(gè)模塊(3×7),層之間空間高度為3.4m,其中每層催化劑前端有耐磨層,減弱飛灰對催化劑的沖刷作用。每個(gè)反應(yīng)器按3層設(shè)計(jì),運(yùn)行初期僅裝2層。每臺爐設(shè)置一個(gè)反應(yīng)器。
        反應(yīng)器為直立式焊接鋼結(jié)構(gòu)容器,內(nèi)部設(shè)有觸媒支撐結(jié)構(gòu),能承受內(nèi)部壓力,地震負(fù)荷、煙塵負(fù)荷、觸媒負(fù)荷和熱應(yīng)力等。反應(yīng)器殼外部設(shè)有加固肋及保溫層。觸媒通過反應(yīng)器外的觸媒填裝系統(tǒng)從側(cè)門放入反應(yīng)器內(nèi)。
        · 噴氨格柵
        為了使氨在煙氣中均勻分布,并且便于對反應(yīng)器中第一層催化劑上方煙氣的NH3/NOx摩爾比的調(diào)整,所以需在進(jìn)口煙道上的合適位置設(shè)置噴氨格柵。包括供應(yīng)箱、噴射格柵和噴射孔等。噴射系統(tǒng)配有節(jié)流閥及節(jié)流孔板。在對NOx濃度進(jìn)行連續(xù)分析的同時(shí),調(diào)節(jié)必要的氨量從噴氨格柵中噴氨。
        3.4 脫硝裝置總體布置
        本煙氣脫硝工程主要構(gòu)筑物有脫硝裝置、液態(tài)氨的貯存和供應(yīng)系統(tǒng)的構(gòu)筑物。
        在制定脫硝裝置布置方案時(shí),應(yīng)考慮下面設(shè)備:
        — SCR反應(yīng)器;
        — 煙氣管道;
        — 與鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器的聯(lián)接;
        — 輔助設(shè)備。
        3.4.1布置原則
        — 在規(guī)劃基本的現(xiàn)場布置方案時(shí),建筑和設(shè)備的位置應(yīng)該按照需要的功能來布置,并考慮進(jìn)出方便、建造難易、操作、維護(hù)和安全性。
        —SCR反應(yīng)器布置方案應(yīng)該考慮將來在其它鍋爐上安裝脫硝裝置的要求,脫硝系統(tǒng)的布置不能影響將來的裝置布置和施工。
        —一臺鍋爐設(shè)置一個(gè)SCR反應(yīng)器。
        —為SCR反應(yīng)器留有適當(dāng)?shù)目臻g,用來設(shè)置過道,便于催化劑模塊的安裝和操作。
        —為催化劑模塊的抬升預(yù)留足夠的空間。
        —通道應(yīng)該盡可能連續(xù),所有的主要通道能允許叉式升降機(jī)(鏟車)通行,并考慮其轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。
        3.4.2總體布置方案選擇
        (1)SCR反應(yīng)器的布置方式:
        在熱段/高灰布置中,SCR反應(yīng)器位于省煤器和空氣預(yù)熱器之間,因?yàn)樵搮^(qū)域煙氣溫度在300-400℃的范圍內(nèi)。鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間的煙氣溫度在該范圍內(nèi)。世界上絕大多數(shù)燃煤火電廠的SCR裝置采用這種布置萬式。
        這種布置方式的主要優(yōu)點(diǎn)是投資和運(yùn)行費(fèi)用低,因?yàn)樵摱蔚臒煔鉁囟扰c催化劑要求的運(yùn)行范圍相符合。這種布置的其主要缺點(diǎn)是催化劑暴露于含有全部灰塵和硫分的煙氣中。采用這種布置方式主要是含硫量低于2%的煙煤發(fā)電鍋爐。
        由于SCR系統(tǒng)所要求的煙氣溫度為330~415℃,故SCR反應(yīng)器放置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間。
        新建SCR系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu),根據(jù)在電廠現(xiàn)場測量及提供的資料,在布置基立柱等時(shí)主要考慮校核原有鍋爐鋼架基礎(chǔ)的荷載。
        (2)液態(tài)氨的貯存和供應(yīng)布置
        根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50160-92)關(guān)于乙類液體儲罐防火間距的要求:氨站應(yīng)該距離生產(chǎn)廠房、生產(chǎn)設(shè)備20m,距離明火和散發(fā)火花地點(diǎn)25m,距離全廠重要設(shè)施30m,距離運(yùn)輸?shù)缆贰S圍墻lOm。
        氨儲罐布置在半露天防曬雨棚中的零米地面;氨卸載壓縮機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備以及電氣設(shè)備布置在氨儲罐旁邊的建構(gòu)筑物內(nèi)。
        蒸發(fā)器、緩沖貯罐均布置在儲罐旁邊的構(gòu)筑物內(nèi),采用防曬雨棚;稀釋空氣風(fēng)機(jī)、氨/空氣混合器均相應(yīng)布置在每一臺鍋爐的零米附近。
        道路:在液態(tài)氨的貯存和供應(yīng)的建筑構(gòu)筑物形成消防環(huán)路,采劇混凝土路面與廠區(qū)道路相連接。
        液氨采用輸送管道方式。
        全廠脫硝裝置的控制系統(tǒng)布置在主廠控制室內(nèi)。

        SNCR脫硝技術(shù)

        SNCR脫硝技術(shù)即選擇性非催化還原(Selective Non-Catalytic Reduction,以下簡寫為SNCR)技術(shù),是一種不用催化劑,在850~1100℃的溫度范圍內(nèi),將含氨基的還原劑(如氨水,尿素溶液等)噴入爐內(nèi),將煙氣中的NOx還原脫除,生成氮?dú)夂退那鍧嵜撓跫夹g(shù)。

        SNCR脫硝技術(shù) 

        在合適的溫度區(qū)域,且氨水作為還原劑時(shí),其反應(yīng)方程式為:

        4NH3 + 4NO + O2→4N2 + 6H2O (1) 
        然而,當(dāng)溫度過高時(shí),也會發(fā)生如下副反應(yīng):
        4NH3 + 5O2→4NO + 6H2O(2) 
        SNCR煙氣脫硝技術(shù)的脫硝效率一般為30%~80%,受鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸影響很大。采用SNCR技術(shù),目前的趨勢是用尿素代替氨作為還原劑。
         
        2.SNCR脫硝原理
        SNCR技術(shù)脫硝原理為:
        在850~1100℃范圍內(nèi),NH3或尿素還原NOx的主要反應(yīng)為:
        NH3為還原劑: 4NH3+?4NO+O2→4N2+6H2O
        尿素為還原劑:NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+H2O
         
        3.SNCR脫硝系統(tǒng)組成
        SNCR(噴氨)系統(tǒng)主要由卸氨系統(tǒng)、罐區(qū)、加壓泵及其控制系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、分配與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)等組成。SNCR系統(tǒng)煙氣脫硝過程是由下面四個(gè)基本過程完成: 接收和儲存還原劑;在鍋爐合適位置注入稀釋后的還原劑;還原劑的計(jì)量輸出、與水混合稀釋;還原劑與煙氣混合進(jìn)行脫硝反應(yīng)。
         
        4.SNCR脫硝工藝流程
        還原劑 (氨水或尿素) 用卡車運(yùn)送,并存放在脫硝系統(tǒng)的還原劑貯存和制備中心;還原劑通過計(jì)量、分配及霧化空氣霧化、冷卻后,噴入爐膛溫度為800℃~1100℃的區(qū)域,該還原劑迅速熱分解成NH3和其它副產(chǎn)物,隨后NH3與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)而生成N2。
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