近年來，霧霾天氣頻發(fā)，嚴(yán)重影響了人們的生活。環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，燃煤電廠鍋爐產(chǎn)生的NO x 占煤燃燒產(chǎn)生總量的 40%以上，NO x 的治理勢在必行。SCＲ 脫硝工藝成熟，脫硝效率高，在燃煤電廠已得到大規(guī)模應(yīng)用。SCＲ 脫硝工藝普遍采用液氨減壓加熱獲得氣態(tài)氨還原劑 ［1－4］ ，液氨是有毒化學(xué)品，生產(chǎn)場所超過 10 t 時(shí)，按 GB18218—2009 《重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》中規(guī)定屬于重大危險(xiǎn)源，其運(yùn)輸和儲(chǔ)存均有嚴(yán)格要求，且使用資格證書審批難度越來越大。為消除液氨存儲(chǔ)及運(yùn)輸可能帶來的危險(xiǎn)，采用低質(zhì)量濃度氨水加熱蒸發(fā)制取氣態(tài)氨工藝，在城市電廠中逐漸取代液氨法而得到推廣。SCＲ 脫硝工藝用于低質(zhì)量濃度 NO x (＜450 mg/Nm 3 )脫除的相關(guān)報(bào)道較多 ［5－9］ ，而用于高質(zhì)量濃度 NO x(＞500 mg/Nm 3 ) 脫除的研究較少。本文以 220 t/h煤粉鍋爐煙氣 SCＲ 脫硝工程為例，選用 20%的氨水加熱蒸發(fā)獲得氣態(tài)氨，還原煙氣中高質(zhì)量濃度NO x ，取得較好使用效果。

 

1 工程概況

江蘇某電廠新建 220 t/h 煤粉鍋爐，煙氣含有大量的 NO x 有害成分，按有關(guān)環(huán)境評價(jià)要求，需配套煙氣脫硝裝置，工藝參數(shù)如表 1 所示。原煙氣NO x 質(zhì)量濃度為 800 mg/Nm 3 左右，脫硝后需降至100 mg/Nm 3 以下，脫硝效率需達(dá)到 87. 5%以上，滿足 GB13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的排放要求。

         目前，用于燃煤鍋爐煙氣脫硝的主流工藝有SNCＲ (選擇性非催化還原) 和 SCＲ (選擇性催化還原) 2 種。SNCＲ 工藝［10－12］ 是直接或間接采用氣態(tài)氨與煙氣中的 NO x 在 850～1100 ℃爐內(nèi)高溫區(qū)發(fā)生脫硝反應(yīng)，脫硝效率受鍋爐種類、結(jié)構(gòu)、煙氣溫度、反應(yīng)停留時(shí)間等因素影響較大，適用于 NO x 質(zhì)量濃度不高的燃煤循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝。煤粉鍋爐與循環(huán)流化床鍋爐相比，爐膛出口省去了旋風(fēng)分離器，煙氣高溫段停留時(shí)間較短，脫硝反應(yīng)時(shí)間不足 0. 5 s，脫硝效率較低，不適宜選用 SNCＲ 脫硝工藝。SCＲ 脫硝工藝［13－14］ 是在省煤器出口 320～420 ℃的中溫區(qū)，氨與煙氣中的 NO x 在催化劑作用下發(fā)生脫硝反應(yīng)，合理布置催化劑層，調(diào)配還原劑噴射量，脫硝效率能夠達(dá)到 90%以上。因此，本工程選用 SCＲ 脫硝工藝，還原劑為 20%氨水溶液，經(jīng)蒸發(fā)器轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)氨后，噴入 SCＲ 反應(yīng)器進(jìn)口煙道，壓縮空氣接自廠內(nèi)儀用壓縮空氣氣源，SCＲ反應(yīng)器采取 3+1 模式設(shè)計(jì)，預(yù)留 1 層催化劑的位置。

2 工藝系統(tǒng)

         SCＲ 脫硝工藝主要包括氨水貯存及輸送系統(tǒng)、氨水蒸發(fā)系統(tǒng)和 SCＲ 反應(yīng)器等，系統(tǒng)設(shè)備、管道、閥門、儀表等需根據(jù)煙氣工況條件或介質(zhì)特性合理選型選材。

 

2. 1 氨水貯存及輸送系統(tǒng)

         氨水貯存及輸送系統(tǒng)如圖 1 所示，20%氨水溶液由罐車運(yùn)至氨水罐附近，經(jīng)卸氨泵送至氨水罐。考慮系統(tǒng) 5 天的氨水用量，氨水罐規(guī)格設(shè)計(jì)為 4. 5m×5 m。卸氨泵選用氟塑料泵，流量 80 m 3 /h，揚(yáng)程 15 m，1 h 內(nèi)可將氨水罐注滿。N5 為氨水進(jìn)口，設(shè)在罐體底部，若設(shè)計(jì)過高，卸氨過程中，氨水震蕩較大，揮發(fā)出大量氣態(tài)氨，罐體內(nèi)壓力增大，短時(shí)間內(nèi)不能泄壓，產(chǎn)生罐體膨脹變形甚至可能破壞罐體的風(fēng)險(xiǎn)。氨水罐設(shè)排污口 N1 和人孔門 M，便于罐體清洗和檢修。N2、N3 為磁翻板液位計(jì)接口，液位信號經(jīng) DCS 系統(tǒng)處理后，數(shù)值顯示于LCD 畫面上，可遠(yuǎn)程監(jiān)控。氨水罐頂部 N6 為呼吸閥接口，用于平衡罐體內(nèi)氣體分壓。氨水罐出口連接氨水輸送泵，選用立式多級離心泵，304 不銹鋼材質(zhì)，流量 1 m 3 /h，揚(yáng)程 100 m，共 2 臺(tái)，1 用 1備，采用變頻器控制實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。氨水輸送泵進(jìn)口管路設(shè)球閥和 Y 型過濾器，球閥用于泵體切換，Y 型過濾器為 30 目，可過濾大顆粒雜質(zhì)。氨水輸送泵出口設(shè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，閥體兩側(cè)設(shè)球閥，同時(shí)設(shè)置旁路管道，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在線檢修。2 臺(tái)氨水輸送泵出口共用 1 根母管，母管上設(shè)壓力表、回流管道、電磁流量計(jì)及安全閥，調(diào)節(jié)為一定流量的氨水進(jìn)入蒸發(fā)器。氨水罐、管道、閥門、過濾器、流量計(jì)、壓力表等均為 304 不銹鋼材質(zhì)。

2. 2 氨水蒸發(fā)系統(tǒng)

         氨水蒸發(fā)系統(tǒng)如圖 2 所示，20%氨水進(jìn)入雙流體噴槍，在壓力 0. 6～0. 8 MPa 作用下，霧化成粒徑為 30～70 μm 的液滴，由上至下噴入蒸發(fā)器內(nèi)，與蒸發(fā)器下部逆流而上的 70～130 ℃鍋爐一次風(fēng)接觸蒸發(fā)出氣態(tài)氨。蒸發(fā)出的氣態(tài)氨進(jìn)入緩沖罐，壓力穩(wěn)定在 0. 1～0. 2 MPa，與稀釋風(fēng)機(jī)提供的空氣在混合器中稀釋為 5% (體積分?jǐn)?shù)) 的混合氣體，送至噴氨格柵，噴入 SCＲ 反應(yīng)器進(jìn)口煙道。稀釋風(fēng)機(jī)設(shè) 2 臺(tái)，1 用 1 備，風(fēng)量 3000 Nm 3 /h，全壓6000 Pa。蒸發(fā)器和緩沖罐均設(shè)有溫度和壓力測點(diǎn)，溫度通過一次風(fēng)供給量調(diào)整，確保蒸發(fā)器內(nèi)溫度控制在 40～60 ℃，壓力超過 0. 3 MPa 時(shí)，自動(dòng)切斷氨水供給。SCＲ 脫硝反應(yīng)氣態(tài)氨用量約 122 kg/h，蒸發(fā)器的氣化能力按系統(tǒng)用氨量設(shè)計(jì)，留有一定余量。氨水蒸發(fā)過程中每小時(shí)產(chǎn)生約 487 kg 廢水，含有少量未蒸發(fā)完全的氨從蒸發(fā)器底部排入廢水池，經(jīng)廢水泵送至廢水處理系統(tǒng)。廢水池按 1 天的儲(chǔ)量設(shè)計(jì)，規(guī)格為2 m×2 m×3 m，采用地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。廢水泵設(shè) 2 臺(tái)，1 用 1 備，泵殼及葉輪均為高分子聚乙烯材質(zhì)。

 

2. 3 SCＲ 反應(yīng)器

         SCＲ 反應(yīng)器主要由進(jìn)出口煙道、反應(yīng)器及催化劑等組成，如圖 3 所示。省煤器出口煙氣溫度360 ℃左右，為 SCＲ 脫硝反應(yīng)較為理想的溫度。省煤器出口煙氣經(jīng)煙道進(jìn)入 SCＲ 反應(yīng)器，煙道上部設(shè) 3 層噴氨格柵，噴氨格柵為主管連接支管，支管分布噴嘴，5%氣態(tài)氨與煙氣初步混合，經(jīng)反應(yīng)器上部的整流器分布均勻后，NO x 與 NH 3 在催化劑作用下發(fā)生脫硝反應(yīng)。催化劑采用 3+1 模式設(shè)計(jì)，預(yù)留 1 層催化劑層的位置。催化劑為蜂窩式模塊結(jié)構(gòu)，規(guī)格為 1910 mm×970 mm×1300 mm，每層共21 個(gè)模塊，7 行 3 列矩陣式布置，擺放于反應(yīng)器內(nèi)部的支撐梁上。反應(yīng)器規(guī)格為 6950 mm×5990 mm×12 120 mm，空塔煙氣流速約 4. 6 m/s，煙道截面尺寸為 6950 mm×1840 mm，煙氣流速約 15 m/s。反應(yīng)器及煙道本體均采用 6 mm 厚鋼板制作，Q345B 材質(zhì)，采用內(nèi)外復(fù)合粗大支撐加強(qiáng)，整體固定于鋼結(jié)構(gòu)框架上。為補(bǔ)償運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱位移，防止反應(yīng)器和煙道給鋼架和基礎(chǔ)增加額外載荷，反應(yīng)器與省煤器和空氣預(yù)熱器之間的連接煙道均設(shè)高溫金屬膨脹節(jié)。SCＲ 反應(yīng)器中煙氣粉塵含量較高，屬高塵區(qū)，大量粉塵淤積可能堵塞催化劑通道，阻礙 NO x 、NH 3 和 O 2 到達(dá)催化劑活性表面，增加系統(tǒng)阻力，降低脫硝效率。每層催化劑上方約0. 5 m 處均設(shè) 2 臺(tái)聲波吹灰器，可定時(shí)在線清灰。反應(yīng)器進(jìn)出口均設(shè)在線監(jiān)測，對煙氣中的 NO x 、顆粒物、氧含量、溫度、壓力、流量等實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，出口同時(shí)設(shè)氨分析儀，對煙氣中的逃逸氨質(zhì)量濃度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，便于系統(tǒng)操作控制。

 

3 運(yùn)行效果

         SCＲ 系統(tǒng)操作簡單，運(yùn)行較為穩(wěn)定，表 2 為隨機(jī)抽取 2016 年某日上午運(yùn)行值班的數(shù)據(jù)記錄。

         由表 2 可見，20%氨水流量為 684 L/h，NH 3 /NO x 摩爾比約 0. 93，原煙氣 NO x 質(zhì)量濃度在 782～796 mg/Nm 3 時(shí)，脫硝后可降至 71 ～ 88 mg/Nm 3 ，滿足 環(huán) 保 排 放 及 設(shè) 計(jì) 要 求。脫 硝 效 率 穩(wěn) 定 在88. 9%～91. 0%，逃逸氨［15］ 質(zhì)量濃度僅為 0. 8～1. 3mg/Nm 3 ，遠(yuǎn)小于 HJ562—2010 《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范選擇性催化還原法》中規(guī)定的逃逸氨質(zhì)量濃度非常大允許值 2. 5 mg/Nm 3 的標(biāo)準(zhǔn)。

4 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

         以年運(yùn)行時(shí)間 6000 h 計(jì)，SCＲ 脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性如表 3 所示。SCＲ 脫硝運(yùn)行費(fèi)用主要包括氨水、電耗、人工及設(shè)備折舊，其中氨水費(fèi)用為 301. 9 萬元/a，約占總運(yùn)行費(fèi)用的 66%。電廠增設(shè) SCＲ 脫硝裝置，每年電價(jià)補(bǔ)貼約 300 萬元，節(jié)約 NO x 排污費(fèi)約 172 萬元，抵消運(yùn)行成本，年綜合收益 14. 8萬元。經(jīng)計(jì)算，NO x 脫除單位成本約 3. 2 元/kg。

 

         若原煙氣 NO x 質(zhì)量濃度降低一半，氨水費(fèi)用每年可節(jié)約 150 余萬元。因此，對 NO x 質(zhì)量濃度不高的燃煤電廠增設(shè)脫硝裝置，經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。

5 結(jié)束語

         氨水蒸發(fā)制取氣態(tài)氨作為 SCＲ 脫硝還原劑，不存在液氨貯存及運(yùn)輸可能帶來的安全隱患，蒸發(fā)熱源取自鍋爐一次風(fēng)，蒸氨后隨氨氣進(jìn)入煙道，沒有額外消耗熱能。高質(zhì)量濃度 NO x 的脫除可采取增設(shè)脫硝催化劑層數(shù)的方式滿足環(huán)保排放要求，但系統(tǒng)阻力增加，需充分考慮原有引風(fēng)機(jī)余壓能否滿足SCＲ 脫硝系統(tǒng)總阻力要求。催化劑布置在高塵區(qū)，磨損較大，亞微米顆粒物覆蓋催化劑表面活性位點(diǎn)，金屬、金屬氧化物及三氧化二砷易造成催化劑中毒，降低了催化劑活性，制約了催化劑使用壽命［16］ ，布置在除塵器之后的高效新型低溫脫硝催化劑的研制及開發(fā)將成為未來研究的方向。