浅述火力发电的SCR法脱硝装置.pdf

1 4 余 热 锅 炉2 0 0 7 ． 2 浅述火力发电的 S C R法脱硝装置 浙江大学能源科技有限公司 王 彤 付丽华 摘要介绍 了火电厂选择性催化还原 法 s c R 脱硝技术的原理和流程 以及 主要装置，分析了影响 S C R脱硝率的主要因素。结合作者参与设计的并且已经运 行的6 0 0 M W 和其他项目的 S C R脱硝系统与装置，浅述设计与安装中的体会。文章 最后对我 国发展 S C R脱硝技术提 出 自己的一些观点。 关键词 火电厂 氮氧化合物 选择性催化还原法脱硝技 术 0前言 大气 的组成会因 自然灾害或人类活动而 发生变化 。这主要是 由于 自然灾害及人类活 动向大气 中排放各种有毒 、有害气体和飘尘 所至 。当这些排放物超过一定界限时 ，就会 发生大气污染 ，造成对人类和其他生物的危 害。大气是生物生存 的重要 环境 因素之一 ， 它直接参与人体的代谢和体温调节等生命活 动。因此 ，大气一旦被污染 ，势必严重影 响 人类健康。 大气污染物分为颗粒物质和气态物质 ， 气态物质主要有含硫化合物、氮化合物、碳 氢化合物、碳氧化合物、卤素化合物等。二 氧化硫 So2 、一氧化碳 C 0 、氮氧化物 N x 是主要 的气态污染 物，产生于人 类 日常生产与生活中应用石油和煤炭等能源的 过程中，如汽车尾 气排放 ，工业废气排放 ， 火力发电厂的烟气排放等。其中火力发电厂 的烟气排放在我 国的废气排放 中占了很大的 比重 ，在排放的废气中主要污染物为二氧化 硫 S O 2 、氮氧化物 N O 和灰尘。自从 国家加大执行火力发电厂的烟气排放标准力 度后 ，火力发电厂脱硫设备和除尘设备的投 入 ，大大降低了排放烟气 中的二氧化硫和灰 尘 的含量，但是对于氮氧化物的排放 ，目前 国家尚未有相应 的硬性政策规定要求火力发 电厂一定安装脱硝装置。 据统计 ，我国大气污染 物 中氮 氧化物 6 o ％来 自煤的燃烧 ，其中，火电厂发电用煤 又占了全 国燃煤 的 7 0 ％。2 0 0 0年我 国火 电 厂氮氧化物排放量控制在 5 0 0万吨 ，按照 目 前 的排放控制水平 ，到 2 0 2 0年 ，氮氧化物 排放量将达到 1 0 0 0万吨 以上。面对严 峻的 环保形势 ，我国制定了 火电厂污染物排放 标准 ，国家允许 的氮氧化物最高排放浓度 为 4 5 0 m g ／ m 3 标 V d a f 2 0 ％ 。此排放 限 值 已接近 目前炉内低氮燃烧技术所能达到的 最高水平，所 以只有安装烟气脱硝系统 ，才 能进一步降低氮氧化物的排放浓度。国家要 求 已建和新建火电机组要逐渐把脱硝系统列 入建设规划。到 2 0 1 0年 ，从 目前 的新建 电 站规模考虑，至少有 2 亿千瓦的机组容量需 要建设脱硝系统，脱硝领域正在迅速形成一 个总量达到 1 1 0 0亿元的大市场。它将是继 电站脱硫技术后 ，又一个快速发展 的市场 ， 有着非常广阔的应用前景 。 烟气脱硝是继烟气脱硫之后国家控制火 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 7 ． 2 1 5 电厂污染物排放的又一个重点领域 ，2 0 0 4 年 7 月，我国公布并实施 火电厂大气污染物 排放标准 ，对火电厂氮氧化物排放要求有 了大幅度的提高。从 “ 十一五”开始，国家 与省级环保部 门将对 3 O万千瓦 以上 的火 电 企业 的二氧化硫、氮氧化物排放总量控制指 标实施共同监控。 目前降低烟气 中氮氧化物排放量的方法 有低氮燃烧器 的使用 、非选择 性催 化还原 S N C R 脱 硝法 、选择 性 催 化还 原 S C R 脱硝法等。由于我国在烟气脱硝方面现在还 处于起步阶段 ，缺乏应用经验。从国外的烟 气脱硝技术应用情况来看 ，目前采用的电站 锅炉 脱 硝 技 术 中，S C R S e l e c t i v e C a t a l y t i c R e d u c t i o n 脱硝工艺 已应用很长 的时间 ，被 证 明是应用最多且脱硝效率最高、最为成熟 的脱硝技术 ，是 目前世界上先进 的电站烟气 脱硝技术之一。1 9 7 5 年 在 日本 S h i m o n e s k i 电 厂建立 了第一个 S C R系统 的示 范工程 ，其 后 S C R技术在 日本 得到 了广泛应 用。 日本 大约有 1 7 0套 装置 ，接 近 1 0 0 G W 容 量 的电 厂 安 装 了 这 种 设 备 ，应 用 单 机 容 量 达 1 0 5 0 MW。在欧洲 已有 1 2 0多 台大 型装置 的 成功 应 用 经 验 ，其 N O x的脱 除 率 可 达 到 8 0 ％ ～9 o ％。美国政府也将 S C R技术作为主 要 的电厂控制 N O x技术 ，到 2 0 0 2 年共有 1 5 7 套在运行 ，已超过 1 亿 k W。S C R方法 已成 为 目前国内外电站烟气脱硝 比较成熟的主流 技术。 2 0 0 4 年底浙 江大学 能源科 技有 限公 司 与日本 B H K公司合作，承接了国华宁海电 厂一期 46 0 0 M W 一套烟气脱硝系统和装置 的供货合同，这是我国签订的有关电站烟气 脱硝系统和装置的第一个合同。经过二年的 设计 、制造与安装 ，浙大能源科技有限公司 吸收和消化 B H K的 S C R脱硝专利技术，向 用户提供完全满足设计要求的设备和系统， 为电站的 S C R烟气脱硝系统和设备 国产化 ， 提供了成功 的经验和范例。2 0 0 6年 1 1 月 2 0 日国华 宁海 电厂一期 46 0 0 MW 主机 与脱 硫、脱硝系统同时通过 1 6 8 试验 ，标志着我 国的烟气脱硝技术在实际应用方面迈 出了坚 实的一步。 1 烟气脱硝系统的工艺简介 选择性催化还原法 S C R是指在催化 剂的作用下，以 N H 3 作为还原剂，“ 有选择 性”地与烟气 中的 N O 反应 并生成 无毒无 污染的 N 2 和 H 2 0 。现 今广 泛使用 的 v 2 O 5 ／ T i O 2 催化剂 ，分别 于 1 9 7 7年和 1 9 7 9年在燃 油和燃煤锅炉上成功投入商业运用。S C R目 前已成为世界上应用最多 、最为成熟且最有 成效的一种烟气脱硝技术 ，其反应原理见图 1 ，工艺流程图见图 2 。主要反应方程式为 4 N H 3 4 N O0 2 4 N 2 6 H 2 0 1 8 N H 3 6 N 0 2 7 N 2 1 2 H 2 0 2 选择适当的催化剂可 以使反应 1 及 2 在 3 0 04 o o ℃的温度范 围内进行 ，并能 有效地抑制副反应 的发生。在 N H 3 与 N O化 学计 量 比为 1的情 况 下 ，可 以得 到 高 达 8 0 ％ 一9 o ％的 N O 脱除率 。 S C R烟气脱 硝的工艺 系统 由烟气系统、 氨气喷射系统、氨的储存与蒸发系统 、催化 反应系统、控制检测系统组成 。锅炉烟气 由 省煤 器后 烟道 进入 S C R烟气 系统 ，液氨 由 槽车运送到液氨贮槽 ，输出的液氨经氨气蒸 发器后变成氨气 ，将之加热到常温后送氨气 缓冲槽备用 。缓冲槽的氨气经减压后送入氨 气／ 空气混合器中，与来 自送风机的空气混 合后，经过设置在适 当位置 的氨喷射器 A IG ，氨气与空气的混合气体均匀喷人烟 气中，当烟气均匀流经催化反应器时，氨气 与烟气 中的氮氧化物在激活状态下的催化剂 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 余 热 锅 炉2 0 0 7 ． 2 作用下，发生了化学反应， 将氮氧化物还原 成氮气和水 ，N O x 的脱除效率主要取决于反 NH 3 应温度、N H 3 与 N O 的化学计量 比、烟气 中 氧气的浓度 、催化剂的性质和数量等。 l ； N o 分 析 仪 甲 ⋯。 ’’ 。。、{ ；。 由 锅炉负荷信号 S CR 反应器 图 1 反 应 原理 简 图 图 2 S C R流程 图 ～ ⋯ ⋯ ⋯ 烟 囱 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 “ 1 ． 2 1 “ 1 2 烟 气 脱 硝 装 置 简 介 晕 嘉 图 3 为 的国华 宁海 电厂一期 6 0 0 M W 烟 硝装置图。 ④ 主 ④ 主 图 3 国华宁海电厂一期 6 0 0 1V I W 烟气脱硝装置 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 余 热 锅 炉2 0 0 7 ． 2 图4 国华三河电厂 3 0 0 M W 项 目烟气脱硝装置 ． 7 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 7 ． 2 1 9 2 ． 1 烟道装置 脱硝装置的烟道装置依据烟气的流程布 置，分进 口烟道、反应器及出口烟道 ，在锅 炉省煤器后空气预热器前 ，氨喷射器 MG放 置在 S C R反 应器上游进 口烟道 的一个合适 位置。一般情况烟气在锅炉出口处被平均分 成两路 ，每路烟气并行进入一个垂直布置的 S C R反应 器里 ，即每 台锅 炉配 有两个 反应 器，在反应器里烟气向下流过均流板、催化 剂层 ，反应后的烟气进入出 口烟道 ，随后进 入回转式空气预热器、静电除尘器、引风机 和 F G D ，最后通过烟囱排人大气。 2 ． 1 ． 1 进 口烟道 进 口烟道与锅炉省煤器出 口烟道连接 ， 烟气 的温度在正常情况下为 3 0 0 4 0 0 C，在 烟道的合适位置设置 A I G，为 了使烟气与氨 气混合均匀 ，设 置导流板 。烟道采用普通钢 材 ，设计时应考虑烟道的内压和膨胀 ，正确 处理与锅炉省煤器烟道间的膨胀差 。A I G由 一 系列 的管道和喷嘴组成 ，管路配有调节阀 门，用于调节烟道 内的氨气喷射浓度 ，达到 氨气在烟道截面上浓度均匀的目的。 2 ． 1 ． 2出口烟道 出口烟道连接反应器和空气预热器，烟 气经过反应器时，发生还原反应 ，氮氧化合 物大部分还原为氮气和水 ，烟气 中还有含硫 化合 物 、碳 氧化合 物、卤素化 合物 和飞灰 等。设计要求与进 口烟道一致。 2 ． 2 催化剂反应器 反应器是脱硝系统的心脏， 催化剂按照 设计需要分层布置，催化剂间按要求留有安 装间距，待一层催化剂安装就位后，安装密 封件。反应器的设计与烟道的设计要求有极 大的区别 ，反应器 除了承受催 化剂 的总重 量，还要进行抗震抗风验算，以及考虑锅炉 运行的烟气压力变化和高温烟气等条件下的 安全运行 。 2 ． 3 氨储存与蒸发装置 液氨由槽车运送至氨区，通过卸料压缩 机将液氨压至液氨储罐，再由储罐内压或供 应泵将液氨输送到氨蒸发器。液氨在蒸发器 内被加热，形成氨气，氨气进入缓冲罐，保 持稳定的压力和流量，再通过调节阀和截止 阀进入氨喷射系统。为安全起见，氨区还设 置了氨气吸收罐 ，废水泵和废水池 ，防止氨 气和氨水外泄。同时还要设置降温、消防喷 水系统以及检测装置。 2 ． 4 氨气／ 空气喷射装置 来 自氨区的氨气与来 自稀释风机的空气 在氨混合器中} 昆 合，空气用来稀释氨气。混 合气体通过管路进入分配集箱 ，再被分配至 各管路 喷 嘴 ，氨／ 空 气混合 气 体进入 A I G 。 A I G由含有喷嘴的水平管和竖直管组成。喷 嘴的布置要使进入烟气的氨分布均匀。在喷 人氨／ 空气混合物后，氨和烟气在位于 A I G 下游的两个混合管中混合 。 2 ． 5 催化剂 目前市场上主流的 S C R催化剂有三种 ， 分别为蜂窝式 ，板式与波纹板式 ，如 图 5 所 示 。根据进 口的脱 硝效 率、N O x 值 和灰 分、 C a O 、M g o等成分从技术性和经济性来选择 催化剂 的形式。 2 ． 6 控制检测系统 在进 口烟道 、出口烟道和氨区均设置检 测设备，在线检测氮氧化合物和氨浓度的变 化 ，通过控制系统及时调节氨气的喷入以及 安全设备的启动。 3 S C R烟气脱硝装置运行时可能产生的 问题 1 由于氨属于有毒、易爆 的化工原 料 ，如果未反应的氨气从系统中泄漏 ，会造 成污染。通过合理的设计和布置，可以将氨 的泄漏量控制在 3 p p m以内。 2 烟气中的 S o 2 通过反应器时，其中 一 部分可能被氧化 为 s o 3 ，s o 3 将 与氨发生 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 7 ． 2 反应造成催化剂中毒。 要有 M g O ，C a O ，N a 2 0 ，K 2 0等的存在会 3 飞灰里的重金属或碱性氧化物 主 使催化剂中毒或活性显著降低。 波纹式 板式 蜂窝式 图 5 S C R催化剂的形式 4 解决问题的方法及设计体会 上述所有 问题都可以通过选择合适的催 化剂 、控制合理的烟气流态和氨气混合的均 匀性 、调节理想的化学计量比等方法使其危 害降到最低 。 S C R技术对锅炉烟气 N 0 x 的控制效果十 分显著 ，具有 占地面积小、技术成熟 可靠 、 易于操作等优点，是目前能大规模投入商业 应用并 能满足任 何苛刻环保政策 的控制措 施，可作为我国燃煤电厂控制 N O 污染的 主要手段之一 。由于我国的脱硝技术处于起 步 阶段 ，各种 流派均依 托于 国外 的专 利技 术 ，缺乏 自身 的应用经验 ，设计单位在确定 方案时应考虑到我国电厂燃料煤的复杂性与 多变性，以及烟气中高硫、高飞灰的情况， 在催化剂选型、烟道装置的设计 、灰斗的设 置、吹灰装 置 的选 型和设置等 方面慎重确 定 ，如选用不易堵塞的催化剂、合理布置烟 道导流板使气流与粉尘在烟道的截面上分布 均匀、选择合理 的烟气 流速 烟道 内大约 1 4 r n ／ s ，反应 器 内大约 6 m ／ s 、与催化剂 相 配的吹灰 器 声 波 吹灰 器、蒸 汽 吹灰 器 等 ，以形成国外技术与我国国情相结合的国 产 化技术 。 S C R烟气脱硝具有以上优点 ，但是应用 上也有一定的局限性 。首先 ，S C R烟气脱硝 装置 S C R区布置在锅炉与电除尘之间 ， 占地面积较大 ，如宁海 4撑炉 S C R区的场地 面积达 2 5 m5 1 m。新建 电厂在筹建时可 以 预 留空 间 ，但 已建 电厂往往 没有 安装 的场 地。同时氨区受到安全间距要求的限制 ，也 需要一定 面积 大约 2 5 m3 5 m的场地 布 置 ，因此 ，已建 电厂 的布置 S C R烟气脱 硝 装置 的难度非常大。其次 ，由于 目前催化剂 供应商绝大部分是外国公司 ，除了东方锅炉 集 团引进 了德国鲁奇的生产线外 ，其余均要 采用进 口产品，国产化程度低 ，一次性投入 费用比较高。大致五年之后，初次装填的催 化剂将失效，更换的催化剂 以及失效催化剂 的处理费用均比较高。 随着我国的新环保政策执行力度 日渐加 强 ，国内 S C R烟气脱硝技术应用 日益广泛 ， 将会带动这一产业的蓬勃发展。S C R烟气脱 硝技术和催化剂生产的国产化13 渐成熟，会 更加促进环保事业的发展，为人们的生活创 造清洁的环境。 以上是笔者的一些观点与感受 ，希望能 起到抛砖引玉的作用，与环保行业同行共同 探讨我 国脱硝技术发展的途径。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m