220t/h 煤粉鍋爐高濃度NOx煙氣SCR脫硝工程設計及應用 河北思凱淋高濃度煙氣脫硝工程案例
結合220t/h煤粉鍋爐煙氣SCR脫硝工程實例，詳細闡述了氨水貯存及輸送系統(tǒng)、氨水蒸發(fā)系統(tǒng)、SCR反應器等工藝流程及相關設備選型選材，分析了系統(tǒng)運行效果及其經濟性。結果表明，SCR反應器進口NOx質量濃度為782～796 mg / Nm3，NH3/ NOx摩爾比為0. 93時，出口可降至71～88 mg/Nm3，脫硝效率可達88. 9%～91. 0%，逃逸氨質量濃度為0. 8～1. 3 mg/Nm3，SCR脫除高質量濃度NOx，能夠滿足環(huán)保排放要求，若用于電廠低質量濃度NOx的脫除，經濟效益顯著，可為同類工程設計及應用提供參考。
關鍵詞:煤粉鍋爐；SCR脫硝；NH3/ NOx摩爾比；逃逸氨；高質量濃度 NOx
1 工程概況
江蘇某電廠新建220t/h煤粉鍋爐，煙氣含有大量的NOx有害成分，按有關環(huán)境評價要求，需配套煙氣脫硝裝置，工藝參數(shù)如表1所示。原煙氣NOx質量濃度為800mg /Nm3左右，脫硝后需降至100mg/Nm3以下，脫硝效率需達到87. 5%以上，滿足GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》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 NOx在 850 ～ 1100 ℃ 爐內高溫區(qū)發(fā)生脫硝反應，脫硝效率受鍋爐種類、結構、煙氣溫度、反應停留時間等因素影響較大，適用于 NOx質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分離器，煙氣高溫段停留時間較短，脫硝反應時間不足 0. 5 s，脫硝效率較低，不適宜選用 SNCＲ 脫硝工藝。SCR 脫硝工藝是在省煤器出口 320 ～420 ℃ 的中溫區(qū)，氨與煙氣中的NOx在催化劑作用下發(fā)生脫硝反應，合理布置催化劑層，調配還原劑噴射量，脫硝效率能夠達到 90%以上。因此，本工程選用SCR脫硝工藝，還原劑為 20%氨水溶液，經蒸發(fā)器轉變?yōu)闅鈶B(tài)氨后，噴入SCR反應器進口煙道，壓縮空氣接自廠內儀用壓縮空氣氣源，SCR反應器采取 3 + 1 模式設計，預留 1 層催化劑的位置。
表 1 220 t/h 鍋爐工藝參數(shù)
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反應器等，系統(tǒng)設備、管道、閥門、儀表等需根據(jù)煙氣工況條件或介質特性合理選型選材。
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%氨水溶液由罐車運至氨水罐附近，經卸氨泵送至氨水罐�？紤]系統(tǒng) 5 天的氨水用量，氨水罐規(guī)格設計為 4. 5m×5 m。卸氨泵選用氟塑料泵，流量 80 m3/ h，揚程 15 m，1 h 內可將氨水罐注滿。N5 為氨水進口，設在罐體底部，若設計過高，卸氨過程中，氨水震蕩較大，揮發(fā)出大量氣態(tài)氨，罐體內壓力增加，短時間內不能泄壓，產生罐體膨脹變形甚至可能破壞罐體的風險。氨水罐設排污口 N1 和人孔門 M，便于罐體清洗和檢修。N2、N3 為磁翻板液位計接口，液位信號經 DCS 系統(tǒng)處理后，數(shù)值顯示于LCD 畫面上，可遠程監(jiān)控。氨水罐頂部 N6 為呼吸閥接口，用于平衡罐體內氣體分壓。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，流量 1 m3/ h，揚程 100 m，共 2 臺，1 用 1備，采用變頻器控制實現(xiàn)流量調節(jié)。氨水輸送泵進口管路設球閥和 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。氨水輸送泵出口設電動調節(jié)閥，閥體兩側設球閥，同時設置旁路管道，可實現(xiàn)電動調節(jié)閥在線檢修。2 臺氨水輸送泵出口共用 1 根母管，母管上設壓力表、回流管道、電磁流量計及安全閥，調節(jié)為一定流量的氨水進入蒸發(fā)器。氨水罐、管道、閥門、過濾器、流量計、壓力表等均為 304 不銹鋼材質。
圖 1 氨水貯存及輸送系統(tǒng)
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，與蒸發(fā)器下部逆流而上的 70～ 130 ℃ 鍋爐一次風接觸蒸發(fā)出氣態(tài)氨。蒸發(fā)出的氣態(tài)氨進入緩沖罐，壓力穩(wěn)定在 0. 1 ～ 0. 2 MPa，與稀釋風機提供的空氣在混合器中稀釋為 5% ( 體積分數(shù)) 的混合氣體，送至噴氨格柵，噴入SCR反應器進口煙道。稀釋風機設 2 臺，1 用 1 備，風量 3000 Nm3/ h，全壓6000 Pa。蒸發(fā)器和緩沖罐均設有溫度和壓力測點，溫度通過一次風供給量調整，確保蒸發(fā)器內溫度控制在 40～60 ℃，壓力超過 0. 3 MPa 時，自動切斷氨水供給。SCR 脫硝反應氣態(tài)氨用量約 122 kg /h，蒸發(fā)器的氣化能力按系統(tǒng)用氨量設計，留有一定余量。氨水蒸發(fā)過程中每小時產生約 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，經廢水泵送至廢水處理系統(tǒng)。廢水池按 1 天的儲量設計，規(guī)格為 2 m×2 m×3 m，采用地下式鋼筋混凝土結構。廢水泵設 2 臺，1 用 1 備，泵殼及葉輪均為高分子聚乙烯材質。
圖 2 氨水蒸發(fā)系統(tǒng)
2. 3SCR反應器
SCR 反應器主要由進出口煙道、反應器及催化劑等組成，如圖 3 所示。省煤器出口煙氣溫度360 ℃ 左右，為SCR脫硝反應較為理想的溫度。省煤器出口煙氣經煙道進入SCR反應器，煙道上部設 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，經反應器上部的整流器分布均勻后，NOx與 NH3在催化劑作用下發(fā)生脫硝反應。催化劑采用 3 + 1 模式設計，預留 1 層催化劑層的位置。催化劑為蜂窩式模塊結構，規(guī)格為 1910 mm×970 mm×1300 mm，每層共21 個模塊，7 行 3 列矩陣式布置，擺放于反應器內部的支撐梁上。反應器規(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 器 及 煙 道 本 體 均 采 用 6 mm 厚 鋼 板 制 作，Q345B 材質，采用內外復合粗大支撐加強，整體固定于鋼結構框架上。為補償運行過程中產生的熱位移，防止反應器和煙道給鋼架和基礎增加額外載荷，反應器與省煤器和空氣預熱器之間的連接煙道均設高溫金屬膨脹節(jié)。SCR 反應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 NOx、NH3和 O2到達催化劑活性表面，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 2 臺聲波吹灰器，可定時在線清灰。反應器進出口均設在線監(jiān)測，對煙氣中的 NOx、顆粒物、氧含量、溫度、壓力、流量等實時在線監(jiān)測，出口同時設氨分析儀，對煙氣中的逃逸氨質量濃度實時在線監(jiān)測，便于系統(tǒng)操作控制。機抽取 2016 年某日上午運行值班的數(shù)據(jù)記錄。
圖 3 SCR反應器
3 運行效果
SCR 系統(tǒng)操作簡單，運行較為穩(wěn)定，表 2 為隨圖 3SCR反應器，由表 2 可見，20%氨水流量為 684 L/h，NH3/NOx摩爾比約 0. 93，原煙氣 NOx質量濃度在 782 ～796 mg / Nm3時，脫硝后可降至 71 ～ 88 mg /Nm3，滿足 環(huán) 保 排 放 及 設 計 要 求。脫 硝 效 率 穩(wěn) 定 在88. 9% ～ 91. 0%，逃逸氨質量濃度僅為 0. 8 ～ 1. 3mg / Nm3，遠小于 HJ562—2010 《火電廠煙氣脫硝工程技術規(guī)范選擇性催化還原法》 中規(guī)定的逃逸氨質量濃度較大允許值 2. 5 mg /Nm3的標準。
表 2 運行數(shù)據(jù)
4 運行經濟性分析
以年運行時間6000 h計，SCR脫硝系統(tǒng)經濟性如表3所示。SCR脫硝運行費用主要包括氨水、電耗、人工及設備折舊，其中氨水費用為301. 9萬元/a，約占總運行費用的66%。電廠增設SCR脫硝裝置，每年電價補貼約300萬元，節(jié)約NOx排污費約172萬元，抵消運行成本，年綜合收益14. 8萬元。經計算，NOx脫除單位成本約3. 2元/kg。若原煙氣NOx質量濃度降低一半，氨水費用每年可節(jié)約150余萬元。因此，對NOx質量濃度不高的燃煤電廠增設脫硝裝置，經濟效益更為顯著。
表 3 運行費用
5 結束語
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輸可能帶來的安全隱患，蒸發(fā)熱源取自鍋爐一次風，蒸氨后隨氨氣進入煙道，沒有額外消耗熱能。高質量濃度NOx的脫除可采取增設脫硝催化劑層數(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機余壓能否滿足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，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，布置在除塵器之后的效率高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。
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