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电厂锅炉SCR烟气脱硝系统设计优化陈太贵

发表时间：2021/8/4 来源：《基层建设》2021年第14期作者：陈太贵

[导读] 随着国家环境保护和节能减排工作力度的不断加大，鉴于氮氧化物对大气环境的不利影响以及目前氮氧化物排放控制的严峻形势

        四川广安发电有限责任公司四川广安   638000
        摘要：随着国家环境保护和节能减排工作力度的不断加大，鉴于氮氧化物对大气环境的不利影响以及目前氮氧化物排放控制的严峻形势，电厂企业自备电厂现有锅炉建设烟气脱硝设施势在必行。
        关键词：电厂锅炉；SCR烟气；脱硝

        1 锅炉运行现状
        由于全厂蒸汽负荷不高且外界负荷多变，3台锅炉运行时整体负荷不高，平均负荷约80%，炉膛温度在800～1 100 ℃波动。该自备电站1、2号锅炉为油气混烧锅炉，燃料为乙烯装置产生的焦油和全厂的燃料气(气态烃类和天然气的混合气)。锅炉运行时烟气NOx排放质量浓度最大值达到295.50 mg/m3，超出了100 mg/m3的排放限值要求。
        2 脱硝技术路线
        2.1 脱硝性能要求
        根据1、2号锅炉原设计条件、现燃料组分特点和烟气监测结果，1、2号锅炉脱硝设施按照376 200 m3/h(单台，干基，3%O2)，烟气进脱硝反应器温度350～380 ℃，压力-500 Pa设计，烟气中NOx、SO2、粉尘质量浓度分别按300、30、15 mg/m3选用脱硝设施，操作弹性满足锅炉40%～100%BMCR负荷下，烟气净化后NOx质量浓度≤50 mg/m3、氨逃逸率<3.0×10-6、总脱硝效率≥84%的要求，烟气排放满足GB 13223—2011中的以燃油或燃气为燃料时NOx排放质量浓度≤100 mg/m3的指标。
        2.2 脱硝工艺选择
        燃烧产生的氮氧化物主要来自两个方面：一是燃烧时空气中带进来的氮，称为“热力型NOx”;二是来自燃料中固有的氮化合物，称为“燃料型NOx”。根据NOx的形成特点，分成燃烧前、燃烧中和燃烧后等3类处理。燃烧后脱氮主要指烟气脱硝技术，一种是还原技术，另一种是氧化技术。按照NOx排放浓度、排放量满足国家环保排放标准的要求，在符合企业清洁生产的情况下，结合锅炉实际运行工况，经过比选后，采用选择性催化还原法(SCR)脱硝工艺技术，该技术脱硝效率最高可达90%，具有工艺技术成熟、运行可靠、适应性强、应用广泛等特点，其中催化剂的生产和关键设备的制造已经实现国产化。
        2.3 脱硝影响因素分析
        (1)温度对催化反应过程的影响。
        SCR脱硝工艺有一个催化反应的最佳温度，直接影响反应进行的程度。温度升高，NOx还原反应速度加快，NOx脱除效率上升；但随着温度的升高，NH3开始发生氧化反应生成NOx，使NOx脱除效率下降。如果反应温度太低，催化剂的活性下降，脱硝效率也会随之降低，同时也增加了催化剂永久性失效的风险。
        (2)烟气流速对催化剂性能的影响。
        烟气流速是SCR脱硝工艺中一个重要的过程参数，它是标准状态下的湿烟气体积流量与装填催化剂体积的比值，反映了烟气在SCR反应器中停留的时间。一般烟气的脱硝效率会随着停留时间的增加而上升，反之亦然。
        3 脱硝改造方案
        3.1 脱硝工艺组成
        SCR脱硝工艺系统由还原剂储存系统、喷氨系统、SCR反应器系统、监测控制系统等组成。其中，还原剂储存采用液氨气化方式，主要设备包括液氨储罐、液氨蒸发槽、卸氨压缩机及氨输送管道等，同时配有氮气吹扫系统，如表3所示。喷氨系统是SCR反应器的重要组成部分，其作用是实现还原剂NH3和烟气中NOx的充分混合，SCR反应器操作温度在300～400 ℃。

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        表3 主要设备选型

        3.2 催化剂选型
        催化剂技术参数如表4所示。反应器采用高温催化剂，左右各一组，层数按“2+1”(其中1层为备用层)设计，烟气垂直向下通过催化剂模块层。同时针对该自备电站锅炉特点，催化剂采用了多孔蜂窝式、模块化、标准化设计，各层模块规格统一，具有互换性和能防止烟气短路的密封系统。催化剂的投资约占整个投资的30%～40%。
        3.3 SCR反应器布置
        SCR 反应器主要包括氨喷射格栅、静态混合器、两层催化剂、蒸汽吹灰器及内部支撑结构等。电厂SCR反应器大多安装在锅炉省煤器与空气预热器之间，因为此区间的烟气温度为 300～400 ℃，刚好适合SCR脱硝还原反应，氨则喷射于省煤器与SCR反应器之间烟道内的适当位置，使其与烟气混合后在反应器内与NOx反应。而该自备电站锅炉在实际运行状况下，烟气在经过省煤器后温度已经降至300 ℃以下，不能满足SCR工艺技术要求。
        3.4 烟气监测和控制
        (1)烟气监测分析。
        烟气连续监测装置采用直接抽取法原理的测量仪表，测量系统由取样、检测、校准标定、数据采集等部分构成，完成对进入和排出反应器的NOx、O2以及NH3逃逸的测量，测量结果送至DCS系统用于反应器的监视和控制。
        (2)反应器氨气流量的控制。
        烟气脱硝氨气流量控制系统利用固定的NH3与NOx物质的量之比来提供所需要的氨气流量，反应器进口的NOx质量浓度乘以烟气流量得到NOx信号，该信号乘以一定的NH3与NOx物质的量之比得到基本氨气流量信号，此信号作为给定值输入DCS系统与实测的氨气流量信号比较，由DCS系统经运算后发出调节信号，控制反应器进口氨气流量。
        (3)泄漏检测与报警联锁。
        氨气在空气中的爆炸极限为16%～25%(体积分数)，同时也是一种无色、具有强烈刺激性臭味的有毒气体。在SCR反应区和液氨储存区均设置了氨气泄漏检测器，采用独立的DCS系统控制节点进行数据采集，当氨气检测报警器发生报警时，操作人员立即切断氨气供应系统。
        结论
        (1)当锅炉运行负荷低时，进入空气预热器的烟气温度较低，容易在催化剂上发生副反应，生成硫酸铵或硫酸氢铵，堵塞催化剂的通道和微孔，降低催化剂的活性，同时也易吸附到下级省煤器、空预器表面，造成换热器的堵塞。因此，需加强运行管理以延长催化剂的使用寿命，同时需加强对氨气逃逸率的控制，以保证设备设施长期、稳定、高效地运行。
        (2)定期开展维护、保养、校验与检修工作，定期检查整个系统是否存在泄漏，特别是涉及到氨气的设备和管道，如有泄漏应及时处理。重点监视反应器进出口压降、空气预热器进出口压降、反应器出口各烟气分析仪、液氨存储罐的压力和温度等重点参数，若发现异常应及时分析原因并排除隐患。
        参考文献
        [1]庄建华.SCR 烟气脱硝技术的应用[J].发电设备，2010，2(1):142-145.
        [2]黄荣捷.SCR 烟气脱硝工艺的设计特点[J].中国环保产业，2008(2):53-55.
        [3]张道军，马子然，孙琦，等.选择催化还原(SCR)反应机理研究进展[J].化工进展，2019，38(4):1611-1622.