220t/h 煤粉鍋爐高濃度NOx煙氣SCR脫硝工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用 河北思凱淋高濃度煙氣脫硝工程案例
結(jié)合220t/h煤粉鍋爐煙氣SCR脫硝工程實(shí)例，詳細(xì)闡述了氨水貯存及輸送系統(tǒng)、氨水蒸發(fā)系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器等工藝流程及相關(guān)設(shè)備選型選材，分析了系統(tǒng)運(yùn)行效果及其經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，SCR反應(yīng)器進(jìn)口NOx質(zhì)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(dá)88. 9%～91. 0%，逃逸氨質(zhì)量濃度為0. 8～1. 3 mg/Nm3，SCR脫除高質(zhì)量濃度NOx，能夠滿足環(huán)保排放要求，若用于電廠低質(zhì)量濃度NOx的脫除，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可為同類工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞:煤粉鍋爐；SCR脫硝；NH3/ NOx摩爾比；逃逸氨；高質(zhì)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(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NOx質(zhì)量濃度為800mg /Nm3左右，脫硝后需降至100mg/Nm3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 NOx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)停留時間等因素影響較大，適用于 NOx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，煙氣高溫段停留時間較短，脫硝反應(yīng)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(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。
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(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 m3/ 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)壓力增加，短時間內(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 m3/ h，揚(yáng)程 100 m，共 2 臺，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)電動調(diào)節(jié)閥，閥體兩側(cè)設(shè)球閥，同時設(shè)置旁路管道，可實(shí)現(xiàn)電動調(diào)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(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)。
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(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，1 用 1 備，風(fēng)量 3000 Nm3/ 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，自動切斷氨水供給。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，1 用 1 備，泵殼及葉輪均為高分子聚乙烯材質(zhì)。
圖 2 氨水蒸發(fā)系統(tǒng)
2. 3SCR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，NOx與 NH3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 NOx、NH3和 O2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 臺聲波吹灰器，可定時在線清灰。反應(yīng)器進(jìn)出口均設(shè)在線監(jiān)測，對煙氣中的 NOx、顆粒物、氧含量、溫度、壓力、流量等實(shí)時在線監(jiān)測，出口同時設(shè)氨分析儀，對煙氣中的逃逸氨質(zhì)量濃度實(shí)時在線監(jiān)測，便于系統(tǒng)操作控制。機(jī)抽取 2016 年某日上午運(yùn)行值班的數(shù)據(jù)記錄。
圖 3 SCR反應(yīng)器
3 運(yùn)行效果
SCR 系統(tǒng)操作簡單，運(yùn)行較為穩(wěn)定，表 2 為隨圖 3SCR反應(yīng)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(zhì)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(shè) 計(jì) 要 求。脫 硝 效 率 穩(wěn) 定 在88. 9% ～ 91. 0%，逃逸氨質(zhì)量濃度僅為 0. 8 ～ 1. 3mg / Nm3，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)量濃度較大允許值 2. 5 mg /Nm3的標(biāo)準(zhǔn)。
表 2 運(yùn)行數(shù)據(jù)
4 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析
以年運(yùn)行時間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NOx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，NOx脫除單位成本約3. 2元/kg。若原煙氣NOx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NOx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。
表 3 運(yùn)行費(fèi)用
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NOx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，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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