蓋東飛，張力，張雷，盧偉

(1．山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013;2．華能濟(jì)南黃臺發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

火力發(fā)電廠大氣污染物排放對環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，如何降低SO2，NOx以及煙塵等污染物的排放是電力工業(yè)的重要責(zé)任和義務(wù)。燃煤電廠SO2的排放約占我國SO2總排放量的60%，NOx的排放約占我國NOx總排放量的45%。通過不斷引進(jìn)國外脫硫技術(shù)，我國已基本掌握了各種煙氣脫硫技術(shù)，煙氣脫硝技術(shù)作為火電廠氮氧化物減排的重要措施已成為各級電力企業(yè)及環(huán)保企業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。在GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中已明確規(guī)定:第3時(shí)段火力發(fā)電廠鍋爐須預(yù)留煙氣脫除氮氧化物裝置空間，對于干燥無灰基揮發(fā)分高于20%的煙煤、褐煤鍋爐而言，NOx最高允許排放質(zhì)量濃度為450 mg/m3，對于干燥無灰基揮發(fā)分高于10%且低于20%的貧煤及無煙煤鍋爐而言，NOx最高允許排放質(zhì)量濃度為650mg/m3。2004年1月1日之后審批的項(xiàng)目均要求根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相應(yīng)的煙氣脫硝裝置，之前未設(shè)置脫硝裝置的燃煤機(jī)組也陸續(xù)進(jìn)行脫硝改造。

控制NOx排放的技術(shù)可分為一次措施和二次措施。一次措施是指控制燃燒過程中NOx的生成，即低氮燃燒技術(shù)，主要包括空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)、低NOx燃燒器和低過量空氣系數(shù)等技術(shù)。二次措施是對生成的NOx進(jìn)行化學(xué)處理，即煙氣脫硝技術(shù)，主要有選擇性非催化還原(SNCR)法、選擇性催化還原(SCR)法、電子束排煙處理(EBA)法、脈沖電暈等離子(PPCP)法、微生物法等脫硝方法。火電廠NOx排放控制一般采取一次、二次措施并用方式，SCR法是目前應(yīng)用最為成熟和廣泛的脫硝技術(shù)。

1 SCR煙氣脫硝技術(shù)

采用低NOx燃燒技術(shù)是降低燃煤鍋爐NOx排放量最主要也是比較經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施，但是通常低NOx燃燒技術(shù)只能將NOx的排放量降低30%～50%，要進(jìn)一步降低NOx的排放量，必須采用煙氣脫硝技術(shù)。SCR法煙氣脫硝技術(shù)是美國Eegelhard公司的發(fā)明專利，該技術(shù)于1959年提出，于1972年在日本開始正式研究和開發(fā)并于1978年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。經(jīng)過20多年的發(fā)展和完善，SCR法煙氣脫硝技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為工業(yè)應(yīng)用最廣的一種煙氣脫硝技術(shù)，脫硝效率可高達(dá)90%以上。

SCR煙氣脫硝技術(shù)是在總結(jié)SNCR脫硝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其反應(yīng)原理是利用NH3或尿素等氨基還原劑與NOx進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在適宜的溫度下可選擇性地還原煙氣中的NOx。在無催化劑的情況下，NOx的還原反應(yīng)只能發(fā)生在一特定的溫度范圍內(nèi)。以NH3為還原劑時(shí)，最佳反應(yīng)溫度為870～1100℃;以尿素為還原劑時(shí)，最佳反應(yīng)溫度為900～1150℃。溫度過低，反應(yīng)速度慢，還原劑反應(yīng)不完全造成泄漏;溫度過高，還原劑被氧化反而生成更多的NOx。通過選擇合適的催化劑，反應(yīng)溫度可以大大降低，還原反應(yīng)的窗口溫度可擴(kuò)展到電廠適宜工況下的290～430℃。選擇合適的催化劑形式及控制適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度是SCR法煙氣脫硝技術(shù)的關(guān)鍵。

2 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)方案

SCR煙氣脫硝典型工藝流程如圖1所示。

工藝系統(tǒng)包括帶催化劑的SCR反應(yīng)系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、氨儲備系統(tǒng)、氨蒸發(fā)系統(tǒng)以及催化劑吹灰系統(tǒng)等子工藝系統(tǒng)。液氨槽車運(yùn)到氨儲存區(qū)后，通過卸氨壓縮機(jī)送入液氨儲罐，再經(jīng)過蒸發(fā)槽蒸發(fā)為氨氣。氨氣通過氨緩沖槽和輸送管道進(jìn)入鍋爐區(qū)，在混合器內(nèi)同混合氣體混合，以保證氨的體積分?jǐn)?shù)不大于5%，最終通過噴氨格柵(AIG)與煙氣均勻分布混合，由分布導(dǎo)閥進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi)部，在催化劑層發(fā)生反應(yīng)。在催化劑的作用下，將煙氣中的NOx還原成N2和H2O。

圖1 SCR煙氣脫硝典型工藝流程

SCR反應(yīng)器采用高粉塵布置方式，SCR反應(yīng)器布置在省煤器之后空氣預(yù)熱器之前的煙道上。SCR反應(yīng)器布置如圖2所示。

圖2 SCR反應(yīng)器布置圖

空氣預(yù)熱器采用不拉出布置方式，脫硝裝置布置在空氣預(yù)熱器上方的支撐鋼框架內(nèi)。反應(yīng)器設(shè)計(jì)成煙氣豎直向下流動(dòng)的方式，反應(yīng)器入口設(shè)氣流均布裝置，反應(yīng)器入口及出口段設(shè)導(dǎo)流板，對反應(yīng)器內(nèi)部易磨損的部位應(yīng)采取防磨措施。反應(yīng)器內(nèi)部各類加強(qiáng)板、支架設(shè)計(jì)成不易積灰的形式，同時(shí)考慮熱膨脹的補(bǔ)償措施。此種布置方式可使多數(shù)催化劑在此溫度范圍內(nèi)有足夠的活性，煙氣不需要另外加熱即可獲得良好的凈化效果。

3 SCR煙氣脫硝儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在煙氣脫硝系統(tǒng)中，保證系統(tǒng)高效率運(yùn)行的同時(shí)，還應(yīng)保證運(yùn)行的安全性和維護(hù)的便利性。保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行最重要的參數(shù)是SCR的反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、NH3/NOx摩爾比、煙氣流速、O2質(zhì)量濃度、NH3的溢出質(zhì)量濃度、SO3質(zhì)量濃度、壓力損失和蒸汽質(zhì)量濃度等，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮減輕對鍋爐及輔機(jī)的影響。

控制系統(tǒng)包括SCR反應(yīng)區(qū)控制和氨區(qū)控制2部分。由于SCR反應(yīng)器安裝在鍋爐本體上，對煙氣的處理影響鍋爐運(yùn)行，在工程中SCR反應(yīng)區(qū)的監(jiān)控納入主體分散控制系統(tǒng)(DCS)，設(shè)置單獨(dú)的遠(yuǎn)程I/O柜，通過冗余數(shù)據(jù)通信到主體DCS。氨區(qū)由于對安全性要求比較高，一般設(shè)置在比較偏僻的區(qū)域，由于對主體發(fā)電系統(tǒng)影響比較小，一般采用可編程邏輯控制器(PLC)現(xiàn)場控制，引入輔網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控，重要信號通過硬接線接入主體DCS。

SCR煙氣脫硝監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)子監(jiān)控系統(tǒng)組成:

(1)氨儲存及液氨推進(jìn)系統(tǒng)。液氨槽車運(yùn)送到氨區(qū)現(xiàn)場后與液氨儲罐進(jìn)行連接，卸料壓縮機(jī)抽取液氨儲罐中的氨氣，壓縮輸進(jìn)液氨槽車，將槽車中的液氨壓進(jìn)液氨儲罐。在外界溫度足夠高時(shí)，液氨儲罐中的液氨可自行流進(jìn)液氨蒸發(fā)器;當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，啟動(dòng)液氨泵將液氨輸送至液氨蒸發(fā)器。

卸料壓縮機(jī)、液氨泵、液氨儲罐均設(shè)置必要的壓力監(jiān)視點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置計(jì)量用流量變送器，液氨泵的啟、停可與液氨儲罐內(nèi)壓力及液位聯(lián)鎖。

(2)液氨蒸發(fā)及供給系統(tǒng)。液氨蒸發(fā)及供給系統(tǒng)包括蒸汽加熱、液氨蒸發(fā)、氣氨緩沖罐及氣氨混合系統(tǒng)。液氨蒸發(fā)通常采用熱水直接加熱。蒸汽送入水池中，通過蒸汽管道上的調(diào)節(jié)閥控制水池水溫，通過水池入口的調(diào)節(jié)閥控制蒸發(fā)器水池的液位。液氨蒸發(fā)器的蒸發(fā)量是由液氨蒸發(fā)器蒸汽入口流量調(diào)節(jié)閥控制，液氨蒸發(fā)器需保持一定的液氨儲量，液氨儲量由液氨蒸發(fā)器入口調(diào)閥控制。通過協(xié)調(diào)控制液氨蒸發(fā)器入口調(diào)閥及液氨蒸發(fā)器蒸汽入口流量調(diào)閥的開度，可以調(diào)節(jié)液氨蒸發(fā)器出口的溫度、壓力和流量，滿足SCR反應(yīng)區(qū)對還原劑的要求。

氨氣與空氣混合的爆炸極限是氨氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)15%～28%，在實(shí)際工程應(yīng)用中，氣氨混合既要保證氨氣的體積分?jǐn)?shù)低于爆炸下限，也要保證混合均勻，通過調(diào)節(jié)氨蒸發(fā)量和稀釋風(fēng)機(jī)風(fēng)量，保證混合氣體中氨氣的體積分?jǐn)?shù)小于3%。

氨氣流量和出口NOx質(zhì)量濃度的控制是通過修正NH3/NOx摩爾比實(shí)現(xiàn)的，其摩爾比修正回路如圖3所示。

圖3 NH3/NO x摩爾比修正回路

出口實(shí)測NOx質(zhì)量濃度通過PID1控制回路修正PID參數(shù)，同時(shí)引入進(jìn)口實(shí)測的NOx質(zhì)量濃度前饋控制進(jìn)行校正，函數(shù) f1(x)是脫硝效率與NH3/NOx摩爾比的函數(shù)。

通過跟蹤SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度，實(shí)時(shí)獲得修正后的NH3/NOx摩爾比，即可確定實(shí)際需要的NH3流量，控制回路如圖4所示。

圖4 SCR反應(yīng)器入口NH3流量控制回路

在流量控制回路中引入了鍋爐負(fù)荷變動(dòng)引起的NOx流量及濃度的變化對NH3流量的影響的前饋控制回路，函數(shù)f2(x)是鍋爐負(fù)荷變動(dòng)對NH3流量的影響函數(shù)。

通過監(jiān)測SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度、煙氣量、NOx質(zhì)量濃度，控制SCR入口噴氨調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)節(jié)NH3的噴入量及噴入時(shí)間，加入出口NOx質(zhì)量濃度反饋調(diào)節(jié)即可控制SCR脫硝過程。

(3)氨噴射系統(tǒng)。氨噴射系統(tǒng)是將氣氨混合氣體噴入SCR反應(yīng)器中，由于進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣流場存在差異，工程應(yīng)用中多采用噴氨格柵形式將煙道分成若干區(qū)域，設(shè)置若干的氣氨噴嘴，不同的區(qū)域根據(jù)煙氣和NOx質(zhì)量濃度的不同設(shè)置不同的噴氨量，系統(tǒng)設(shè)有噴氨壓力、溫度及流量監(jiān)測?？刂葡到y(tǒng)需設(shè)置SCR反應(yīng)器出、入口的NOx，O2質(zhì)量濃度，作脫硝反應(yīng)調(diào)節(jié)用;同時(shí)，監(jiān)測SCR出口煙氣的壓力、溫度以及氨逃逸量。

(4)吹灰控制系統(tǒng)。為防止灰塵在催化劑上堆積引起催化劑中毒而降低催化效率，在每層催化劑(包括備用層)均設(shè)置吹灰器，吹灰器形式包括聲波吹灰器和耙式蒸汽吹灰器。

根據(jù)機(jī)組容量的不同，每層催化劑設(shè)置不同數(shù)量的聲波吹灰器以及蒸汽吹灰器。吹灰器能將催化劑中的集灰盡可能多地吹掃干凈，盡可能避免因存在灰塵死角而造成催化劑失效，最終導(dǎo)致脫硝效率下降。

每個(gè)反應(yīng)器從最上層開始吹掃，每層吹灰器同時(shí)動(dòng)作，每臺反應(yīng)器聲波吹灰的1個(gè)吹掃周期約40s，一般每隔10 s啟動(dòng)1次;蒸汽吹灰的1個(gè)吹掃周期約1200 s，一般每天啟動(dòng)2次。在SCR停運(yùn)及停爐期間，為防止堆灰影響催化劑壽命，應(yīng)對催化劑進(jìn)行徹底吹灰;在鍋爐點(diǎn)火期間，為防止未燃盡煤粉在催化劑表面發(fā)生二次燃燒，應(yīng)加強(qiáng)吹灰器的投入。

吹灰系統(tǒng)設(shè)置了壓縮空氣及蒸汽壓力監(jiān)測。

(5)其他監(jiān)控系統(tǒng)。氨、氣氨混合物是有毒的易燃易爆氣體，對儲存、運(yùn)輸環(huán)境要求比較嚴(yán)格，在液氨槽車、液氨儲罐、氣氨緩沖罐、SCR反應(yīng)區(qū)等處設(shè)置了閉路電視用于監(jiān)視，通過監(jiān)測氨氣泄漏量可聯(lián)鎖啟動(dòng)泡沫消防裝置，提前進(jìn)行安全報(bào)警和火災(zāi)報(bào)警，將消防控制納入主廠房火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

SCR煙氣脫硝技術(shù)經(jīng)過短短幾年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的工藝系統(tǒng)，既包括氨的制備、存儲、反應(yīng)等工藝流程，也包括環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報(bào)警及消防控制等輔助系統(tǒng)。SCR煙氣脫硝技術(shù)既有普通控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)，又有自己的特性;氨區(qū)及反應(yīng)區(qū)的正常啟/停、故障啟/停、自動(dòng)/手動(dòng)操作等運(yùn)行必須考慮到氨的毒性及氣氨混合物的爆炸特性，氨區(qū)的儀表、設(shè)備及控制系統(tǒng)均應(yīng)滿足防爆要求。氨區(qū)和SCR區(qū)間隔較遠(yuǎn)，各個(gè)系統(tǒng)既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，整套工藝既可以分解為每個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又與整套工藝的控制邏輯緊密聯(lián)系，控制系統(tǒng)設(shè)置須全面考慮才能提高整個(gè)工藝系統(tǒng)運(yùn)行效率，保證系統(tǒng)安全。

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