隨著國(guó)家環(huán)保的日益嚴(yán)格，國(guó)華公司提出污染物“近零排放”的要求，為了滿足低負(fù)荷時(shí)氮氧化物排放滿足環(huán)保要求，需要對(duì)現(xiàn)有SCR脫硝進(jìn)行全負(fù)荷SCR脫硝改造。本文首先對(duì)脫硝原理和低負(fù)荷時(shí)SCR脫硝系統(tǒng)由于煙溫低不能投運(yùn)進(jìn)行解釋，接著分別對(duì)SCR脫硝進(jìn)行全負(fù)荷SCR改造的四種方案（增加省煤器煙氣旁路、增加省煤器工質(zhì)旁路、省煤器采取分組布置、低負(fù)荷時(shí)提高給水溫度）進(jìn)行闡述和對(duì)比，給出每種方案的優(yōu)、劣，為全負(fù)荷SCR改造提供依據(jù)。


全負(fù)荷SCR脫硝技術(shù);省煤器煙氣旁路;省煤器工質(zhì)旁路;省煤器分組布置;給水溫度

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源消耗逐年增加，隨之而來環(huán)境問題日益凸顯。國(guó)家對(duì)污染物的排放日趨嚴(yán)格，以氮氧化為為例，2003年國(guó)家排放限值為450mg/m3，到2011年排放限值下降至100mg/m3。國(guó)華公司積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，在各電廠開展“高品質(zhì)綠色發(fā)電計(jì)劃”，要求2017年前現(xiàn)役機(jī)組污染物排放濃度要全部?jī)?yōu)于國(guó)家特別排放標(biāo)準(zhǔn)，平均排放濃度要達(dá)到限值的60%，達(dá)到“近零排放”，其中氮氧化物排放濃度要達(dá)到50mg/m3。

我廠現(xiàn)采用SCR脫硝技術(shù)進(jìn)行脫硝，但現(xiàn)有SCR脫硝技術(shù)在鍋爐低負(fù)荷時(shí)不能投運(yùn)，不能滿足國(guó)華環(huán)保要求，這就需要把現(xiàn)有SCR脫硝改造成全負(fù)荷SCR脫硝。

1 脫硝原理

煙氣中的氮氧化物被氨氣還原成氮?dú)夂退?，氮氧化物被脫除的化學(xué)式為：

4NO + 4NH3 + O2 →4N2 + 6H2O

6NO + 4NH3 →5N2 + 6H2O

2NO2 + 4NH3 + O2 →3N2 + 6H2O

6NO2 + 8NH3 →7N2 + 12H2O

NO + NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2

除上述催化還原反應(yīng)外，當(dāng)溫度等條件改變時(shí)，還可能發(fā)生以下副反應(yīng)：

4NH3 + 3O2 →2N2 + 6H2O

4NH3 + 5O2 →4NO + 6H2O

2NH3 →N2 + 3H2

SO3 + 2NH3 + H2O →(NH4) 2SO4

SO3 + NH3 + H2O →NH4HSO4

SCR反應(yīng)器中的煙氣溫度一般設(shè)計(jì)要求為320℃～420℃之間，因?yàn)楫?dāng)煙氣溫度位于340℃～380℃之間時(shí)，催化劑活性物的活性最高，催化還原反應(yīng)效率最高。省煤器后空預(yù)器前的煙氣溫度正好滿足此區(qū)間，這也是SCR布置于此的原因。

當(dāng)煙氣溫度低于320℃時(shí)，用于反應(yīng)的氨氣會(huì)和煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸銨和硫酸氫銨，此時(shí)銨鹽會(huì)對(duì)催化劑活性物微孔進(jìn)行堵塞和加速對(duì)催化劑的磨損，降低催化劑的活性;對(duì)于火電廠燃煤機(jī)組而言，由于煙氣中飛灰的含量比較高，此時(shí)硫酸氫銨會(huì)在147℃～207℃溫度范圍內(nèi)時(shí)呈現(xiàn)為液態(tài)，液態(tài)的硫酸氫銨是一種“鼻涕狀”粘性、強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)，空預(yù)器冷端的溫度正好在此溫度區(qū)間，硫酸氫銨會(huì)粘附在空預(yù)器的冷端并且會(huì)粘住大量煙氣中的飛灰造成空預(yù)器堵塞，一般脫硝改造時(shí)要同時(shí)改造空預(yù)器，空預(yù)器的冷端一般采用搪瓷組件，搪瓷組件可以有效防止低溫腐蝕，并且搪瓷表面比較順滑，不易粘污其他物質(zhì)，即使粘污也易于吹灰器清掃。

綜上所述，當(dāng)進(jìn)入SCR反應(yīng)器中的煙氣溫度低于320℃時(shí)，SCR脫硝必須退出運(yùn)行，禁止噴氨。當(dāng)溫度高于420℃，特別是煙氣溫度高于450℃時(shí)，副反應(yīng)會(huì)發(fā)生，NH3會(huì)被氧化成NO，造成還原反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行，并且高溫?zé)煔膺€會(huì)對(duì)催化劑造成燒結(jié)，大大降低催化劑的壽命。

2 全負(fù)荷SCR脫硝技術(shù)

SCR反應(yīng)器中的煙氣溫度一般設(shè)計(jì)要求為320℃～420℃之間，這就有一定的局限性，當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，SCR反應(yīng)器中的煙氣溫度很難達(dá)到320℃，這就導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)不能投運(yùn)。但隨著環(huán)保要求的日益提高，需要全天候的脫硝，此時(shí)就需要對(duì)SCR脫硝技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，全負(fù)荷SCR技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

全負(fù)荷SCR脫硝技術(shù)一般分為兩類：(1)催化劑改造為低溫催化劑，使得催化劑能夠滿足低負(fù)荷時(shí)煙氣溫度的運(yùn)行要求。(2)提高進(jìn)入SCR煙氣的溫度，控制機(jī)組在任意負(fù)荷下反應(yīng)器中煙氣溫度均在320℃～420℃之間?，F(xiàn)在低溫催化劑技術(shù)尚在實(shí)驗(yàn)室階段，未能工程應(yīng)用，只能采用低負(fù)荷時(shí)提高煙氣溫度的方法，采取的改造方案主要有以下幾種：(1)增加省煤器煙氣旁路(2)增加省煤器工質(zhì)旁路(3)省煤器采取分組布置(4)低負(fù)荷時(shí)提高給水的溫度。

2.1 增加省煤器煙氣旁路

增加省煤器煙氣旁路技術(shù)主要是采用減少經(jīng)過省煤器用于給水加熱的煙氣，通過旁路直接進(jìn)入SCR裝置的方法，提高進(jìn)入SCR反應(yīng)區(qū)煙氣的溫度。在省煤器旁路煙道出口處設(shè)置旁路煙氣擋板，通過調(diào)節(jié)旁路擋板的開度可以控制直接進(jìn)入SCR反應(yīng)區(qū)的煙氣量，進(jìn)而可以控制煙氣溫度(圖1)。


圖1 增加省煤器煙氣旁路SCR技術(shù)

增加省煤器煙氣旁路帶來的問題如下：(1)由于煙氣從省煤器旁路流走，不能給給水加熱，必然會(huì)降低鍋爐的熱效率(0.5%～1%)，增加煤耗。(2)省煤器旁路煙道擋板經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行可能造成堵灰，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。(3)通過省煤器煙氣旁路進(jìn)入SCR反應(yīng)區(qū)的煙氣會(huì)擾亂煙氣流場(chǎng)，干擾脫硝系統(tǒng)運(yùn)行。(4)由于減少了給水加熱量，要對(duì)鍋爐熱平衡及鍋爐性能進(jìn)行充分計(jì)算后實(shí)施改造。(5)此種改造對(duì)旁路煙道擋板的性能要求較高，如果旁路擋板打開后無(wú)法關(guān)閉，將會(huì)造成高負(fù)荷時(shí)進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度超溫，容易造成催化劑燒結(jié)。

2.2 增加省煤器工質(zhì)旁路

增加省煤器工質(zhì)旁路技術(shù)主要是給通過省煤器換熱的給水增加一旁路，減少給水在省煤器處的換熱，進(jìn)而減少經(jīng)過省煤器時(shí)煙氣的熱損失，最終提高進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度。該方法可以通過調(diào)節(jié)給水旁路調(diào)節(jié)門的開度，調(diào)節(jié)煙氣溫度(圖2)。

 增加省煤器工質(zhì)旁路帶來的問題如下：(1)由于給水的換熱系數(shù)為煙氣換熱系數(shù)的1/83，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煙氣的換熱系數(shù)，通過給水旁路能夠提高進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度，但是效果不明顯，要明顯差于省煤器煙氣旁路。(2)由于進(jìn)入省煤器的給水量減少，會(huì)導(dǎo)致省煤器出口處給水溫度升高，極端情況會(huì)造成省煤器出口處給水氣化，燒壞省煤器。(3)由于省煤器給水旁路的存在，導(dǎo)致給水換熱效果降低，增加排煙熱損失，降低鍋爐的熱效率(0.5%～1.5%)。


圖2 增加省煤器工質(zhì)旁路SCR技術(shù)

2.3 省煤器采取分組布置

省煤器采取分組布置技術(shù)主要是減少原省煤器的換熱面，進(jìn)而減少進(jìn)入SCR反應(yīng)區(qū)前的煙氣熱損失，提高進(jìn)入SCR反應(yīng)區(qū)的煙氣溫度。同時(shí)在SCR后增加二級(jí)省煤器，對(duì)給水進(jìn)一步進(jìn)行加熱(圖3)。

采用此種方法能夠使得空預(yù)器前的煙氣溫度基本保持不變，省煤器出口的給水溫度也能基本保持不變，能夠保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)性，使鍋爐的熱效率基本不變，可以維持鍋爐運(yùn)行方式不變，鍋爐安全性高。

此種方法帶來的問題是改造投資成本高，SCR反應(yīng)區(qū)的煙氣溫度會(huì)整體提升，不具備煙溫調(diào)節(jié)功能，高負(fù)荷時(shí)存在煙氣超溫的風(fēng)險(xiǎn)。


圖3 省煤器采取分組布置SCR技術(shù)

2.4 低負(fù)荷時(shí)提高給水溫度

低負(fù)荷時(shí)提高給水溫度的方法主要是通過提高在進(jìn)入省煤器前給水的溫度以達(dá)到減少給水在省煤器處的吸熱量，從而減少煙氣在省煤器處的熱量損失，最終達(dá)到提高SCR反應(yīng)器中煙氣溫度的目的。提高給水溫度的措施主要有增加單級(jí)低壓省煤器，增加高、低壓旁路省煤器和增加旁路高加(零號(hào)高加)三種措施。

2.4.1 單級(jí)低壓省煤器

增加單級(jí)低壓省煤器技術(shù)就是在空預(yù)器后電除塵前增加一低壓省煤器，利用煙氣余熱加熱給水，提高進(jìn)入省煤器的給水溫度，減少煙氣換熱，提高進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度(圖4)，此種方法不但能夠提高進(jìn)入SCR的煙氣溫度還能通過利用煙氣余熱換熱提高機(jī)組的熱效率，同時(shí)由于降低了進(jìn)入除塵器前的煙氣溫度，增加了除塵器的除塵效果。


圖4 單級(jí)低壓省煤器

2.4.2 高、低壓旁路省煤器

高、低壓旁路省煤器技術(shù)是在單級(jí)低壓省煤器的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，除增加低壓省煤器外，在空預(yù)器處設(shè)置煙氣旁路，增加一高壓省煤器，在不影響空預(yù)器效率的前提下，使部分煙氣流經(jīng)空預(yù)器旁路，利用進(jìn)入旁路的煙氣加熱給水，達(dá)到提升給水溫度的目的(圖5)，此種方法能夠進(jìn)一步增加進(jìn)入SCR的煙氣溫度和機(jī)組的熱效率。


圖5 高、低壓旁路省煤器

2.4.3 旁路高加

旁路高加技術(shù)就是在1號(hào)高加前增加一旁路高加，用高壓缸抽氣加熱給水，一般在低負(fù)荷時(shí)投運(yùn)，可以提升進(jìn)入省煤器的給水溫度，減少給水在省煤器的換熱，提高進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度(圖6)，此種方法不但能夠提高進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度，還能進(jìn)一步提高機(jī)組熱效率(約1%)，減少煤耗。


脫硝技術(shù)圖6 旁路高加

提高給水溫度的方法投資成本高，溫度提升幅度一般，但是能夠提升機(jī)組的熱效率，在保證環(huán)保的同時(shí)能夠節(jié)能，同時(shí)還可以通過高、低壓省煤器，旁路高加的投運(yùn)與否來調(diào)節(jié)進(jìn)入SCR反應(yīng)器的溫度，機(jī)組安全可靠性高。

通過以上闡述，幾種改造均能滿足全負(fù)荷SCR在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的煙氣溫度要求，對(duì)幾種改造方案的對(duì)比如表1所示。

表1 幾種全負(fù)荷SCR改造方案對(duì)比


3 結(jié)論

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，全負(fù)荷脫硝勢(shì)在必行。本文對(duì)SCR脫硝技術(shù)進(jìn)行全負(fù)荷SCR脫硝改造的幾種方案進(jìn)行闡述、比較，給出每種方案的優(yōu)、劣，對(duì)要進(jìn)行全負(fù)荷SCR脫硝改造的機(jī)組提供改造依據(jù)。

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[2]曹麗紅.火電行業(yè)大氣污染集成控制技術(shù)研究[J].環(huán)境保護(hù)，2013，24：58-61.

《科技視界》 作者：蘇暉