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收稿日期:2007-01-08作者简介:温智勇(1976-),男,工程师,主要从事发电厂锅炉及烟气、脱硝的试验研究工作。烟气脱硝技术在600MW机组的应用ApplicationofFlueGasDenitrificationTechnologyin600MWUnit温智勇,余岳溪WENZhi2yong,YUYue2xi(广东省电力试验研究所,广东广州510600)(GuangdongElectricalPowerTest&ResearchInstitute,Guangzhou,510600,China)摘要:文章分析了降低燃煤电厂烟气中NOx排放的各种技术,并以某电厂5号机组600MW烟气脱硝工程为例,详细介绍了SCR烟气脱硝技术的系统构成,以及SCR烟气脱硝技术在实际运行中应注意的问题。关键词:烟气脱硝技术;SCR;SNCR;NOxAbstract:TechnologiesofreducingNOxemissionfromfluegasincoal2firedpowerplantsisanalyzed.Afluegasdenitrificationprojectin600MWunit#5inacertainplantisdiscussedasanexample.ThesystemstructureofSCRfluegasdenitrificationtechnologyintheprojectisintroduced,andsomeissuesthatshouldbeconsideredintheapplicationandoperationofSCRfluegasdenitrificationtechnologyareproposed.Keywords:fluegasdenitrificationtechnology;SCR;SNCR;NOx中图分类号:TM621.8;TK02文献标识码:A文章编号:1671-8380(2007)03-0018-051引言我国氮氧化物的排放量中近70%来自于煤炭的直接燃烧,而电力工业又是我国的燃煤大户,因此燃煤火力发电厂是NOx排放的主要来源之一。据估计,目前我国燃煤火力发电厂每年的NOx排放量为550万t。为控制燃煤电厂NOx的排放,国家环保总局在2003年12月发布了进一步修订的GB3223-2003《火电厂大气污染物排放标准》。该标准规定,不同时段的火电厂实行NOx最高允许排放浓度。从2004年7月开始,对NOx的排放征收0.60元/kg的排污费。基于上述两点,今后将会有更多的电厂采取一些降低NOx排放的措施,以达到国家的排放标准,同时减少Ox的排污费。2NOx的控制技术目前有关降低NOx的措施有很多,大体上可以分成两大类。一是控制燃烧过程中NOx的生成,即低NOx燃烧技术;二是对生成的NOx进行处理,即烟气脱硝技术。2.1低NOx燃烧技术为了控制燃烧过程中NOx的生成量,可采取的措施有:①降低过量空气系数即氧气浓度,使煤粉在缺氧条件下燃烧;②②降低燃烧温度,防止产生局部高温区;③③缩短烟气在高温区的停留时间等。2.1.1空气分级燃烧技术根据NOx的生成机理,燃烧区的氧浓度对各种类型的NOx的生成浓度均有很大影响。当过量空气系数α1,燃烧区处于“贫氧燃烧”状态时,对于抑制在该区域中NOx的生成量有明显效果。根据这一原理,把供给燃烧区的空气量减少到全部燃烧所需空气量的70%左右,从而降低燃烧区的氧浓度也降低燃烧区的温度。因此,第一级燃烧区的主要作用就是抑制NOx的生成并将燃烧过程推迟。燃烧所需的其余空气则通过燃烧器上面的燃尽风喷口送入炉膛与第一级所产生的烟气混合,完成整个燃烧过程。2.1.2燃料分级燃烧技术该技术的原理是将主燃烧器供入的一次燃料在一级燃烧区形成的NOx在二次燃料的再燃区重新还原成N2。因此其技术关键是在主燃烧器形成的初始燃烧区的上方喷入二次燃料,形成富燃料燃烧的再燃区,NOx进入本区域便被还原脱氧生成N2。改变再燃烧区的燃料与空气之比是控制NOx排放量的关键因素。2.1.3烟气再循环技术该技术是把空气预热器前抽取的温度较低的烟气与燃烧用的空气混合,通过燃烧器送入炉内从而降低燃烧温度和氧的浓度,达到降低NOx生成量的目的。2.1.4低NOx燃烧器技术从NOx的生成机理看,占NOx绝大部分的燃料型NOx是在煤粉着火阶段生成的。因此,通过特殊设计的燃烧器及改变通过燃烧器的风煤比例,使在燃烧器的着火区的燃烧过程达到空气分级、燃料分级或烟气再循环的效果,即尽可能降低着火区的温度和降低着火区的氧的浓度;以最大限度抑制NOx的生成,使燃烧器不仅能保证煤粉着火和燃烧的需要,而且能有效地抑制NOx的生成。2.2烟气脱硝技术2.2.1炉膛喷射法该方法的实质是向炉膛喷射还原性物质,可在一定温度条件下还原已生成的NOx,从而降低NOx的排放量,包括喷水法、喷氨法等。①喷水法反应为:2H2O+4NO2+O2→4HNO3但由于燃烧后,NO占总NOx的近90%,而NO转化成NO2比较困难,须喷入O3或KMnO4,所以利用该方法进行烟气脱硝不现实。②喷氨法(尿素等氨基还原剂):由于氨只和烟气中NOx反应,而一般不和氧反应,这种方法亦称为选择性非催化剂吸收(SNCR)法。SNCR是在无催化剂存在下向锅炉喷入还原剂尿素或氨,将NOx还原成N2和H2O。它的特点是,还原剂(NH3)喷入锅炉折焰角上方水平烟道(900～1100℃),在NH3/NOx摩尔比2～3的情况下,脱硝效率30%～50%。如果脱硝效率达到85%时,NH3的逃逸率太高,达到10mg/m3以上,造成二次污染。在950℃左右的温度范围内,反应式为:4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O但是温度过高时,则可发生逆反应,再次生成NO:4NH3+5O2→4NO+6H2O因此,在SNCR中,温度的控制是至关重要的。2.2.2烟气处理法烟气处理法有气相反应法、液体吸收法、吸附法、液膜法、微生物法等几类。在众多烟气处理技术中,液体吸收法的脱硝效率低,净化效果差;吸附法虽然脱硝效率高,但吸附量小,设备过于庞大,再生频繁,应用也不广泛;液膜法和微生物法是两个新型技术,还有待发展;脉冲电晕法可以同时脱硫脱硝,但如何实现高压脉冲电源的大功率、窄脉冲、长寿命等问题还有待解决;电子束法技术能耗高,并且有待实际工程应用检验;目前脱硝效率高,最为成熟的技术是选择性催化还原法(SCR-SelectiveCatalyticReduction)技术。SCR脱硝的原理是:氮氧化物在催化剂作用下以及一定温度条件(一般为250～450℃)下被氨还原为无害的N2和水,其化学反应式如下:4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O6NO2+8NH3→7N2+12H2O通常情况下,烟气从省煤器出口进入SCR反应器的烟道,在一个恰当的位置与喷入的NH3混合,混合后的NH3和烟气进入装有催化剂的反应器,在催化剂作用下发生上述反应,然后脱硝后的烟气通过空气预热器,从烟囱排出。SCR脱硝系统中的重要组成部分是催化剂,目前国外成熟的催化剂的形式有蜂窝状、波纹状、平板状,各种催化剂活性成分主要为WO3和V2O5。对于SCR工艺,选择的还原剂有尿素、氨水和纯氨。尿素法是先将尿素固体颗粒在容器中完全溶解,然后将溶液用泵送到水解槽中,通过热交换器将溶液加热至反应温度后与水反应生成NH3;氨水法是将约25%氨水溶液通过加热装置使其蒸发,形成NH3和水蒸汽;纯氨法是将液氨在蒸发器中加热成NH3,然后与来自稀释风机的空气混合,将体积含量为5%的NH3混合气体后送入烟气系统。下面以广东省第一台600MW机组的烟气脱硝系统为例,介绍SCR脱硝系统的构成。3SCR烟气脱硝的系统介绍某厂5号机组(600MW机组)SCR烟气脱硝系统的工艺流程示意图如图1所示。脱硝系统的主要设备包括2个装有催化剂的反应器、2个液氨存储罐及1套NH3注入系统。来自存储罐的液氨靠自身的压力进入蒸发器中的热水加热蒸发成NH3。从缓冲罐出来的NH3经由稀释风机来的空气在NH3/空气混合器中混合稀释,通过注入系统被注入到烟气中,被稀释的NH3和烟气充分混合均匀后进入两层催化剂,进而发生化学反应,氮氧化物被还原为无害的N2。图1某厂600MW机组SCR脱硝系统工艺流程示意图3.1SCR反应器及辅助系统SCR反应器及辅助系统是脱硝系统的核心部分,主要由带膨胀节的进出口烟道、导向板、整流装置、灰斗、立式反应器催化剂的方形支撑、注氨格栅、催化剂和吹灰装置组成。2台SCR反应器内部装有两层由丹麦托普索公司提供的型号为DNX-864的催化剂,每层催化剂以8×9布置模块。每个催化剂层上方都安装1个筛网以防止催化剂通道的堵塞。在催化剂模块和反应器墙壁之间及相邻模块之间有密封系统,用来防止旁路烟气围绕在催化剂模块周围。在NH3被注入到烟气后,为了使NH3和烟气更均匀的混合,在每个SCR反应器的入口烟道安装了1套静态混合器,该混合器由6个托普索公司研制的“星型”混合器板子组成,图2所示为静态混合器的俯视图。图2星型混合器俯视图在SCR反应器和烟道中,为了使烟气维持充分的速度以防止飞灰沉降,同时使烟气的速度、温度和NH3分布均匀,在烟道内拐弯处要安装适当的导向板和整流装置。为了防止催化剂表面积灰堵塞,在每层催化剂上面安装有4支由克莱德公司提供的往复式蒸汽吹灰器。在每个SCR反应器下面有3个灰斗,靠自重下来的飞灰沉积在灰斗,然后通过干除灰输送系统输送至粗灰库。3.2液氨卸载和存储系统液氨卸载和存储系统用于把液氨从槽车上卸载下来,并存储在液氨存储罐内。系统由2台卸料压缩机、2个储氨罐、1个废氨稀释罐、NH3泄漏检测仪和报警系统等组成。每个氨罐的实际储存容量为79m3,满足锅炉BM2CR工况下10d纯氨的消耗量,储氨罐上部至少需要留有全部容量的15%作为气化空间。2套储氨罐互相连接,任一罐都可以提供脱硝系统所需的NH3。2台100%的卸料压缩机用来把液氨从槽车输送到储氨罐内,卸氨时1台运行1台备用。利用卸料压缩机,也可以把液氨从一个液氨存储罐输送到另一个液氨存储罐。废氨稀释槽用于把氨存储和蒸发系统内排出和泄漏的NH3进行稀释,罐内的稀释水定期更换排至废水池,然后由废水泵打至厂内的污水处理系统进行净化处理。3.3注氨系统注氨系统包括液氨蒸发槽、NH3缓冲罐、稀释风机、NH3控制阀、NH3/空气混合器、注氨格栅以及相应的辅助设施。液氨靠自身的压力从储氨罐输送到蒸发槽,液氨在蒸发槽中被热水加热蒸发而成NH3,然后NH3进入缓冲罐;从缓冲罐出来的NH3经过控制流量的控制阀后进入NH3/空气混合器。NH3在此与由稀释风机过来的空气混合,稀释后的NH3浓度降低至一个安全浓度,然后经过注氨格栅注入SCR入口的烟气中。液氨蒸发器和缓冲罐设计压力是2.22MPa,蒸发器里有汽水分离器、温度控制器、蒸汽控制阀及高—低温报警器、安全阀等一些辅助设施。积压器备有压力和温度仪表、安全阀、压力调节阀。2台100%的稀释风机布置在注氨格栅附近,正常时1台运行1台备用,稀释风机入口有空气过滤器和消音器。稀释风机出来的空气主要是供给NH3稀释到浓度5%以下,另外有一小部分供给SCR系统的蒸汽吹灰器作密封用。每台反应器入口有10套注氨格栅,每套格栅前都有1个手动截止门和1个流量指示器。注氨格栅和喷嘴是单独对应的,其喷嘴间隔均匀地分布在烟道截面内。为了使NH3和空气均匀混合,NH3的注入方向和烟气流动方向一致。3.4安全辅助设施由于液氨和NH3均是危险的化学制品,在液氨卸载和存储系统、注氨系统均配置一些安全辅助设施。在整个氨存储和制备区域安装有喷淋系统,水源来自消防水。在氨存储区域和NH3制备区域分别安装有2个氨泄漏检测仪。当任何一个NH3泄漏检测仪检测到的NH3浓度超过设定值时,将会发出报警信号,并启动对应区域的喷淋水。如果液氨存储罐的压力或者温度超过设定的高限值时,液氨存储区域的喷淋水也会自动启动,对液氨存储罐进行冷却、降压,使存储罐恢复至安全的运行状态。在氨存储和制备区域还安装有1套N2吹扫