SCR脱硝工艺在华能福州电厂一期锅炉脱硝改造工程中的应用

SCR脱硝工艺在华能福州电厂一期锅炉脱硝改造工程中的应用关键词：scr脱硝,设计特点,工程总结作者：张战锋（华能福州电厂，福建长乐350200）关键词：NOx减排；SCR脱硝；设计特点；工程总结摘要：华能福州电厂一期脱硝改造采用选择性催化还原脱硝（SCR）技术，简要介绍了该工程的流程特点、设计参数、设计特点，并对一期工程在设计、施工等方面存在的问题进行了概述。1福州电厂脱硝改造项目简介及设计参数NOx是造成大气污染的主要物质，是导致酸雨形成的主要原因之一，而且在大气环境中受强烈的太阳紫外线照射后，产生以臭氧为主的醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物。这些污染物严重损害人和动物的健康，以及植物的生长【1】。2004年全国NOx排放总量约1600万吨，约70%（768万吨）来自于煤炭的直接燃烧，而我国电力工业又是燃煤大户，因此，火电厂则是NOx最主要的固定排放污染源之一。为控制燃煤火电厂的NOx污染物排放水平，我国于2011年9月颁布了《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》【2】，该标准规定了从2014年7月1日起控制的现有火力发电厂NOx最高允许排放标准。燃煤锅炉的NOx控制主要分为炉内低NOx燃烧技术和炉后烟气脱硝技术两类【3】。炉内低NOx燃烧技术主要通过改变燃烧器的风煤比例，控制燃烧气氛，利用欠氧燃烧生成的HCN与NH3等中间产物来抑制与还原已经生成的NOx。低NOx燃烧技术如采用低NOx燃烧器、空气分级、燃料再燃等方法。烟气脱硝技术方案有选择性催化还原脱硝技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR）及SNCR/SCR混合烟气脱硝技术，选择性催化还原烟气脱硝技术目前在国际上应用最为广泛。日本、欧洲、美国等国家和地区的大多数电厂基本都应用该技术。与其他技术相比，SCR脱硝技术投资大、改造施工难度大，但装置结构简单，技术成熟，脱硝效率高，便于维护，是燃煤机组应用最多的烟气脱硝技术，系统的脱硝效率最高可达到95%【3-4】。1.1项目简介华能福州电厂现有一期机组为2台350MW燃煤发电机组，于1988年建成投产，为日本三菱公司设计制造的CE型、亚临界压力、强制循环、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、四角切园燃烧煤粉炉。为实现新建三期2台660MW机组的环保达标验收，环评要求三期机组同步安装80%效率的SCR脱硝装置，并对一、二期机组中的两台进行脱硝效率不低于70%的脱硝改造。电厂为更好地承担社会责任，计划对一、二期四台锅炉全部进行脱硝改造，2010年已完成一期两台锅炉脱硝改造，将于2012年完成二期两台脱硝改造。本工程采用选择性催化还原（SCR）脱硝技术方案，主要特点为：单锅炉双SCR反应器，高灰型布置方式，即反应器布置在省煤器与空气预热器之间的高含尘区域;在设计煤种及校核煤种、锅炉BMCR、处理100%烟气量条件下，脱硝反应器与还原剂供应系统按照脱硝效率不低于70%设计;设置SCR反应器烟气旁路。催化剂采用蜂窝式，按照“2＋1”模式布置，本期工程安装两层催化剂;全厂一、二、三期六台锅炉的脱硝装置共用一个还原剂制备、储存与供应系统。1.2设计参数福州电厂一二期脱硝改造工程在锅炉燃用设计煤种、锅炉正常负荷范围50~100%BMCR、SCR入口平均NOx浓度600mg/Nm3、烟气入口温度315～420℃的条件下，主要设计参数及性能如下表：福州电厂一二期脱硝工程主要技术参数项目性能要求烟气脱硝方式SCR高灰型布置还原剂液氨每台炉SCR反应器/个2催化剂型式蜂窝脱硝效率70%氨逃逸不大于3µL/L。SO2/SO3转化率小于1%系统阻力（设计煤种，70%效率，两层催化剂）不大于750Pa系统阻力（设计煤种，三层催化剂，化学寿命期末期）不大于1000Pa烟气温降（脱硝系统进出口）不得大于2℃液氨耗量（BMCR工况、烟气中NOx平均含量为600mg/Nm3、单台机组）不大于175kg/h2福州电厂一期SCR脱硝系统的特点2.1SCR钢结构SCR钢结构主要承载反应器本体及其进出口烟道、灰斗等的荷载，其设计要满足柱网布置及荷载要求，并且要考虑到反应器截面的长宽比例及烟气流场特性。由于烟气脱硝改造工程涉及到锅炉原有基础和钢架的荷载变化，因此SCR钢结构的设计尽可能为独立结构，以便尽可能少的将荷载传递到原有锅炉。福州电厂一期锅炉建设初期并未预留脱硝装置空间，炉后的空间相当狭小，并且在设计上还要尽可能避开此空间原有的很多管道、设备及电缆桥架。SCR支架设计在锅炉炉后与电除尘之间的通道两侧，从炉后至电除尘方向共设计3排、12根钢柱。原有炉后与电除尘之间的通道有6.26米，新建3排钢架后，脱硝钢架与原有电除尘进口烟道钢支架交错，通道仅不足4米，并且此区域钢柱显得很杂乱；因此在设计上我们要求考虑将原有电除尘进口烟道支架拆除，将其荷载由脱硝钢架承担。这样设计，炉后区域显得不至于太狭小。2.2SCR本体部分2.2.1SCR反应器反应器设置在省煤器与空预器之间的高含尘段，采用一炉二反应器结构，烟气竖直向下流动，在反应器的进出口均设置灰斗。为减小系统阻力，反应器入口及出口均设置导流板。同时反应器及其进出口烟道要考虑热膨胀的补偿措施，反应器截面尺寸为12m*6.9m。2.2.2SCR反应器旁路福州电厂一二期烟气脱硝技改工程均设置了SCR反应器旁路，设置旁路的优点有：锅炉启停过程保护反应器内部的催化剂。锅炉启停时工况变化较大，一些易于凝结的烟气成分在催化剂表面结露，可造成催化剂堵塞；且低负荷时有投油燃烧，未燃尽的燃油会随烟气进入SCR反应器，这部分油很可能粘附在催化剂表面，粘附后的油大量吸附烟气中的灰尘，造成烟尘在催化剂的微孔中堆积，堵塞催化剂，使反应效率降低。因此在锅炉启停阶段走SCR旁路运行，待锅炉升负荷稳定后、具备脱硝系统投入条件后再走SCR反应器，可以很好的保护催化剂，延长使用寿命。锅炉出现异常运行时可保护催化剂。如省煤器泄露、空预器水洗时，或者其他可能导致催化剂损坏的意外发生时，都可以走旁路运行。方便SCR本体检修。锅炉运行期间，若反应器内部堵灰或其他故障需要检修时，打开旁路挡板，切换至旁路运行，无需停炉。2.2.3吹灰器每台SCR反应器的每层催化剂设置3台声波吹灰器和两台蒸汽吹灰器。3台声波吹灰器，在SCR反应器宽度（6.9米侧）方向布置两台，在长度方向（12m侧）布置一台。声波吹灰介质为锅炉杂用压缩空气，压力为0.6-0.7MPa，声波吹灰器投入顺控自动的情况下，逐一启动每台吹灰器运行，每台每次运行时间为10s。蒸汽吹灰器为伸缩式耙式蒸汽吹灰器，两台均设置在反应器宽度（6.9米侧）方向。吹灰介质从锅炉吹灰蒸汽母管引出，蒸汽参数为：2.5MPa、380℃。2.2.4灰斗输灰系统为使吹灰系统简单、易于操作，灰斗输灰系统控制逻辑的设计理念保持与电厂现有真空输灰系统一致，即以“真空值”控制出灰时间，以电厂的真空风机作为气力除灰系统的动力源，将SCR输灰系统并入电厂现有真空输灰系统。2.2.5脱硝催化剂选用奥地利CERAM公司生产的蜂窝催化剂，主要成分有二氧化钛（TiO2）、五氧化二钒（V2O5）、三氧化钨（WO3）等，化学使用寿命为24000小时。催化剂整体成型，节距为7.4mm；壁厚为0.9mm。催化剂在脱硝系统入口烟气温度315~420℃工况之间的任何工况调整、运行时有良好的适应性，能承受每年最少3次运行温度420℃（每次至少5小时）的考验，而不产生任何损坏。催化剂层数按照2加1布置，本期安装2层，每层安装42个模块，模块之间设计有防止烟气短路的密封系统。2.3还原剂储存和制备系统经组织专家审查，并报经福建省安监等部门审批，福州电厂脱硝系统还原剂采用液氨。其储存与制备系统包括液氨卸料压缩机、液氨储罐、液氨蒸发槽、氨气缓冲槽、废水池及废水泵等设备。氨区的安全设施至关重要，在氨区设置了消防水系统及事故喷淋系统，并且设有氨泄漏监测仪。为检测液氨储存及供应系统的严密性，氨区的液氨储罐、液氨蒸发槽、氨气缓冲槽等处，备有氮气吹扫管线以及氮气减压供应装置，在液氨卸料及检修之前，通过氮气吹扫管线对相应管道进行严格的氮气吹扫置换。福州电厂氨站的设计将一二期改造及三期新建一并考虑，即全厂一二三期共用一个氨站。一二期与三期的氨区设备各一套，并且互为备用。为保证电厂运行更方便、维修更简单，一二期与三期的氨系统进行统一设计，设备厂家、型号等要一致，如一二期与三期各有两个同一厂家、同一型号的100立方米的液氨储罐。氨区的蒸汽、仪用气、工业水等供氨采用母管制，即在氨气缓冲槽出口分别有三根供氨管道至一二三期区域，再分别供给各自的两台炉。2.4氨/烟气喷射与混合系统该系统主要有喷氨格栅、静态混合器、氨气调节阀组等设备。作用是确保氨与空气混合物喷入烟道后，与烟气充分混合，达到烟气中的NH3/NO均匀分布；力求做到以静态混合系统的最小阻力换取最佳的混合效果。因此在设计上要求采用CFD设计作为辅助，以实际物理实体流场模型试验为依据，对喷氨格栅、静态混合器的结构、数量、布置形式进行设计。福州电厂的喷氨格栅设置在SCR进口烟道上升段，每个反应器沿宽度方向设置有12路氨喷射管道，每个管道上设有喷嘴12个，沿烟气方向向上喷射。3对原有机组的改造工作3.1原有烟道改造原锅炉的烟气从省煤器直接进入空预器，而加装脱硝装置后，增加了SCR反应器，改变了烟气走向，必须对烟道系统改造。福州电厂脱硝系统设有旁路，因此，烟气系统的改造主要为：在省煤器出口引出SCR进口烟道并安装烟气进口挡板，在空预器进口引出SCR出口烟道并安装烟气挡板，将原有空预器进口二次风挡板割除替换为脱硝旁路挡板。烟道系统改造工期约35天.。3.2原锅炉钢架校核加固由于SCR反应器的进出口烟道必须穿越锅炉J1排钢架，因此锅炉J1排钢架在反应器进出口烟道的位置必须进行拆除、改动；同时SCR反应器进出口烟道与锅炉省煤器、空预器相连，一定有部分荷载传递到锅炉钢架，所以必须对原锅炉钢架进行校核验算，以确定原锅炉钢架的加固形式及原锅炉钢架基础是否需加固。福州电厂一期锅炉原厂家为日本三菱，锅炉钢架加固工作委托与日本三菱合作的哈尔滨锅炉厂进行。经哈锅厂验算，锅炉钢架加固主要采用在原有钢梁、立柱、斜撑贴焊钢板的形式进行，每台炉加固量约70吨。加固工作在停炉期间进行，加固前先对锅炉钢架上原有的管道、动力及控制电缆进行改道，总加固工期约35天。3.3空预器改造为防止因增加脱硝系统在空预器入口产生的NH4HSO4对空预器冷段受热面的粘污、堵塞，需要对空预器受热面型式与材质进行适当改造。按照西安热工院提交的福州电厂一二期脱硝改造可研报告，福州电厂一期两台炉的空预器采用整体更换方案。空预器冷端受热面采用碳钢镀搪瓷的型式，因此对换热效果造成影响，经西安热工院核算，空预器直径由28号改为29号。整体更换在投入100名施工人员的情况下，工期约50天。3.4引风机改造由于增加脱硝装置，锅炉烟气系统阻力增加，需要增加引风机的压头。阻力的增加爱主要包括：SCR反应器（主要为催化剂）阻力、SCR反应器进出口烟道阻力、更换空预器后增加的阻力和由于粘污、堵塞使空预器增加的阻力.福州电厂一期在使用三次催化剂的情况下，阻力约增加1000Pa。综合各项因素，经对现有引风机压头余量核算，引风机也采用整体更换方案。整体更换包括风机本体、风机马达、风机基础、检修起吊装置及对起吊钢支架的加固。4工程总结由于脱硝技改工程目前开展的电厂很少，加之脱硝工程公司经验欠缺，因此福州电厂一期脱硝技改工程在设计、建设、调试等过程难免有所不足，主要有：4.1改进部分设计l喷氨格栅采用在反应器进口竖直烟道内沿水平方向单层布置，不利于还原剂在烟道深度方向的均匀分布，应将喷氨格栅改为双层布置。lSCR入口烟气挡板执行机构应设计为中间停止型：福州电厂SCR入口烟气挡板为全开全关型，在脱硝系统投入的操作中，若一次全开，会对空预器传热性能造成很大影响，使空预器出口二次风温急剧下降（#2炉在首次操作中，发现SCR入口挡板在现场手摇开大到30%的情况下，空预器出口二次风温快速下降60度），从