600MW锅炉烟气脱硝SCR系统工艺及运行分析

1600MW锅炉烟气脱硝SCR系统工艺及运行分析陈山1高翔1姜烨1毛剑宏1曹志勇2骆仲泱1岑可法1（1浙江大学热能工程研究所;2浙江省电力试验研究院）摘要：详细介绍了某电厂600MW锅炉烟气脱硝SCR技术的系统和工艺特点，并对系统的运行状况进行了分析，同时研究了关于其系统优化运行的方法。关键词：选择性催化还原(SCR);NOx；600MW锅炉；脱硝效率；氨逃逸；TheTechnologyandtheOperationalAnalysisofSelectedCatalystNOxReductionof600MWBoilerChenShan1,GaoXiang1,JiangYe1,CaoZhiyong2,MaoJianhong1,LuoZhongyang1,ChenKefa1(1.TheInstituteforThermalPowerEngineering(ITPE)ofZhejiangUniversity;2.ZhejiangElectricPowerTest&ResearchInstitute)Abstract：ThispapergivesanintroductionofthetechnologyfeaturesofSelectedCatalystNOxReductionof600MWBoiler,analysestheoperatingmodeofthissystemandinvestigatestheoptimizeoftheoperationofSCRsystemKeywords：Selectedcatalystreduction；NOx；600MWBoiler；NOxRemoval；Ammoniaslip；前言NOx不仅是酸雨形成的主要原因,而且可与碳氢化物等反应形成光化学烟雾，同时其对动植物生长还有很多负面影响[1][2]。世界各国对燃煤电厂烟气、汽车尾气中的NOx含量制定了严格的排放标准。越来越多的NOx排放的技术被应用于燃煤电厂的烟气处理工艺中，其中SCR技术由于其很高的脱硝率和较好的经济性而被国外很多的电厂所采用。我国的环保形势日益严峻，到2004年为止，全国氮氧化物排放总量达到1600万吨左右，其中火电厂排放量约占一半[3]。随着我国环保法规的日益严格，执法力度的加严，我国已开始逐步在大型燃煤电厂安装SCR脱硝装置。目前，福建后石电厂[4]、厦门嵩屿电厂和浙江宁海电厂的SCR脱硝装置已投入运行。对SCR反应器的优化研究一般借助物理流动模型、数值模型来完成的，然而，对SCR反应器的物理模拟和数值模拟不能完全解决SCR技术发展中所遇到的所有问题，同时影响SCR系统的因素多（烟气条件、环保要求、排烟条件、FGD装置、空气预热器、ESP等设备），投资大，运行成本高，因此，对SCR系统进行现场性能分析研究对于SCR系统内流体流动、传质传热、节能降耗具有重要的意义。1.SCR系统介绍SCR烟气脱硝工艺系统主要由反应系统、氨喷射系统、氨储存系统、SCR控制系统和烟道系统组成。1.1.反应系统21.1.1.反应器锅炉配有A、B两个反应器。反应器为固定床、与烟气平行通道、垂直向下布置的形式。除了已有的催化剂，在脱硝效率下降到要求值前，将安装附加层催化剂。添加之后，可利用初始催化剂的活性，提高脱硝效率，延长催化剂的使用寿命。反应器支撑在底部钢架上，包括外壳和内部催化剂支撑结构，能耐内压、地震荷载、风载、催化剂荷载和热应力。反应器外壳有保温，能支撑整个荷重，并且是密闭的。内部催化剂支撑结构直接支撑催化剂。反应器外壳用钢板制作，外用梁进行结构加强和支撑。在催化剂底部装有密封装置，以防未处理的烟气泄漏。1.1.2.催化剂反应器中有两个催化剂层。催化剂由1mm厚、间距为7mm的催化剂元件组成。催化剂元件包含支撑板，在其上涂有表面有活性催化剂成分的二氧化钛载体。烟气平行通过催化剂，使压损最小化。催化剂具体设计参数如表1：表1催化剂设计参数项目单位数据项目单位数据层数2活性温度℃296～450间距7mm间距基材不锈钢活性物质TiO2、V2O5等.烟气流速m/s6体积m32×301.1m3/反应器重量t2×175t/反应器1.1.3.吹灰系统为了防止烟气的飞灰在催化剂上沉积，堵塞催化剂孔道，在每层催化剂上安装了4个声波吹灰器，吹灰介质为压缩空气。为了防止烟气的大颗粒飞灰在催化剂反应系统集聚，在反应器进口烟道底部安装了1个灰斗，同时有4个压缩空气喷嘴，可以将进口烟道内的飞灰吹入灰斗。反应器底部安装有3个灰斗，用来收集反应器内部的飞灰。1.2.氨喷射系统图1氨喷射系统本SCR工艺的氨喷射系统包括：稀释风机、静态(氨/空气)混合器、供应支管和喷射格栅（AIG）。在锅炉钢架中装有两台100%稀释风机为氨和空气混合气3源。风机型式为带有消音装置的罗茨风机，单台空气混合风机的流量为10500m3/h。氨气/空气混合器内设隔板，使得经过压力和流量调整后的氨气与空气能在混合器内充分的混合，把氨稀释成重量比小于5%的混合气。每个供应管道上都装有手动节流阀和流量孔板，通过调节可获得氨气在烟气中更均匀的分布。根据烟道中烟气取样分析得出NH3和NOx的分布值，据此来调节节流阀。氨喷射格栅安装在反应器前的竖直烟道中。氨喷射格栅包括格栅管和喷嘴。1.3.氨储存系统如图2，液氨的供应由液氨槽车运送，利用液氨卸料压缩机将液氨由槽车输入液氨储槽内，储槽输出的液氨于液氨蒸发槽内蒸发为氨气，经氨气缓冲槽送达脱硝系统。氨气系统紧急排放的氨气则排入氨气稀释槽中，经水的吸收排入废水池，再经由废水泵送至废水处理厂处理。氨储存系统的主要设备参数如表1所示。图中：1.液氨槽车；2.卸料压缩机A/B；3.液氨储罐A/B；4.液氨蒸发器A/B；5.氨气缓冲罐A/B；6.氨气稀释槽；7.废水池；8.雨水井图2氨储存系统另外，氨气属于易爆危险品，因此使用氨气泄漏检测器检测氨气的泄漏，并显示大气中氨的浓度。当检测器测得大气中氨浓度过高时，在机组控制室会发出警报，操作人员采取必要的措施，以防止氨气泄漏的异常情况发生。液氨储存及供应系统保持系统的严密性防止氨气的泄漏和氨气与空气的混合造成爆炸是最关键的安全问题。基于此方面的考虑，本系统的卸料压缩机、储氨罐、氨气蒸发槽、氨气缓冲槽等都备有氮气吹扫管线。在液氨卸料之前通过氮气吹扫管线对以上设备分别要进行严格的系统严密性检查和氮气吹扫，防止氨气泄漏和系统中残余的空气混合造成危险。表2氨储存系统的主要设备序号设备名称数量数据1液氨储罐2台设计压力2.35MPa，工作压力2.16MPa，设计温度60℃，工作温度-19～50℃，容积50m32卸料压缩机2台CORKEN491-107，31.6m3/h，2.41MPa，550r/min，11kW3液氨蒸发器2台工作压力0.3MPa，工作温度35℃，换热面积26m24氨气缓冲罐2台工作压力0.3MPa，工作温度35℃，容积2m35氨气吸收罐1台容积6m3，工作温度75℃4序号设备名称数量数据6废水泵1台DUH0512，17m3/h，50mH2O，1.4.控制系统1.4.1.控制原理SCR控制系统的基本原理是通过反馈控制提供氨量，保持出口NOx值恒定。进口NOx浓度和烟气流量的乘积为NOx流量信号，然后此信号与所要求的NH3/NOx摩尔比（取决于脱硝效率）相乘得到氨耗量信号。氨喷射流量的计算公式如(1)式。摩尔比可由程序决定或在现场调试时设定。XNOFNHMGGGx••=3(1)式中：3NHG氨喷射流量（m3/h）FG锅炉烟气流量(干基:m3/h)xNOG:进口NOx浓度(实际氧量基准下:ppmvd)XM:摩尔比(-)1.4.2.氨的供应控制系统氨的供应控制系统对氨流量用温度和压力因子进行修正。进口NOx信号送入控制器，根据程序计算氨流量。用氨流量控制阀控制氨流量，从而控制器能保持出口NOx的浓度值。氨气供应管道上设有紧急切断阀，在烟气温度低于286℃或者氨气稀释比例高于14%时连锁切断氨气供应。1.4.3.稀释空气的供应控制稀释风机提供到混合器中的稀释空气流量可用手动挡板进行控制，一旦设定好空气流量，将不再随锅炉负荷进行调节。根据氨气占整个混合气体的比例约5%，计算稀释空气的流量。在低负荷或低NOx值时，氨气浓度将低于5%。将空气流量信号与氨流量信号相比得出稀释比例，以控制在爆炸极限范围内。在混合器上游的氨气管道上设有止回阀，防止倒流。1.4.4.氨气/空气混合气体的供应控制氨气与稀释空气在混合器中混合，然后混合气体进入分配总管，接着进入各喷氨支管。每个支管上都有手动节流阀和流量孔板，以保证混合气体能均匀地喷入到烟气中。2.系统的运行分析2.1.设备运行分析在SCR系统运行168小时内，SCR系统脱硝率保持在80％左右，出口氨逃逸率远低于3ppm，详见图3。各设备运行正常，系统参数保稳定，主要运行参数如表2。5图3SCR系统168小时运行曲线表3项目单位反应器A反应器B进口烟气温度℃338337氨气温度℃14.815.2催化剂压差Pa345.8339.3氨气压力MPa0.130.13氨气流量Nm3/h164.8162.8稀释风机空气流量Nm3/h5064.34977.2氨/空气混合比%3.33.3进口氧量%4.04.3进口NOx含量ppm270.7256.9出口氧量%4.04.1出口氨含量ppm0.70.5出口NOx含量ppm49.350.3脱硝效率%81.880.42.2.反应器运行分析为了更加清楚的分析SCR反应器的运行特性，参照锅炉性能试验的方法在SCR进出口的烟道取24个测点测量其局部的烟气流速、氧量、温度、NOx含量等等，按算术平均值（如下式）计算出其截面参数的平均值[5]。另外为了能更加真实的反映烟气参数在烟道截面的分布情况，常用偏差Cv（coefficientofvariation）来表述参数在烟道截面的均匀程度[6][7]。100%Cvxs=(2)其中：∑=--=niixxn12)()1(1s(3)6∑==niixnx11(4)在测试过程中严格按照国家标准进行烟气取样测试，烟气流速采用动压法得到，氧量采用氧量仪，NOx浓度采用美国罗斯蒙特公司NGA2000系列在线烟气分析仪测量，其中烟气在测点处烟气取样采用皮托管[8]。2.2.1.入口烟气流速分布分析图4，图5反映了反应器入口的烟气速度的偏差。A反应器入口的烟气平均速度高于B反应器入口的烟气品均速度，这是由于该电厂的锅炉为四角切圆形式的，因此在省煤器出口的烟气速度有偏差，进入SCR反应器后就表现为两个反应器入口烟气流速相差1m/s的情况。由于两个反应器是左右对称的，则两个反应器烟气流量是不同的，于是两个反应器的氨耗量也是不同的，同时烟气中SO2等使催化剂失活的物质的含量也不同，灰浓度也不同，因此催化剂的寿命很可能不同，由此催化剂使用的经济性也受到影响，可以考虑改变烟道的方式消除此影响。图4ASCR反应器进口烟气速度图5BSCR反应器进口烟气速度就单个反应器来分析，A列和D列测点处的速度远远低于平均烟气流速。D列测点由于距离导流板较近，烟气在此处产生涡流，因此此列所测量得到的烟气流速远远低于平均速度。A列测点则是由于反应器入口位置处的导流板未能将足够的烟气分流到烟道的外侧导致，此列的烟气流速过低将会导致列测点附近烟气的氨氮比远高于其他位置，将会影响出口NOx的浓度偏差，高脱硝的工况下此处烟气在出口氨逃逸的情况会比较严重。2.2.2.脱硝率对SCR系统的性能考核标准主要集中在脱硝率以及出口NOx的浓度偏差系数Cv两个指标上。由于锅炉两个反应器是对称的，本文只对其中一个反应器的运行工况进行分析。如图6为氨氮比为0.80时由进出口NOx浓度计算得到的脱硝率的分布，其反应器的平均脱硝率为81.7％，这是符合SCR过程化学的理论的。7图6反应器脱硝率图7SCR反应器烟气温度偏差2.2.3.烟气温度分布图18反应了反应器入口处的烟温偏差，不难看出两个反应器温度偏差都不大，偏差系数都小于5％，同时温度的变化也在30K以内。因此不难看出，反应器本身结构对烟