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火电厂SCR烟气脱硝工艺系统设计

孙娜
摘要：目前国内燃煤电厂已投入使用的SCR 脱硝机组大多数采用国外技术，而我国的脱硝工作现在还处于初步阶段，SCR 脱硝技术的工艺设计和运行控制经验相对缺乏，尚未形成一套完整成熟的自主知识产权技术。SCR 脱硝技术工艺设计和运行控制手段的不断完善和优化，对于SCR 技术的应用和推广具有积极的推动作用，也对改善我国大气环境质量有着深远的意义。因此，本文主要对火电厂SCR烟气脱硝工艺系统设计进行了一系列的探讨和论述。
关键词：火电厂，SCR，烟气脱硝，系统设计
中图分类号： N945 文献标识码： A
一、引言
SCR技术是当前世界上主流的烟气脱硝工艺，自上世纪70年代在日本燃煤电厂开始正式商业应用以来，目前在全世界范围内得到广泛的应用，也是中国烟气脱硝采用最多的技术，特别是近几年SCR烟气脱硝得到大面积的应用。SCR烟气脱硝技术具有脱硝效率高，成熟可靠，工艺系统简单，虽然投资费用偏高，但是运行十分稳定。然而在进行火电厂SCR烟气脱硝工艺设计的过程中往往存在一些问题，会产生严重的后果。所以加强火电厂SCR烟气脱硝设计探讨及学习是十分有必要的。
二、SCR脱硝工艺介绍
选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)工艺是当今世界各国应用最多且最为成熟的工艺。SCR原理是在催化剂作用下，还原剂NH3在300-420℃下将NO和NO2还原成N2，而几乎不发生NH3的氧化反应，从而提高了N2的选择性，减少了NH3的消耗。烟气脱硝SCR工艺根据反应器在烟气系统中的位置主要分为三种类型：高灰型、低灰型和尾部型等。
1、高灰型SCR工艺：脱硝催化剂布置在省煤器和空预器之间，烟气中粉尘浓度和SO2含量高，工作环境相对恶劣，催化剂活性下降较快，需选用低SO2氧化活性、大节距、大体积催化剂，但烟气温度合适（300-400℃），经济性最高，是目前燃煤电厂烟气脱硝的主流布置形式。
2、低灰型SCR工艺：脱硝催化剂位于除尘器和脱硫设施之间，烟气中粉尘浓度低，但SO2含量高，可选用低SO2氧化活性、小节距、中体积催化剂，但为了满足催化剂反应活性温度要求，需相应配置高温除尘系统，目前此项工艺仅在日本有所应用。
3、尾部型SCR工艺：脱硝催化剂位于脱硫设施后，烟气中粉尘浓度和SO2含量都很低，可选用低SO2氧化活性、小节距、小体积催化剂，但由于烟气温度低于80℃，与低灰布置形式类似，需要采用GGH烟气换热或外部热源加热方式将烟气温度升至催化剂活性反应温度，系统复杂，同样只适用于烟气成分复杂或者空间布置受到限制特定情况，此种布置形式在垃圾焚烧厂中有较多应用。
三、SCR烟气脱硝系统技术原理
典型的燃煤电厂锅炉选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统采用氨(NH3)作为还原介质,主要由供氨和喷氨系统、催化反应器、烟气管道与控制系统等组成。SCR反应器通常布置在锅炉省煤器出口与空气预热器入口之间。离开省煤器的热烟气在进入SCR反应器前,在远离SCR反应器的上游烟道中喷入氨(NH3),与烟气充分均匀混合后进入反应器。氨在反应器中，由于催化剂的作用下,选择性地与烟气中的NOx(主要为NO和少量的NO2)发生化学反应,将NOx转换成无害的氮气(N2)和水蒸气(H2O),从而完成脱硝过程。脱硝后的净烟气从反应器底部流出,经出口烟道进入下游的空气预热器。研究认为,在290-400e有如下几种反应：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
四、SCR系统各部分工艺设计要点
1、氨气供应系统设计要点
氨气供应系统主要由液氨储罐、氨气蒸发器、氨气缓冲槽、氨/空气混合器等组成，此套系统的主要作用是为脱硝系统提供还原剂（NH3），此过程中设计要点：
（1）液氨储罐设计要点
液氨储罐日常运行过程中可能遇到液氨泄漏、火灾及爆炸的风险事故，为了防止相关风险事故的发生，在工艺设计过程中需考虑以下相关设计要点：
①在储罐相关位置设置超流阀、逆止阀、紧急关断阀和安全阀等，以防止液氨的泄漏；②在储罐相关位置设置温度计、压力表、液位计、高位报警仪等，以对液氨储存状态进行实时监督；③储罐周围设计有喷淋装置，适时对儲罐进行喷淋降温，同时也可对挥发的微量氨气进行吸收。
（2）氨气蒸发器设计要点
为了保证进入氨/空气混合器内的氨气满足压力和温度上的要求，氨气蒸发器内应设计相关的过高温断源装置、过低温断源装置和过压力断源装置，在蒸发出的氨气不满足相关压力和温度的要求时，切断氨气蒸汽源，以保证进入后续工段的氨气满足压力和温度上的要求。
（3）氨/空气混合器设计要点
氨/空气混合器的作用是调节氨的浓度，同时使氨在空气中分布均匀。通常工艺设计上通过设置稀释风机和氨气流量控制器来控制氨气和空气的混合比例关系，以满足脱硝反应对于还原气体的浓度要求。
（4）氨气供应系统相关安全措施设计要点
氨气供应系统部分在设计上主要考虑的相关安全措施包括氨气泄漏检测器和氮气吹扫措施，氨气泄漏检测器实时对各部位的氨气浓度进行检测，氮气吹扫措施用来防止氨气的泄漏和潜在的爆炸危险。
2、进出口烟道设计要点
进出口烟道在设计上主要考虑烟道拐弯处的导流叶片设计，导流叶片的设计主要考虑叶片的形状、位置和数量。另外，还需要考虑烟道的加固和支撑问题，以及导流叶片和拐弯处的防磨问题。
3、氨喷射装置设计要点
氨喷射装置通常采用喷射格栅的形式，在烟道截面上布置若干个控制区域，在不同控制区域上布设数目不等的氨气喷射头。氨喷射装置在工艺设计上需要考虑的问题主要有以下几个要点：（1）每个控制区域的喷射头流量可单独控制，适时匹配烟气中的NOx的浓度分布；（2）根据具体的锅炉尾部烟道的布置形式，合理设计喷氨格栅的位置及喷嘴形式；（3）在烟道的适当位置加设导流挡板，使氨气与烟气混合更充分均匀；（4）喷氨部位应设计在NOx浓度与烟气流速都分布较均匀的部位，以提高物料效能及脱硝效率；（5）NH3/NOx的摩尔比通常按0.75～1.00设计，以保证在提高脱硝效率的同时，尽可能的降低副反应的反应速率。
4、SCR 反应器设计要点
SCR 反应器是脱硝系统中的核心部件，主要由反应器壳体、催化剂布置层和吹灰器组成。
（1）SCR 反应器壳体设计要点
SCR 反应器壳体是影响 NOx/NH3的混合效果和烟气速度均匀分布的核心部件，为了保证较为理想的反应条件，SCR 反应器壳体在设计上主要需要考虑加固、防震、载重、密封、抗拉、抗压、隔热等设计要求。
（2）催化剂布置层设计要点
催化剂布置层是影响SCR 反应条件的核心设备部件，在设计上主要考虑以下几点内容：①SCR 反应器中的催化剂一般为 2～4 层，通常垂向布置（平行于烟气通过的方向）；②空塔气速的选择；③催化剂体积的选择；④选择合适的催化剂型式（平板式、蜂窝式或波纹板式）；⑤选择合理的催化剂层距、过气孔隙面积和过气孔隙密度。
（3）吹灰器设计要点
吹灰器的作用是除去催化剂活性表面及堵塞在气流通道内的颗粒物，以起到恢复催化剂表面活性和降低反应器压降的作用，通常采用蒸汽吹灰器和声波吹灰器。吹灰器在设计上主要考虑吹灰气流或声波的指向性，使它们更有效地作用于积灰表面。根据不同催化剂层的布置情况，有针对性地布设吹灰器的位置及指向作用范围；对于吹灰器处于两层催化剂之间的情况，在设计上需同时考虑气流或声波的反射作用，以便更充分地利用吹灰能。
五、结束语
总之，SCR 法烟气脱硝技术作为目前应用最成熟的烟气脱硝技术，在我国燃煤电厂氮氧化物控制领域具有巨大的应用前景。在 SCR 烟气脱硝系统工艺设计和运行控制过程中，可以借鉴发达国家已经取得的成功经验，但要结合我国锅炉和燃煤的特性，进行合理的优化设计和运行控制，以研发出具有我国自身特色的SCR法烟气脱硝技术，为我国的氮氧化物控制工作出更大的贡献。
参考文献：
[1] 冯立波 罗钟高：《火电厂SCR烟气脱硝工艺系统设计》，《能源与环境》,2009年01期
[2] 郭斌 廖永进：《SCR烟气脱硝系统性能试验中几个问题的探讨》，《锅炉技术》,2009年40期
[3] 刘国华 张江洪：《大型火电机组SCR烟气脱硝技术探讨》，《河南机电高等专科学校学报》,2008年16期
[4] 赵宗让：《电厂锅炉 SCR 烟气脱硝系统设计优化》，《中国电力》,2005年38期

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