SCR烟气脱硝技术在大唐哈尔滨第一热电厂的应用

庄建华

(大唐哈尔滨第一热电厂,黑龙江哈尔滨 150001)

SCR烟气脱硝技术在大唐哈尔滨第一热电厂的应用

庄建华

(大唐哈尔滨第一热电厂,黑龙江哈尔滨 150001)

阐述了选择催化还原(SCR)脱硝技术,结合其在大唐哈尔滨第一热电厂 2×300MW机组的应用情况,对SCR烟气脱硝技术的化学反应机理、工艺流程、主要设备及SCR烟气脱硝系统实际运行进行了分析。

SCR;脱硝率;系统阻力

1 概述

大唐哈尔滨第一热电厂 2×300 MW新建工程采用选择性催化还原法(SCR)脱硝工艺,由大唐环境科技工程有限公司建造,工程包括设计、设备和材料采购供货、土建施工和安装工作;调试、试验及检查;试运行、消除缺陷、人员培训和最终交付投产。

主要设计参数如表 1所示。

表1 SCR烟气脱硝系统设计参数

续表

2 工艺流程及工作原理

该装置工艺系统主要包括:液氨贮存、输送和供应系统;稀释风和喷氨调节系统;SCR反应系统。

SCR反应器采用高飞灰区布置方式,即 SCR布置在省煤器与空预器之间。锅炉产生的烟气经省煤器进入脱硝装置喷氨格栅,经过导流板及整流板。充分混合,进入 SCR反应器,在金属催化剂作用下,与喷氨格栅喷出的氨气发生反应,将 NOx还原成 N2和 H2O。脱硝后的烟气进入空预器,反应器区域设置两层,有 18台声波吹灰器,以避免在反应器表面形成固体物沉积堵塞,如图 1、图 2所示。主要反应方程式

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (1)

8NH3+6NO2→7N2+12H2O (2)

由于 NH3不和烟气中的残余的 O2发生反应,因此称这种方法为“选择性”。

图1 催化反应示意图

氨区产生的氨气经稀释风稀释至浓度 ＜5%后,进入氨气分配集箱,通过调整各分支阀门开度,使各喷氨格栅喷出的气氨量分布与当地氮氧化物分布均匀,从而获得较高的脱硝效率及较低的氨逃逸量。

DCS系统为 FOXBORO公司设计的 II/A系统,该系统运行可靠、稳定,经过不断优化调试,自动化程度高、联锁保护可靠、为脱硝系统的正常运行提供了可靠保证。

3 影响 SCR脱硝率的因素

图2 脱硝系统流程示意图

在 SCR系统中,最重要的运行参数是反应温度、反应时间、NH3/NOx摩尔比、烟气流速、O2浓度 、NH3的溢出浓度 、SO3浓度、H2O(蒸汽 )浓度、钝化影响等。

a.反应温度是选择催化剂的重要运行参数,催化反应只能在一定的温度范围内进行,同时存在催化的最佳温度,这是每种催化剂特有的性质,因此反应温度直接影响反应的进程。在 SCR工作过程中温度的影响有两方面:一方面是温度升高使脱NOx反应速度加快,NOx脱除率升高;另一方面温度升高,NH3氧化反应开始发生,使 NOx脱除率下降。

b.反应时间是烟气与催化剂的接触时间,随着反应时间的增加,NOx脱除率迅速增加。当接触时间增至 200ms时,NOx脱除率达到最大值,随后下降。这主要是烟气与催化剂的接触时间增大,有利于烟气在催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和生成物的解吸、扩散,从而使 NOx脱除率提高。但是,随着接触时间过长,NH3氧化反应开始发生,使 NOx脱除率下降。

c.NOx脱除率随着 NH3/NOx摩尔比的增加而增加,NH3/NOx摩尔比小于 1时,其影响更加明显。若 NH3投入量偏低,NOx脱除率不高;若 NH3投入量偏高,NH3氧化等副反应的反应速度将增大,从而降低了 NOx脱除率,同时也增加了净化后烟气中NH3的排放浓度,造成二次污染。一般控制 NH3/NOx摩尔比小于 1.2。

另外,烟气流速直接影响 NH3与 NOx的混合程度,需要合理的流速以保证 NH3与 NOx充分混合,使反应充分进行;同时,反应需要 O2的参与,随着O2浓度增加,催化剂性能提高。但 O2浓度不能过高,一般控制在 2%～3%;NH3的溢出浓度是影响SCR系统运行的另一个重要参数,实际生产中通常是多于理论量的 NH3被喷射进入系统,反应后在烟气下游多余的 NH3称为 NH3的溢出,NOx脱除效率随着NH3的溢出量的增加而增加,在某一个NH3的溢出量时达到一个最大值;另外 H2O(蒸汽)浓度的增加使催化剂性能下降,催化剂钝化失效也不利于SCR系统的正常运行,必须加以有效控制。

4 SCR脱硝装置系统阻力

脱硝系统的阻力与层数、脱硝催化剂的形式有关,板式的阻力要小于蜂窝式的。SCR脱硝装置产生的烟气阻力包括烟气在烟道中的沿程阻力、局部阻力和催化剂本身的阻力。催化剂在反应器中采用分层布置(一般为 2～3层),对于反应器中典型的设计烟气流速(约 6 m/s)和标准尺寸的催化剂模件,每层催化剂的烟气阻力为 200 Pa。SCR脱硝装置反应器和增加的烟道使锅炉烟气侧阻力增加,从而增加引风机的功率和电耗。脱硝装置的烟气阻力变化主要由运行过程中烟气灰尘堆积引起的。产生积灰的原因除了与烟气中灰的浓度有关外,还与机组运行负荷有关。机组一般在正常负荷下运行时,烟道内的流速较高,产生积灰的可能性较小;在低负荷运行工况下,烟道内流速较低,在水平烟道及拐弯处、催化剂表面容易产生积灰现象。

本文以重庆市某滑坡作为典型堆积层滑坡，分析了该滑坡位移特征，基于数值模拟进行了滑坡位移预测并检验了其可靠性，主要获得了以下结论：

5 脱硝系统运行注意事项及相关运行控制

5.1 催化剂活性及寿命

催化剂是 SCR技术的关键设备,其活性对脱硝装置的正常运行至关重要;同时,由于 SCR装置的运行成本在很大程度上取决于催化剂的寿命,因此,加强运行管理,保障/增加催化剂的寿命就显得尤为重要。

该脱硝装置采用了板式催化剂,主要成分为V2O5/TiO2,具有优良的耐久性、耐腐性、高反复利用率、低压降等特性。在实际运行中,催化剂有两种可能失活的原因影响到催化剂的使用寿命:a.烟气中带有的碱金属(如 Na、K、Ca等)和重金属(如As、Pt、Pb等 )吸附在催化剂毛细孔内,与催化剂表面的 SO3发生反应生成硫化物,形成化学失活,通常也称为催化剂中毒。b.高温烧结、磨损和固体颗粒沉积堵塞而引起催化剂物理活性破坏。

为了降低固体物沉积堵塞造成的失活(尤其是物理失活),作出如下运行规定:严格遵守厂家的技术要求,保证每台吹灰器每 10min吹灰 10 s,目前该操作由 DCS自动完成;密切关注两层催化剂前后烟气差压,若偏离正常运行值,应加强检查,缩短吹灰周期;机组停运时对催化剂表面积灰及堵塞情况进行检查。从目前运行情况看,满负荷正常运行时,两层催化剂前后烟气差压稳定小于 500 Pa;机组停运检查,催化剂表面清洁,无积灰及堵塞情况。

5.2 反应温度

不同的催化剂具有不同的适用温度范围。当反应温度低于催化剂的适用温度下限时,在催化剂上会发生副反应,NH3与 SO3、H2O反应生成(NH4)2SO4或 NH4HSO4,减少与 NOx的反应,生成物附着在催化剂表面,堵塞催化剂的通道和微孔,降低催化剂的活性。另外,如果反应温度高于催化剂的适用温度,催化剂通道和微孔会发生变形,导致有效通道和面积减少,从而使催化剂失活。温度越高,催化剂失活越快。

该脱硝装置所用催化剂设计温度为 290～400℃。根据目前经常运行负荷情况统计,大唐哈尔滨第一热电厂通常脱硝装置入口烟气温度高于 300℃。为了减小烟气温度下降引起的催化剂失活,将脱硝装置入口温度低保护停运脱硝系统的限值更改至300℃。

5.3 氨气喷入量和 NH3/NOx混合

还原剂 NH3的用量一般根据达到的脱硝效率来控制。当喷入的氨气量不足时,NH3和 NOx的反应不完全,NOx的转化率低;当喷入量增加到一定程度后,NOx的转化率基本不再增加,还原剂 NH3会发生浪费,泄漏量增大,造成二次污染。同时,过量喷入的 NH3与 SO3反应生成的硫酸氢氨及硫酸氨将增加空预器的积灰及堵塞情况,严重影响锅炉运行安全。

NH3与废气的混合程度十分重要,如混合不均,即使喷入量不大,NH3和 NOx也不能充分反应,不仅不能到达有效脱硝的目的,还会造成 NH3局部过量,氨逃逸量增加。当速度分布均匀、流动方向调整正确时,NOx转化率、氨逃逸量及催化剂的寿命才能得到保证。采用合理的喷嘴格栅,并为 NH3和废气提供足够长的混合通道,是 NH3和废气均匀混合的有效措施。目前,脱硝装置经过初步调整后,脱硝效率能达到 60%,氨逃逸量 ＜3μL/L。

5.4 烟气在线监测仪表

由于喷氨量及 NOx排放浓度均根据 NOx及NH3在线监测仪表的指示值进行控制,因此烟气在线监测仪表的准确性至关重要,直接关系到催化脱硝装置的运行效益、NOx的排放浓度、液氨泄漏量等指标的高低。同时,由于烟气在线监测仪布置于高飞灰区,环境恶劣,大唐哈一热专业人员对烟气监测仪表进行定期维护、保养、校验与检修工作。

6 SCR烟气脱硝系统运行分析

a.根据大唐哈尔滨第一热电厂 2×300 MW机组 SCR烟气脱硝系统的实际调试及运行情况,SCR烟气脱硝系统的脱硝效率较高,可达到 64%,满足NOx排放标准要求。但应避免脱硝效率超过 70%,造成反应器出口 NH3逃逸率及系统经济性降低。

b.烟气温度对催化剂的活性有重要影响。当烟气温度低于催化剂的活性温度范围时,NH3与SO3、H2O反应生成(NH4)2SO4,粘附于催化剂及空预器表面,引起催化剂和空预器积灰,降低催化剂活性及脱硝效率。当烟气温度高于催化剂的活性温度范围时,加速了催化剂的老化,同时还会使NH3直接转化为 NOx。该工程催化剂活化温度范围为 300～420℃,实际运行过程中烟气温度低于310℃时,应退出脱硝系统运行。

c.SCR烟气脱硝系统配备氨泄漏监测装置、消防喷淋系统以及专用防护用品,运行人员严格遵守操作规程,加强安全意识、做好事故预想及应急预案,才能保证 SCR烟气脱硝系统运行安全可靠。

d.运行中存在的安全问题。SCR系统运行时,会把烟气中的 SO2变成 SO3,燃用高硫煤的电厂一定要特别注意;烟气中的 N2O会有所增加,而 N2O对 O3层的危害更大。另外,SCR系统中所用的还原剂 NH3是常见的有毒有害物质,使用过程中有潜在的危险。若固体催化剂处理不当,容易引起二次污染。

e.运行情况。该烟气脱硝系统自 168 h满负荷试运行结束移交生产以来,整个系统、设备一直投运正常。通过初步调整,脱硝系统长期在 64%脱硝效率连续稳定运行,出口氨逃逸量 ＜3μL/L,两层催化剂前后压差总和不超过 500 Pa,其它各项性能指标都在保证值范围内。

7 结束语

SCR烟气脱硝技术是目前国内外烟气脱硝技术中比较成熟、可靠的工艺,不仅易于控制,脱硝效率高,而且运行安全可靠;其脱硝产物可以直接排放大气,不会对大气造成二次污染。虽然初期投资成本较高,但脱硝效率高,运行成本比较低,是一种比较理想的烟气脱硝技术,具有广阔的应用前景。

[1] 贾双燕,路涛,李晓芸,等.选择性催化还原烟气脱硝技术及其在我国的应用研究[J].电力环境保护,2004(1):19-21.

App lication of the SCR Flue gas desu lphurization adopted in Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant

ZHUANG Jianhua
(Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant,Harbin 150001,China)

Combing the application of the 2×300MW unit in Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant,this paper expounds the selective catalytic reduction(SCR)flue gas desulphurization,and analyzes its chemical reactive mechanism,technological process,main equipmentand practical operation.

SCR;desulphurization rate;system resistance

X 701.3

A

1002-1663(2010)01-0021-04

2009-09-15

庄建华(1971-),男,1994年毕业于哈尔滨工业大学热能工程专业,高级工程师。

(责任编辑 侯世春)