湿法FGD和SCR脱硝物料平衡与运行优化

袁 园

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 西北分公司，陕西西安710065)

湿法FGD和SCR脱硝物料平衡与运行优化

袁 园

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 西北分公司，陕西西安710065)

建立电厂脱硫与脱硝系统的物料平衡对电厂开展测算与节能降耗有重要意义。建立了火电厂典型污染物SO2和NOX控制单元的物料平衡：石灰石-石膏湿法烟气脱硫物料平衡主要包括水平衡、SO2和石灰石平衡；SCR物料平衡主要包括烟气平衡、NH3和NOX平衡；以某电厂300MW机组运行状况为例，提出了运行优化和节能的方向性建议。脱硫装置建议主要有：降低吸收塔蒸发水量、控制合理的液气比、降低浆液循环泵、增压风机和氧化风机的能耗。脱硝装置建议主要有：减少NOX生成量、根据SCR出口NOX浓度合理喷氨、控制合理的氨氮摩尔比。

脱硫；脱硝；物料平衡；运行优化

0 引言

随着电力建设高速增长，烟气SO2、NOX排放标准日益严格，近年来烟气脱硫(FGD)、烟气脱硝在我国火电机组中大量装备[1, 2]。

目前，火力发电厂主要采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术[3-7]，该技术脱硫效率高、技术成熟、运行可靠、脱硫剂分布广、资源丰富，廉价，占烟气脱硫市场的80%～90%[8]。但石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺装置系统复杂，设备多，电耗基本占了厂用电率的1%～2%[9]。同时，该技术也存在耗水量高和石灰石用量高的问题，如600 MW机组脱硫系统(无GGH烟气再加热器)的设计水耗基本在100～120 t/h[10]，一台300 MW机组每月石灰石的用量为3 000 t左右。

对于烟气脱硝(SCR selective catalytic reduction)技术具有较高的脱硝效率，且技术较为成熟，得到越来越多的应用[2, 11, 12]。但是SCR装置投资成本高，运行维护费用昂贵，1台600 MW机组的SCR装置目前的催化剂费用接近3 000万元，其使用寿命只有3年左右[2]，1台300 MW机组每月的液氨耗量为30 t。

FGD和SCR有效降低了烟气中SO2和NOX的排放浓度，但同时也导致极大额外物质和能量消耗。因此建立系统的物料平衡，分析系统特性和运行优化方法，对于有效地降低污染物治理成本、提高系统脱硫脱硝性能、实现节能减排具有重要意义。

1 FGD物料平衡模型

石灰石-石膏法是以石灰石浆液为吸收剂，与烟气中的SO2进行反应，再经空气强制氧化为石膏的过程。吸收塔内发生的主要反应为：

SO2+CaCO3→CaSO3+CO2↑

CaSO3+1/2O2+2H2O→2H2O·CaSO4↓

1.1 FGD物料平衡模型假设

吸收塔内的物理和化学过程较为复杂，根据模型需要和方便计算，现对模型进行如下假设：

(1) 烟气是理想气体。液滴由于蒸发和液滴间质量传递造成的质量损失忽略不计。

(2) 工艺水为纯净水，不考虑泵的密封水，不考虑出口烟气所带走的水液滴。

(3) 浆液是完全混合的。

(4) 不考虑粉尘等微量杂质的影响。

(5) 吸收塔与环境之间没有物质的进入和流出。

1.2 FGD物料平衡模型建立

FGD物料平衡主要包括水平衡、SO2和石灰石平衡。图1为脱硫系统总物料平衡图。

图1 脱硫系统总物料平衡图

1.2.1 水平衡

水平衡是进入吸收塔的水量等于出吸收塔的水量。进入吸收塔的水量包括原烟气和氧化空气带的气态水、浆液循环水量和补给水；出吸收塔的水量有烟气带走水、石膏表面水、石膏结晶水和排污水。

(1)

式中：M1为原烟气带的气态水，可通过式(2)计算；Mk为氧化空气带的气态水，kg/h，可通过式(3)～(5)计算；Mc为浆液循环水，kg/h；Ma为补给水，kg/h；M2为净烟气带走水，kg/h，可通过式(6)计算；Ms为石膏表面水，kg/h，可通过式(7)计算；Mj为石膏结晶水，kg/h，可通过式(8)计算；Mp为排污水，kg/h。

(2)

式中：V1为入口烟气流量，m3/h；d1为入口烟气湿度，m3/m3；ρ1为入口温度和压力下水蒸汽密度，kg/m3，可查阅水蒸汽密度表得到。

(3)

式中：Vk为实际需要的空气量，m3/h；dk为空气湿度，m3/m3；ρk为氧化空气中水蒸汽密度，kg/m3，可查阅水蒸汽密度表得到。

下面计算Vk。根据经验，当烟气中含氧量为6%以上时，在吸收塔喷淋区域的氧化率为50%～60%。采用氧枪式氧化分布技术，在浆池中氧化空气利用率为25%～30%，据此，浆池内需要的理论氧气量为[13]：

(4)

式中:S为浆液池需要的理论空气里，mol/h；V1为入口烟气流量，m3/h；q1为入口烟气SO2含量，g/m3；ηs为脱硫效率。

理论需要的空气量为：

(5)

式中:Qr为理论需要的空气量，m3/h。

一般来说，实际需要的空气量比理论需要的空气量大，考虑到浆液中溶解盐的多少根据经验确定。

(6)

式中:Vk为实际需要的空气量，m3/ h；K取经验值2.0～3.0。

补给水Ma的主要补充方式是除雾器冲洗水。

(7)

式中：V2为出口烟气流量，m3/h；d2为出口烟气湿度，m3/m3；ρ2为出口温度和压力下水蒸汽密度，kg/m3，可查阅水蒸汽密度表得到。

(8)

式中：St为脱水石膏量，kg/h；Sg为脱水石膏含固量，kg/kg。

(9)

式中：V1为入口烟气流量，m3/h；q1为入口烟气SO2含量，g/m3；ηs为脱硫效率。Mp根据电厂运行情况实测。

1.2.2 SO2和石灰石平衡

烟气中SO2平衡如下：

(10)

式中：q2为出口烟气SO2含量，g/m3；钙硫比Ca/S为：

(11)

式中：WL为石灰石消耗量，kg/h。

液气比α计算如下：

(12)

式中：α为液气比，L/m3；VL为浆液流量，L/h。

石膏产量计算如下：

St=172·V1·q1·ηs/(1 000×36·Sg)

(13)

式中:St为石膏产量，kg/h；q1为入口烟气SO2含量，g/m3；V1为入口烟气流量，m3/h；ηs为脱硫效率；Sg为脱水石膏含固量，kg/kg。

石膏浆液排出量计算如下：

(14)

式中:Md为石膏浆液排出量，kg/h;Ss为石膏浆液固含量，kg/kg。

2 SCR物料平衡模型建立

选择性催化还原(SCR)工艺中，还原剂在催化剂的最用下将NOX还原为N2和H2O，还原剂主要是液氨、尿素和氨水，催化剂为TiO2，V2O5，MOO3或WO3。催化剂的温度活性范围为280～420℃。

SCR中主反应如下[14]：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

2.1 SCR物料平衡模型假设

为了便于模型的建立与计算，现对模型进行如下假设：

(1) 烟气是理想气体，满足理想气体方程。

(2) SCR催化剂为蜂窝式催化剂。

(3) 还原剂为纯度99.6%以上的液氨。

(4) 不考虑HCl等微量杂质的影响。

(5) 模型中不考虑氨逃逸量。

2.2 SCR物料平衡模型建立

SCR物料平衡主要包括烟气平衡、NH3-NOX平衡。

2.2.1 烟气平衡

出口烟气量计算公式如下：

(15)

式中：P1为入口的压力，Pa；V1为入口烟气量，m3/h；ΔV为稀释空气量，m3/h；T2为出口的温度，℃；P2为出口的压力，Pa；V2为出口烟气量m3/h；T1为入口的温度，℃。

2.2.2 NH3-NOX平衡

有如下平衡：

(16)

2.2.3 空气量

(17)

式中：VA为稀释空气量，L/h；μ为喷入气体中氨的体积分数。

2.2.4 氨氮摩尔比

(18)

式中:NH3/NOX为氨氮摩尔比；CNOx为入口烟气中NOX的量，mg/m3。

2.2.5 脱硝效率

(19)

3 物料平衡应用与运行优化分析

3.1 物料平衡应用

以某电厂300 MW机组的实际运行情况为例，对该物料平衡进行计算与应用。由该机组烟气成分与含量、石灰石浆液成分与含量、石膏浆液成分与含量、液氨消耗量等实测数据，根据上述模型计算该机组脱硫脱硝的主要运行参数，对主要物料消耗进行计算，为该机组节能降耗提供数据支持。

脱硫物料平衡应用。该机组脱硝装置采用一炉一塔方案，锅炉排出的原烟气经增压风机升压后，通过烟气换热器进行热交换，再进入吸收塔脱硫，脱硫后的净烟气经烟气换热器加热至80 ℃以上，通过烟囱排至大气。由物料平衡模型，计算2014年7～12月主要运行参数如表1所示。

表1 机组脱硫装置主要运行参数

由计算结果可知，该机组脱硫效率95%以上，满足设计要求。实际运行过程中，石灰石给料不均匀，Ca/S随运行工况变化幅度较大。且为了防止脱硫塔堵塞，增加了运行中的液气比，液气比高达19.0。脱硫系统耗水量20.6 t/h，占该机组总水耗的46%。

3.2 脱硝物料平衡应用

该机组采用低碳燃烧器和SCR联合脱硝，SCR布置采用高温高尘布置方式，SCR装置装在锅炉之后，空气预热器之前。烟气在反应器里流过均流器到达催化剂层，为了防止催化剂积灰，每层催化剂设置4台声波吹灰器。由物料平衡模型计算可得，2014年7月～12月期间主要运行参数如表2所示，其中氨氮摩尔比随月份变化如图2所示。

表2 该机组脱硝装置主要运行参数

图2 氨氮摩尔比随月份变化

由表2可知，系统脱硝效率与氨逃逸率均满足设计要求。入出口烟温差较大，最高可达9℃，这造成能量的浪费。由图2可知，为了提高脱硝效率，该机组2014年6月～12月，NH3/NOX呈上升趋势。

3.3 运行优化分析

3.3.1 脱硫装置运行优化

(1)降低吸收塔蒸发水量。该脱硫系统水耗占电厂总水耗的46%，有很大的节水空间；脱硫系统耗水量主要和脱硫系统蒸发水量有关，系统蒸发水量主要由净烟气排出脱硫系统。通过模型计算，净烟气带走水占脱硫系统水耗的70%以上，可以降低烟气进出吸收塔的温度差来降低吸收塔蒸发水量，实现节水的目的。同时，低洗涤温度有利于SO2的吸收[15]，浆液洗涤过程中烟气温度要控制在100℃以下。这就要求烟气在烟气换热器充分换热，从而降低吸收塔入口烟温，同时使排烟温度升高，避免烟囱腐蚀。

(2)控制合理的液气比。一般来说，液气比增大，液气接触面积增大，脱硫效率也会增大，但液气比的大小对脱硫能耗大小有显著的影响。液气比提高，要求循环浆液泵的数量增多，增加泵的电耗；同时压力损失增大，增压风机的能耗也会增加。液气比在8 L/m3以下增加时，脱硫率上升速度快，而以后趋势变得平缓；液气比超过15.5 L/m3后，脱硫率的提高非常缓慢。因此，为减少脱硫系统的能耗，应该在保证脱硫效率的前提下，尽量采取较低的液气比。运行过程中，应控制液气比在15.0以下，同时根据锅炉负荷合理调整送浆量，尽可能保持均匀送浆，保持Ca/S的稳定。

(3)降低浆液循环泵和增压风机、氧化风机的能耗。对于浆液循环泵、增压风机和氧化风机的运行节能，浆液液气比降低后，通过合理调整泵的运行台数、选用叶片开度小的增压风机、通过变频调节氧化风机可以有效地降低系统能耗。

3.3.2 脱硝装置运行优化

(1)减少NOX生成量。研究表明，燃烧优化是最经济的减排NOX方式[16]。在保证锅炉燃烧尽可能充分的前提下，降低空气过剩系数、加大燃尽风门开度可以有效减少原烟气中的NOX浓度，从而可以减少液氨消耗量和稀释风机的能耗。

(2)根据SCR出口NOX浓度合理喷氨。对SCR出口NOX浓度进行测定，在此基础上改变入口相应位置的喷氨量，使NOX和NH3混合均匀，可以提高脱硝效率，降低液氨耗量。

(3)控制合理的氨氮摩尔比。一定范围内，脱硝效率随着NH3/NOX的增加而逐渐增大，实际运行中，为了节约物料与能量，同时满足排放标准，通常将NH3/NOX控制在0.75左右。锅炉在不同负荷情况下，负荷和喷氨量关系呈非线性，喷氨量增加速率明显高于负荷增长率。因此在实际运行中，要根据锅炉负荷及时调整喷氨量，为了降低氨逃逸量，在出口浓度达标的情况下，建议NH3/NOX控制在0.75以下。

4 结论

(1)本文建立了石灰石-石膏湿法烟气脱硫和SCR脱硝的物料平衡模型，石灰石-石膏湿法烟气脱硫物料平衡主要包括水平衡，SO2和石灰石平衡；SCR物料平衡主要包括烟气平衡，NH3和NOX平衡。建立的平衡模简单清楚、易于计算，对于研究火电厂污染物控制单元的物料消耗实现节能降耗有重要意义。

(2)根据物料平衡，以某300 MW机组实际运行情况为例，计算了该机组的主要运行参数。并根据该机组运行情况，进行运行优化分析，提出了优化节能的建议。

(3)脱硫装置优化建议主要有降低吸收塔蒸发水量、控制液气比在15.0以下、降低浆液循环泵和增压风机、氧化风机的能耗。脱硝装置优化建议主要有减少NOX生成量、根据SCR出口NOX浓度合理喷氨、控制氨氮摩尔比在0.75以下。

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《电力科学与工程 》

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Material Balance and Operation Optimization in SO2and NOXControl Units of Thermal Power Plant

Yuan Yuan

(Northwest Subsidiary Company, China Datang Group Electric Power research Institute，Xi’an 710065, China)

The material balance is of great significance to material calculation and energy saving. In this paper, material balance in SO2and NOXcontrol units of thermal power plant was established. The limestone-gypsum wet flue gas desulfurization system including water balance and SO2-limestone balance and SCR denitrification facility including flue gas balance NH3-NOXbalance were analyzed. Finally, suggestions of optimizing operation and energy conservation were presented based on the operation status of 300MW unit. The advice of desulfurization equipment mainly includes: reduce water evaporation in absorber, control liquid-gas ratio reasonably, reduce energy consumption of slurry circulating pumps, booster fan and oxidation fan. The advice of denitrification facility mainly indudes: reduce generation amount of NOX, inject ammonia reasonably based on SCR outlet NOXconcentration, control the molar ratio of NH3/NOXreasonably.

desulfurization；denitrification；material balance；operation optimization

2015-05-04。

袁园(1983-)，男，工程师，主要从事火电厂除尘、脱硫、脱硝等环保设备性能试验及优化工作，E-mail：25100106@qq.com。

TM621.9

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.011