脱硝技术在大型火力发电厂中的应用

李秀忠

华电国际莱城发电厂 山东 莱芜 271113

0 引言

莱城发电厂采用上海锅炉厂制造的亚临界中间再热汽包炉，型式为单炉膛，一次中间再热，平衡通风，露天布置，固态排渣，Π型布置燃煤锅炉，发电机为300MW功率。锅炉设计煤种为地方煤及新汶矿务局洗末煤和筛混煤。为响应国家“节能减排”政策号召，莱城电厂从2013年1月10日开始施工，于2013年7月21日完成脱硝系统的168小时试运，效果良好。我厂采用高灰型选择性催化还原烟气脱硝工艺，按照系统SCR的入口浓度400mg／Nm3，出口浓度NOx排放浓度小于100mg／Nm3。脱硝改造工程采用液氨作为还原剂，7天的液氨最大耗量约60吨，厂区内建设了液氨储存、制备与供应相结合的公用系统。氨区需增加的设备有两只液氨储罐（液氨容量供两台机组满负荷工况下运行7天的用量60吨）、两台液氨蒸发器、两只气氨缓冲罐，每台锅炉设置两个SCR反应器。本文就我厂＃3锅炉采用SCR脱硝改造过程及运行调节进行论述。

1 脱硝系统改造实施过程

我厂的锅炉脱硝系统改造分为两部分，一部分为燃烧系统改造，即将锅炉燃烧系统的燃烧器改为低氮燃烧器。锅炉运行中，原燃烧方式为四角正压直吹，切圆燃烧，采用直流可摆动式燃烧器，摆动角度为－23至＋30，配置6层燃烧器，现已改造为WR燃烧器。另一部分为脱硝系统。整个系统分为两部分，分为氨区和SCR区两部分，氨区包括液氨卸车装置、液氨储存装置、液氨气化装置、氨气输送装置，以及相应的电气、控制装置。SCR区包括反应器、氨气喷射装置、吹灰装置、电气控制装置等。SCR反应器系统包括接口烟道、灰斗、膨胀节、挡板门、氨气混合烟道、旁路烟道、反应器壳体、内部支撑、吹灰器、及保温材料等。低氮燃烧器使用效果，锅炉排放NOx一般可控制到400mg／Nm3以内，再通过SCR（择性催化还原）技术进行深度脱硝，排放浓度 NOx小于 100mg／Nm3。

1.1 锅炉燃烧系统的改造

根据我厂锅炉的燃烧特性，结合我厂实际燃煤情况。选择WR燃烧器为技改燃烧器。通过近段时间运行观察，系统运行稳定。根据燃烧器的运行工况，煤粉流过煤粉管道与燃烧器连接前的最后一个弯头时，由于离心力的作用，大部分煤粉紧贴着弯头的外沿进入煤粉喷管，放置在WR燃烧器煤粉喷管中间的隔板，将煤粉流分成浓淡两股，并将其保持到喷嘴出口，从而使一次风喷嘴出口处的上下煤粉浓度不等。并在煤粉喷嘴内安装着一个“V”型钝体。煤粉混合物射流流过钝体时在钝体的下游形成一个稳定的回流区，使火焰不断稳定在回流区中。采用WR一次风喷嘴有助于煤的着火和稳定燃烧，尤其是低负荷工况下的稳定燃烧（图1燃烧器示意图）。

图1 WR燃烧器示意图

表1 莱城电厂脱硝主要参数表

为了加强炉膛内燃烧和空气的混合，以及减少一次风贴壁，降低结焦趋势，采用了同心反切圆燃烧系统。在此设计中，二次风射流沿着与一次风射流相反的旋转方向射入炉膛。一次风沿煤粉喷嘴轴线进入炉膛之后，在动量较大的二次风射流引射和冲击下，被带入沿二次风射流方向旋转的火球中，经过这样的过程，一次风和二次风混合强烈，有助于煤粉完全燃烧。同时一次风被围在炉膛中央，使得炉膛中央形成富燃烧区域，而在水冷壁周围形成富空气区域，大大减少了一次风冲刷水冷壁的可能性。在燃料燃烧的初期阶段，燃料和空气的分段混合也使得NOx排放量降低。

1.2 莱城电厂锅炉脱硝系统（SCR）工艺原理

1）我厂采用的是高灰型SCR方式，布置在省煤器后，工作环境相对恶劣，但是，催化剂活性惰化较快，烟气温度合适（300～400℃），经济性最高。采用的选择性催化还原法是利用氨（NH3）对NOx的还原功能，使用氨气（NH3）作为还原剂，将体积浓度为5%的氨气通过氨注入装置（AIG）喷入温度为280℃～420℃的烟气中，在催化剂作用下，氨气（NH3）将烟气中的NO和NO2还原成无公害的氮气（N2）和水（H2O），“选择性”的意思是指氨有选择的进行还原反应，在这里只选择NOx还原。其化学反应式如下：

我厂脱硝化学反应

其中式（1）和（3）是主要的反应过程，因为烟气中90%以上NOx是以NO形式存在。在反应过程中，NH3选择性的和NOx反应生成无二次污染的N2和H2O随烟气排放（见图2），我厂SCR法脱硝工程还原剂选用液氨。为使催化剂充分发挥作用，脱硝反应必须在一定的温度区间内进行。

催化剂是整个SCR系统的核心和关键，催化剂的选择是由烟气条件来确定的，影响其运行的三个相互作用的因素是NOx脱除率、NH3的逃逸率和催化剂体积。上述脱硝反应是在反应器内进行的，反应器布置在省煤器和空气预热器之间（图3）。反应器内装有催化剂层，进口烟道内装有氨注入装置和导流板，为防止催化剂被烟尘堵塞，每层催化剂上方布置了吹灰器。SCR脱硝反应所需的还原剂氨气，可以通过液氨系统输送获取。

图2 SCR脱硝反应原理示意图

图3 SCR反应器及吹灰器

2）我厂SCR反应器具有如下特点

①脱硝效率可以高达95%，NOx排放浓度可控制到50mg／m3以下。这些指标是其他任何一项脱硝技术都无法单独达到的。

②增加锅炉烟道阻力约700～1000Pa，需提高引风机压头。

③催化剂在与烟气接触过程中，受到气态化学物质毒害、飞灰堵塞与冲蚀磨损等因素的影响，其活性逐渐降低。通常3～4年增加或更换一层催化剂。

④逃逸氨与SO3反应，可能在空预器换热面上形成硫酸氢铵，恶化空预器堵塞。

⑤如采用液氨作还原剂，液氨储存量超过40t即成为重大危险源，就需要考虑氨区内外的安全距离，现已经过安全、环保与消防等机构的评估。

2 脱硝改造后的效果

通过锅炉脱硝系统的调试及正常稳定运行，试验数据表明，锅炉运行参数均能达到额定数值。经过计算，锅炉原始NOx排放浓度约800mg／m3，4台锅炉年排放NOx总量达到约20567吨（机组年有效利用5500小时）。脱硝装置运行后，按照NOx排放浓度小于100mg／Nm3，可年减排NOx总量约15425吨，通过脱硝工程的实施大幅度减少NOx排放。

3 结束语

通过莱城电厂脱硝系统的改造成功，我们将不断总结经验，为其它锅炉脱硝系统改造奠定基础。管理好、运营好脱硝系统是我们的责任，同时，较好的完成了国家节能减排任务，有助于改善周边大气环境，具有良好的社会效益。

［1］段传和，夏怀祥.燃煤电力站SCR烟气脱硝工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［2］钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［3］西安热工研究院.火电厂SCR烟气脱硝技术［M］.北京：中国电力出版社，2013.