火電廠煙氣脫硝技術(shù)介紹

1、火電廠煙氣脫硝技術(shù)介紹 據(jù)統(tǒng)計,我國大氣污染物中NOx 60 %來自于煤的燃燒, 其中, 火電廠發(fā)電用煤又占了全國燃煤的70%。2000 年我國火電廠氮氧化物排放量控制在500萬t 左右,按照目前的排放控制水平,到2020 年,氮氧化物排放量將達(dá)到1 000 萬t 以上。 面對嚴(yán)峻的環(huán)保形勢,我國于1991 年制定了第一部火電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn),在此后的12 年間,歷經(jīng)兩次修訂(1996 版和2003 版) ,排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格。2004 年,國家允許的氮氧化物最高排放濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),下文稱為標(biāo)) 為450 mg/ m3 (V daf > 20 %) 。此排放限值已接近于目前爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)

2、所能達(dá)到的最高水平,若要進(jìn)一步降低NOx 的排放濃度,只有安裝煙氣脫硝系統(tǒng)。1 脫硝技術(shù)概況1.1 NOx 的形成機(jī)理 NOx 是NO 和NO2 的統(tǒng)稱,燃煤電廠煙氣中的NOx 主要是煤燃燒產(chǎn)生的。通常,燃燒生成的NOx 由超過90 %的NO 和小于10 %的NO2 組成。依據(jù)氮氧化物生成機(jī)理,可分為熱力型、燃料型和快速型NOx 3類,其中快速型NOx 生成量很少,可以忽略不計。 熱力型NOx 是指當(dāng)爐膛溫度在1 350 以上時,空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卤谎趸蒒Ox ,當(dāng)溫度足夠高時,熱力型NOx 可達(dá)20 %。 燃料型NOx 指的是燃料中的有機(jī)氮化物在燃燒過程中生成的NOx ,其生成量主要取

3、決于空氣燃料的混合比。燃料型NOx 約占NOx 總生成量的75%90%。1.2 低NOx 燃燒技術(shù) 對應(yīng)NOx 的兩種主要生成機(jī)理,爐內(nèi)脫硝技術(shù)主要從兩方面入手降低NOx 生成:(1) 降低爐內(nèi)燃燒溫度以減少熱力型NOx 生成; (2) 營造煤粉著火區(qū)域的還原性氣氛以減少燃料型NOx 生成。在具體的應(yīng)用上,往往是兩種技術(shù)的綜合,既降低燃燒溫度,又降低著火區(qū)域的氧氣濃度。低NOx 燃燒技術(shù)主要包括低氧燃燒、分級燃燒、煙氣再循環(huán)、采用低NOx 燃燒器等。通過采用爐內(nèi)低NOx 燃燒技術(shù),能將NOx 排放濃度降低30 %60 %左右。各種爐內(nèi)低NOx 燃燒技術(shù)均涉及爐膛燃燒的安全問題或效率問題,故低N

4、Ox燃燒技術(shù)存在局限性,其可降低NOx 排放濃度(標(biāo)) 至400 mg/ m3 左右。1.3 煙氣脫硝工藝 由于爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)的局限性,使得NOx 的排放不能達(dá)到令人滿意的程度,為了進(jìn)一步降低NOx 的排放,必須對燃燒后的煙氣進(jìn)行脫硝處理。目前通行的煙氣脫硝工藝大致可分為干法、半干法和濕法3 類。其中干法包括選擇性非催化還原法( SNCR) 、選擇性催化還原法(SCR) 、電子束聯(lián)合脫硫脫硝法;半干法有活性炭聯(lián)合脫硫脫硝法;濕法有臭氧氧化吸收法等。 在眾多脫硝方法當(dāng)中,SCR 脫硝工藝以其脫硝裝置結(jié)構(gòu)簡單、無副產(chǎn)品、運(yùn)行方便、可靠性高、脫硝效率高、一次投資相對較低等諸多優(yōu)點(diǎn),在日本和歐美得到

5、了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。2 SCR 工藝 SCR 技術(shù)是在上世紀(jì)70 年代末和80 年代初首先由日本發(fā)展起來的,其后迅速在歐洲國家和美國得以推廣,其反應(yīng)方程式如下:SCR 裝置主要由脫硝反應(yīng)劑制備系統(tǒng)和反應(yīng)器本體組成。通過向反應(yīng)器內(nèi)噴入脫硝反應(yīng)劑N H3 ,將NOx 還原為氮?dú)?。由于此還原反應(yīng)對溫度較為敏感,故需加入催化劑,以滿足反應(yīng)的溫度要求,增強(qiáng)反應(yīng)活性。2.1 SCR 系統(tǒng)布置 依據(jù)SCR 脫硝反應(yīng)器相對于電除塵的安裝位置,可將SCR 分為高含塵和低含塵兩類(圖1 、圖2) 。 采用高含塵工藝時,SCR 反應(yīng)器布置在省煤器和空氣預(yù)熱器(空預(yù)器) 之間。其優(yōu)點(diǎn)是煙氣溫度高,滿足了催化劑活性要求;

6、缺點(diǎn)是煙氣中的飛灰含量高,對催化劑的防磨損和防堵塞的性能要求較高。對于低含塵工藝,SCR 布置在煙氣脫硫系統(tǒng)( FGD) 之后、煙囪之前。此時雖然煙氣中的飛灰含量大幅減少,但為了滿足催化劑活性對反應(yīng)溫度的要求,需要安裝蒸汽加熱器和煙氣換熱器( GGH) ,系統(tǒng)復(fù)雜,投資增加,故一般選擇高含塵工藝。2.2 催化劑 催化劑也稱觸媒,其材料一般以TiO2 為載體,并摻入V2O5 和WO3 等活性成分。催化劑的活性溫度范圍從280 400 不等。從結(jié)構(gòu)上分類,催化劑有蜂窩式和板式兩種,蜂窩式催化劑具有模塊化、比表面積大、全部由活性材料構(gòu)成的優(yōu)點(diǎn),而板式催化劑不易積灰,對高塵環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、壓降低、比表面

7、積小。兩種型式的催化劑工藝都比較成熟、應(yīng)用業(yè)績良好。為了防止催化劑堵灰,一般在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置蒸汽吹灰系統(tǒng)。催化劑壽命一般大于16 000 h ,有些催化劑可以再生,但催化劑的更新費(fèi)用或再生費(fèi)用較為昂貴。 圖1 SCR 高含塵工藝流程 圖2 SCR 低含塵工藝流程 板式催化劑較蜂窩式便宜,但反應(yīng)接觸面積較蜂窩式小,故所需布置的催化劑的量更多,綜合比較,二者總投資差別不大。 項目平板式蜂窩式壓降小大活性相當(dāng)相當(dāng)阻塞問題不易阻塞易阻塞催化劑組成TiO2 里有不銹鋼骨架基材全是TiO2催化劑體積(同等條件下) 大小價格低高可靠性很可靠可靠反應(yīng)器體積小大。2.3 制氨系統(tǒng) 在SCR 系統(tǒng)中,靠氨與NOx

8、反應(yīng)達(dá)到脫硝的目的。穩(wěn)定、可靠的氨系統(tǒng)在整個SCR 系統(tǒng)中是不可或缺的。制氨一般有尿素、純氨、氨水等3 種方法。 (1) 尿素法：典型的用尿素制氨的方法為即需制氨法(AOD) 。運(yùn)輸卡車把尿素卸到卸料倉,干尿素被直接從卸料倉送入混合罐。尿素在混合罐中被攪拌器攪拌,以確保尿素的完全溶解,然后用循環(huán)泵將溶液抽出來。此過程不斷重復(fù),以維持尿素溶液存儲罐的液位。從儲罐里出來的溶液在進(jìn)入水解槽之前要過濾,并要送入熱交換器吸收熱量。在水解槽中,尿素溶液首先通過蒸汽預(yù)熱器加熱到反應(yīng)溫度,然后與水反應(yīng)生成氨和二氧化碳,反應(yīng)式如下: 尿素制氨法安全無害,但系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備占地大、初投資大,大量尿素的存儲還存在潮解

9、問題。 (2) 氨水制氨法：通常將25 %的氨水溶液(20 %30 %) 置于存儲罐中,然后通過加熱裝置使其蒸發(fā),形成氨氣和水蒸汽。可以采用接觸式蒸發(fā)器和噴淋式蒸發(fā)器。氨水法較純氨更為安全,但其運(yùn)輸體積大,運(yùn)輸成本較純氨高。 (3) 純氨法：液氨由槽車運(yùn)送到液氨貯槽,液氨貯槽輸出的液氨在氨氣蒸發(fā)器內(nèi)經(jīng)40 左右的溫水蒸發(fā)為氨氣,并將氨氣加熱至常溫后,送到氨氣緩沖槽備用。緩沖槽的氨氣經(jīng)調(diào)壓閥減壓后,送入各機(jī)組的氨氣/ 空氣混合器中,與來自送風(fēng)機(jī)的空氣充分混合后,通過噴氨格柵(AIG) 之噴嘴噴人煙氣中,與煙氣混合后進(jìn)入SCR 催化反應(yīng)器。純氨屬于易燃易爆物品,必須有嚴(yán)格的安全保障和防火措施,其運(yùn)

10、輸、存儲涉及到國家和當(dāng)?shù)氐姆ㄒ?guī)及勞動衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。 上述3 種物質(zhì)消耗的比例為:純氨:氨水(25 %) :尿素= 1 4 1. 9 。3 種制氨方法的比較見表2 。 由表2 可見,使用尿素制氨的方法最安全,但投資、運(yùn)行總費(fèi)用最高;純氨的運(yùn)行、投資費(fèi)用最低,但安全性要求較高。氨水介于兩者之間。 對于單機(jī)容量為600 MW 的燃煤機(jī)組,在省煤器出口NOx 濃度(標(biāo)) 為500 mg/ m3 ,脫硝率為80 %的情況下,脫硝劑耗量大致如表3 所示。2.4 旁路 設(shè)置SCR 旁路(從SCR 入口到SCR 出口) 有利有弊。若設(shè)置SCR 旁路,可以在鍋爐低負(fù)荷時減少SCR催化劑的損耗,并且有利于SCR 的檢

11、修,但旁路增壓擋板的密封問題和積灰問題嚴(yán)重,投資、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較高。是否設(shè)置SCR 旁路,主要依據(jù)鍋爐冷起動的次數(shù),若每年58 次,則無需旁路,否則,推薦設(shè)置旁路。 此外,關(guān)于從省煤器入口到SCR 入口的小旁路,其作用是當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時,提高進(jìn)入SCR 的煙氣溫度。這種省煤器旁路流量一般設(shè)計為鍋爐ECR 工況下總煙氣流量的10 % ,但設(shè)置省煤器旁路將減少省煤器吸熱,影響鍋爐主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度。對于已投產(chǎn)的電站鍋爐加裝SCR ,此方案將改變鍋爐的整體包覆、鋼架、門孔布置等。另外,鍋爐在低負(fù)荷時NOx 濃度相應(yīng)較低,SCR 裝置在低負(fù)荷時可以停止噴氨,僅作煙氣通道使用。因此,對于很少低

12、負(fù)荷運(yùn)行的燃煤電站,可不用設(shè)置省煤器煙氣調(diào)溫旁路。2.5 灰斗設(shè)置 在鍋爐BMCR 工況下,省煤器出口煙氣流速約為10 m/ s ,省煤器灰斗除灰占總灰量的5 %。SCR 反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速約為(46) m/ s ,勢必形成一定的積灰。為保證SCR 內(nèi)催化劑的催化效果,在SCR 內(nèi)配置的吹灰器將會把積灰吹入空預(yù)器。因此,在保留省煤器灰斗的基礎(chǔ)上,應(yīng)考慮在SCR 后布置灰斗。逃逸的氨(氨的逃逸率一般控制在3L/ L 以下) 在230 時與SO3 產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成N H4 HSO4 ,N H4 HSO4 具有粘性,在空預(yù)器內(nèi)會形成堵灰和腐蝕,SCR 灰斗的設(shè)置可以減少進(jìn)入空預(yù)器內(nèi)的灰量,對空預(yù)器的安

13、全運(yùn)行有利。2.6 其它2.6.1 脫硝裝置的預(yù)留 與脫硫系統(tǒng)相對獨(dú)立的特點(diǎn)不同,脫硝裝置與鍋爐本體及爐后輔機(jī)的關(guān)聯(lián)度較大,因此,已投產(chǎn)電站加裝SCR 脫硝裝置主要存在以下問題。 (1) 空預(yù)器的更換。加裝SCR 之后,N H3 與SO2反應(yīng)生成粘結(jié)性強(qiáng)、腐蝕性強(qiáng)的化合物N H4 HSO4 ,為此,空預(yù)器必須針對N H4 HSO4 重新選材。 (2) SCR 的空間位置與SCR 載荷問題。高含塵工藝SCR 反應(yīng)器布置在省煤器與空預(yù)器之間,一般沒有安裝SCR 之前,省煤器與空預(yù)器之間的空間位置較為緊湊,而SCR 反應(yīng)器尺寸約為20 m ×10 m ×10 m ,重量約為1 0

14、00 t 。因此,需在爐后設(shè)置獨(dú)立SCR 鋼架,這就涉及到SCR 鋼架與鍋爐本體鋼架的傳力、鍋爐本體鋼架的斜撐調(diào)整和重新校核等問題。 (3) 引風(fēng)機(jī)壓頭增大。加裝SCR 之后,系統(tǒng)阻力約增加1. 5 kPa ,導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)需增加相應(yīng)的壓頭。此外,還存在煙道和電除塵器負(fù)壓增加之后強(qiáng)度的重新校核問題。2.6.2 投資 硫系統(tǒng)相比,脫硝系統(tǒng)相對較為簡單,國外SCR 裝置每千瓦投資大于相應(yīng)的脫硫系統(tǒng)。脫硝裝置的主要成本在于催化劑,催化劑價格約為(5 0008 000) 美元/ m3 。總脫硝系統(tǒng)投資,因脫硝效率不同而異,初投資約為(3045) 美元/ kW。2.6.3 安裝SCR之后的系統(tǒng)優(yōu)化 設(shè)置脫硝

15、裝置之后,氮氧化物排放量與落地濃度均大幅降低,因此可以考慮取消脫硫系統(tǒng)中的重要部件煙氣再熱器( GGH) ,以降低初投資并減少今后電廠的運(yùn)行費(fèi)用。此外,在西方發(fā)達(dá)國家尤其是德國,煙氣在脫硝、除塵和脫硫之后,所含污染物大幅降低,不少電廠取消了二百多米高的煙囪,取而代之的是利用循環(huán)水冷卻塔排放煙氣。實踐證明,這種具有煙塔合一功能的冷卻塔的熱抬升高度及其煙氣擴(kuò)散效果與煙囪相當(dāng)。 重慶凌卡產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu) 重慶凌卡公司已成功研發(fā)了1個系列3種型號的在線分析系統(tǒng)，1個系列2種型號的樣氣處理系統(tǒng)，5個系列29種型號的樣氣處理部件，初步形成在線氣體分析樣氣處理新的技術(shù)體系。 樣氣處理部件配套推薦氣體取樣探頭：LKP102型次高溫取樣探頭 LKP103E型安全取樣探頭 LKP104E型蒸汽噴射取樣探頭 LKP105型可拆式化工取樣探頭 LKP106型整體式取樣探頭 LKP107型內(nèi)置過濾器取樣探頭 LKP108型直通式取樣探頭組合式高效水冷卻分離器：LKP201型氣水分離器 LKP204型組合式水洗分離器 LKP205型高效水冷分離器 LKP306型組合式水冷凝結(jié)分離器 LKP307型組合式除霧過濾分離器 LKP307A型組合式除霧過濾分離器（防腐型）膜式過濾器：LKP301型超高效膜式過濾器 LKP302型超高效膜式過濾器 LKP30