燃煤锅炉烟气脱硝(SCR法)工艺流程及性能的设计与应用

W形火焰超临界锅炉中SCR法脱硝的设计研究

1 前言

随着我国经济建设步伐的加快，全国用电负荷需求急剧上升，新建扩建燃煤电站如雨后春笋般在中国大地上全面铺开。燃煤电站给我们带来经济效益的同时，也带来了一定的负面效应。燃煤火电厂是氮氧化物NOx(主要是NO、NO2、及少量N2O等)排放的主要来源之一，我国燃煤电厂NOx排放量估算为640万t/a左右。在大气中的过量存在将对人类生存的环境造成污染，如导致酸雨腐蚀土地和建筑、生成有害的地面层臭氧烟雾等。由于燃煤电厂的建设，导致NOx污染物排放量成逐年递增趋势，电厂的排放量已严重超过国家环保标准。由此带来的环境污染已严重损害了人类可持续发展，所以火电站锅炉不得不采取有效措施来减排电厂的NOx污染物量。

2 W形火焰炉燃烧特点,及NOx 生成机理和减排技术

“W”火焰超临界锅炉适合于燃用难着火和难燃尽的低挥发份无烟煤；其主要特点是结渣特性轻微、灰沾污特性轻微、灰磨损特性严重； W火焰燃烧方式，采用24只浓缩型低NOX双调风旋流燃烧器分别布置在炉膛前后拱上，火焰下冲后折返向上形成"W"形，增加了火焰行程，延长了煤粉气流在炉膛中的滞留时间，提高锅炉燃烧效率。这种燃烧器提高了煤粉浓度，低NOX排放,有利于解决无烟煤的着火和燃尽问题。该燃烧器的主要特点是可以获得更高的煤粉浓度和分级送风。

通常燃烧温度下，煤燃烧生成的NOx在烟气中的含量为<1%, 其中, NO占NOx的90%以上, NO2占5～10%,而N2O只占1%左右。在煤燃烧过程中，生成NOx的途径有三个：

（1）燃料型NOx，它是燃料中含有的氮化物在燃烧过程中热分解而又接着氧化生成；

（2）快速型NO ，它是燃烧时空气中的氮与燃料中的碳氢粒子团反应生成的。

虽然“W”火焰超临界锅炉对减少NOx排放有利，NOx排放量（6％O2）仅＜900mg/Nm3;但仅依靠炉内控制NOx排放达不到环保标准，需要在锅炉尾部加装烟气脱硝装置。目前烟气脱硝的比较成熟的技术是选择性催化还原（SCR）与选择性非催化还原(SNCR),其中SCR烟气脱硝技术更受青睐，脱硝率可达90％以上，是国内外应用最多、最成熟的技术。

3 SCR法烟气脱硝工程的工艺流程及设计特点

3.1 SCR法烟气脱硝技术原理

SCR烟气脱硝系统采用氨气(NH3)作为还原介质,SCR DeNOx系统的主要组成部分包括装催化剂的反应器系统、烟道系统、还原剂氨储存系统及还原剂氨注入系统，国外较多使用无水液氨。基本原理是把符合要求的氨气喷入到烟道中，与原烟气充分混合后进入反应塔，在催化剂的作用下，并在有氧气的条件下，选择性地与烟气中的NOx（主要是NO、NO2）发生化学反应，生成无害的氮气（N2）和水（H2O）,见图2.1，主要反映化学方程式为: 4NO+4NH3+O2=4N2＋6H2O (1)

6NO2+8NH3=7N2＋12H2O (2)

选择性反应意味着不发生NH3与SO2的反应，但在催化剂的作用下，烟气中的少量SO2会被氧化成SO3，其氧化程度通常用SO2/SO3转化率表示，在有水的条件下，在SCR中未反应的的氨与烟气中的SO3反应生成硫酸氢氨(NH4HSO4)与硫酸氨（NH4）SO4）等一些对反应有害的物质。

图3.1 SCR法反应塔、催化剂原理图

3.2 SCR法脱硝工艺流程简介

SCR法工艺系统流程主要由贮氨、混氨、喷氨、反应塔（催化剂）系统、烟道及控制系统等组成。首

先，液氨由汽车运送到液氨储罐贮藏，无水液氨的储存压力取决于储罐的温度（例如20O C时压力为10bar），液氨通过蒸发器中的蒸汽、热水，被减压蒸发输送到氨蒸发罐，通过鼓风机向氨气、空气混和器中鼓入与氨量成一定配比的空气，其作用一是稀释纯氨气，二是增加反应塔中的氧含量；经稀释的氨气通过喷射系统中的许多喷射喷嘴被注入到烟道隔栅中，与原烟气混合，这样，从锅炉省煤器后出来的烟气在空预器入口烟道处被旁路风门隔断，进入反应塔烟道，到达反应塔内，在催化剂的作用下，烟气中的NOx与氨气发生化学反应。当反应塔故障需停下检修时，烟气从反应塔前设置的100％烟气旁路通过，可使锅炉连续正常运行。

3.3 “W”火焰超临界锅炉SCR法脱硝反应塔布置方案

国内外电站脱硝应用最多的是高温、高飞灰烟气段布置方式，反应塔直接安装在省煤器与空气预热器之间,布置在静电除尘器前面, 优点是进入反应塔的烟温为320～430 O C，适合于大多数催化剂所要求的工作温度，由于烟温很高，不需要再加热，初投资及运行费用较低，技术成熟，性价比最高；不足之处是此段烟气飞灰含量高，易引起催化剂表面磨损，必要时需对催化剂进行硬化处理，催化剂孔径易被飞灰颗粒和硫酸氢氨晶体堵塞，且飞灰当中的重金属（镉、砷）易引起催化剂中毒，表面失去活性，图

3.3.1为国内工程中常用到的布置方式,SCR反应塔入口烟道垂直布置,还原剂氨喷射系统尽量高位布置,

且喷射方向与烟气流向相同，有利于烟气与氨混合均匀、充分反应；考虑到“W”火焰超临界锅炉可适量减少NOx排放，NOx排放量（6％O2）仅＜900mg/Nm3;在SCR反应塔中只设置3层催化剂安装空间，根据设计的脱硝效率，运行初期布置2层催化剂即可，布置增加催化剂层数，虽有利脱硝效率，但会增加烟道阻力，加大吸风机、增压风机的功耗；虽然“W”火焰超临界锅炉燃用无烟煤，煤燃尽率高，灰份较少，但催化剂上沾满灰，将阻隔其与烟气的反应活性，且增加烟气阻力，所以在2层催化剂上方各布置一只长颈吹灰器，定期高温蒸汽吹灰，保持催化剂活性，防治催化剂毛孔堵塞。

图3.3.1为高温高灰烟气段典型布置方式图3.3.2 SCR法脱硝典型工艺流程图

4 SCR法脱硝工艺设计中的应注意事项

4.1 SCR反应塔入口烟道设计要求

从外部环境讲，燃煤电站SCR法脱硝效率与锅炉尾部外形设计、燃用煤种、燃烧布置方式、及锅炉运行工况等密切相关；而从内部环境讲，脱硝效率的高低取决于反应塔入口烟气速度、烟气中NH3与NOx混合物在催化剂截面上的浓度均匀度分布、入口烟气温度分布、烟气混合物在催化剂中的停留时间等。

为达到以上要求，国外各脱硝公司除了对反应塔的结构设计上进行CFD模拟，使阻力尽量小、催化剂槽路的尺寸（水力直径）要适中外，尽量优化反应塔入口烟道设计，减少异型件使用，避免烟气在烟道中产生涡流、激荡，影响混合物的均匀度。国外公司在这方面的设计已很成熟，在90度弯道区采用导流叶片，导流叶片的位置和设计是基于一个1：10比例的流量模型测试而定的，并设计成垂向立式结构，数块导向板布置成不等距结构，这是因为烟气在弯道处将产生严重的不稳定、不等量过流，在弯烟道内壁附近易形成层涡流，依据理论和软件模拟计算把导流板在弯道处不等距布置，可明显减小涡流作用；并且建议在距省煤器出口的弯头导流板约2米的地方设置喷氨隔栅，有利于混合均匀；飞灰整流器安装在最上层催化剂上方，可减少系统阻力，降低引风机电耗，‘W’型超临界锅炉由于燃用无烟煤，低氮，不完全燃烧损失较大，会在催化剂毛细孔上沉积细小固体颗粒（粗灰和焦粒），建议在省煤器烟道拐角处加装一灰斗，把沉积的颗粒定期排走，以免在烟气流的扰动作用下，旋起影响整个脱硝岛的吸收性能及增大整个系统的阻力，最终影响SCR法的性能指标。

4.2氨逸出量及对反应塔下游设备的影响

离开反应塔而未反应掉的氨气量叫氨逃逸，加氨量是由PLC控制，根据SCR前NO x数值和规定的NO x 排放值进行比较，用反馈信号来修正喷氨量；现场很难精确测定NH3逃逸量，不能用NH3逃逸量作为反馈信号来控制喷氨量。脱硝效率一般会随NH3/NOx摩尔比的增大而增大，当其摩尔比大于1.0时, NH3逃逸量会急剧上升，同时，其他副反应速率也加快；但是，丹麦托普索公司从工业试验中得到数据，仅靠提高几个百分点的NH3/NOx摩尔比，催化剂体积就可减少约30％，也能达到同样的NOx降低率，因此，在可接受最大的氨逸出量的条件下，对所需要的催化剂体积的大小具有重要作用，氨逸出量早期控制值为5ppm，但现在设计要求控制值为2～3ppm。当SCR布置在空预器前时，氨逸出会导致，污染静电除尘器中的飞尘质量，使FGD废水及空予器清洗水中氨含量增大，生成硫酸氨盐类造成催化剂与空预器堵塞、磨损、腐蚀等。硫酸氨盐的生成量与SO3浓度有直接关系，SO3的生成量来源于以下两个方面：煤燃烧生成的和SO2在催化剂的作用下氧化形成的,一般设计要求SCR中SO2/SO3转化率<1%；硫酸氨盐沉积在空予器换热片上,引起低温结垢腐蚀,必要时电厂可在空预器低温段采用搪瓷材料；而ABS（硫酸氢氨）会暂时降低催化剂活性。

6 结束语

SCR法因其活性高、选择性强，国内脱硝工艺首选SCR法;随着国家节能减排实施力度加大，国内在学习、借鉴发达国家成功经验与教训的同时，加大脱硝研发力度、推广脱硝技术、装备国产化，整体降低NOx排放，为中国生态可持续发展作出贡献。