電站鍋爐脫硝系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行探討

田龍

摘 要：目前，我國(guó)環(huán)保形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，針對(duì)火電廠(chǎng)的環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，燃煤電廠(chǎng)普遍實(shí)施超低排放改造以實(shí)現(xiàn)污染物減排。電站鍋爐脫硝系統(tǒng)作為其中的重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性受到廣泛關(guān)注。本文結(jié)合脫硝系統(tǒng)運(yùn)行工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：氮氧化物;SCR煙氣脫硝;安全經(jīng)濟(jì)

0? 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越多的受到人們的重視，在“十三五”環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之后，對(duì)火電廠(chǎng)的環(huán)保要求日益提高。選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)Selective catalytic reduction（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SCR）由于其反應(yīng)溫度低、運(yùn)行可靠及二次污染小等特點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的電廠(chǎng)脫硝技術(shù)[1][2]。

在SCR系統(tǒng)中，最常用的還原劑有三種：氨水、液氨和尿素。液氨和氨水在存儲(chǔ)、運(yùn)輸中會(huì)有較大的危險(xiǎn)性，而尿素是一種無(wú)毒、無(wú)害的化學(xué)品，是農(nóng)業(yè)常用的肥料，幾乎沒(méi)有危險(xiǎn)性，因此隨著脫硝工程的啟動(dòng)，尿素作為脫硝還原劑具有更大的發(fā)展前景[3]。

本文以國(guó)電投南陽(yáng)熱電有限責(zé)任公司2*210MW火電機(jī)組為例，對(duì)210MW火電機(jī)組的脫硝系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并結(jié)合日常運(yùn)行工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)脫硝系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行分析總結(jié)。公司兩臺(tái)210MW超高壓機(jī)組，鍋爐由東方鍋爐廠(chǎng)生產(chǎn)的DG670/13.7—20型超高壓一次中間再熱自然循環(huán)鍋爐，配用低速雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，單爐膛四角切圓燃燒，π型布置煤粉固態(tài)排渣鍋爐。汽輪機(jī)由哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的C160/N210—12.75/535/535/0.325型超高壓一次中間再熱可調(diào)整抽汽供熱凝氣式汽輪機(jī)。機(jī)組采用SCR煙氣脫硝法。

1? 尿素制氨SCR脫硝系統(tǒng)

1.1 SCR脫硝原理

SCR技術(shù)即選擇性催化還原工藝，是在鈦基催化劑的作用下，在316-427℃的溫度區(qū)間內(nèi)，利用尿素溶液水解制備的氨（NH3）與煙氣中的NOx發(fā)生還原反應(yīng)，生成N2和水，從而實(shí)現(xiàn)氮氧化物脫除的目的?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下：

4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O

4NH3+ 2NO2 + O2 → 3N2 + 6H2O

其中還原劑NH3采用尿素水解的方法制得，尿素水解制氨工藝：濃度約為40%～60%的尿素溶液被輸送到水解反應(yīng)器內(nèi)，加熱蒸汽通過(guò)盤(pán)管的方式進(jìn)入水解反應(yīng)器，對(duì)尿素溶液進(jìn)行加熱，使尿素溶液進(jìn)行水解反應(yīng)，然后生成的氨氣被鍋爐熱一次風(fēng)稀釋?zhuān)詈筮M(jìn)入SCR反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，以除去煙氣中的NOx，水解反應(yīng)原理如下：

NHCONH2 + H2O → 2NH3 + CO2+（x）H2O

1.2 SCR脫硝系統(tǒng)

公司煙氣脫硝系統(tǒng)采用SCR技術(shù)、尿素水解制氨工藝，單爐雙煙道雙反應(yīng)器無(wú)旁路設(shè)計(jì)，脫硝催化劑采用“2+1”層布置。脫硝裝置煙氣處理能力為鍋爐100%BMCR工況下煙氣量，并適應(yīng)鍋爐50%BMCR和100%BMCR工況之間的任何負(fù)荷，脫硝裝置入口煙氣NOx設(shè)計(jì)值為350mg/Nm3。

煙氣脫硝系統(tǒng)分為尿素溶液制備存儲(chǔ)車(chē)間和SCR反應(yīng)區(qū)兩大部分，尿素溶液制備存儲(chǔ)車(chē)間位于#2除塵器東側(cè)，為全廠(chǎng)公用。脫硝SCR反應(yīng)區(qū)位于鍋爐省煤器與空預(yù)器之間，機(jī)組送風(fēng)機(jī)上方區(qū)域。SCR煙氣脫硝裝置主要由尿素溶液制備與循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)、水解系統(tǒng)、AIG系統(tǒng)、脫硝煙氣系統(tǒng)、催化劑吹灰系統(tǒng)等組成。

2 脫硝系統(tǒng)運(yùn)行安全性分析

脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行前提是要保證其安全性，就安全性方面而言，脫硝系統(tǒng)的安全問(wèn)題主要集中在氨氣的安全性、尿素溶液制備存儲(chǔ)的安全性，反應(yīng)溫度控制，吹灰輸灰系統(tǒng)控制這幾個(gè)方面。下邊就此分別展開(kāi)討論。

2.1氨氣的安全性

氨在空氣中的體積濃度達(dá)到16～25%時(shí)，會(huì)形成II類(lèi)可燃爆炸性混合物，具有一定的危險(xiǎn)性。近些年有些安全事故就是由于氨氣泄漏導(dǎo)致的，所以對(duì)于氨氣的泄露要格外的重視，在氨氣與熱一次風(fēng)稀釋混合管路處、水解器區(qū)域均安裝有氨氣濃度測(cè)點(diǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)均為環(huán)境中的氨氣濃度，要注意這個(gè)數(shù)據(jù)的變化情況，監(jiān)測(cè)到有泄露情況及時(shí)匯報(bào)。對(duì)測(cè)量?jī)x表也要建立定期檢查制度，確保儀表可用、準(zhǔn)確。當(dāng)測(cè)量的氨氣濃度到達(dá)25ppm時(shí)，噴氨系統(tǒng)連鎖關(guān)閉。

氨氣泄露測(cè)點(diǎn)只有兩個(gè)，所測(cè)范圍有一定的局限性，所以在日常的巡視中要注意諸如水解器周?chē)?、氨?jì)量模塊周?chē)?、尿素溶液制備區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域是否有刺激性氣味，結(jié)合就地或遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)綜合分析是否存在泄露情況，如發(fā)現(xiàn)泄露情況，要及時(shí)采取措施。

此外為了保證氨氣濃度遠(yuǎn)在在爆炸極限之外，需要對(duì)進(jìn)入SCR反應(yīng)區(qū)的氨氣進(jìn)行稀釋?zhuān)♂尣捎缅仩t熱一次風(fēng)，要注意控制熱一次風(fēng)的量，保證氨空比在7%以下。

2.2尿素溶液的結(jié)晶問(wèn)題

尿素溶液安全問(wèn)題的主要問(wèn)題在于結(jié)晶問(wèn)題，在實(shí)際運(yùn)行中，結(jié)晶成了幾乎每一套脫硝系統(tǒng)都會(huì)遇到的問(wèn)題[4]。尤其在于管道的閥門(mén)、儀表處容易形成結(jié)晶現(xiàn)象，如果出現(xiàn)管道結(jié)晶現(xiàn)象，則會(huì)堵塞管道，一些經(jīng)驗(yàn)表明一旦管路形成較為嚴(yán)重的結(jié)晶堵塞，要進(jìn)行切管處理。同時(shí)，儀表和閥門(mén)處出現(xiàn)結(jié)晶，會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)開(kāi)關(guān)困難、儀表失準(zhǔn)等情況。結(jié)晶的原因是尿素溶液溫度低于對(duì)應(yīng)濃度下的飽和溫度，為了防止出現(xiàn)結(jié)晶情況，尿素溶液管道都加有伴熱，伴熱采用疏水伴熱，所以在日常的監(jiān)盤(pán)和巡檢中要注意疏水箱的溫度、液位以及疏水泵的工作情況，保證疏水伴熱管路的正常。同時(shí)要對(duì)尿素溶液管路上的儀表閥門(mén)等認(rèn)真檢查，出現(xiàn)結(jié)晶情況及時(shí)處理。

尿素溶解罐和尿素溶液儲(chǔ)罐的翻板液位計(jì)、水解系統(tǒng)管路都加有電伴熱系統(tǒng)，在日常工作中要注意電伴熱的溫度設(shè)定及工作情況，出現(xiàn)異常及時(shí)處理。

根據(jù)試驗(yàn)研究，尿素溶液進(jìn)行水解反應(yīng)的最佳濃度應(yīng)該介于50%～55%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）之間，一般推薦的設(shè)計(jì)值為50%，濃度過(guò)高在儲(chǔ)存與輸運(yùn)過(guò)程中容易出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，濃度過(guò)低則不利于水解反應(yīng)的進(jìn)行，所以在配備尿素溶液時(shí)要嚴(yán)格注意其密度，配備出合格的尿素溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的尿素溶液密度為1130～1140kg/m3。

2.3 SCR技術(shù)催化劑問(wèn)題

脫硝系統(tǒng)中另一個(gè)重要的問(wèn)題是催化劑的問(wèn)題，催化劑只有在一定的溫度范圍內(nèi)才能發(fā)揮最好的功效，溫度過(guò)低會(huì)發(fā)生無(wú)用的副反應(yīng)，生成銨鹽，易阻塞煙道，且惡化空預(yù)器的換熱情況。溫度過(guò)高會(huì)造成催化劑的失活，對(duì)催化劑造成不可逆的損傷。SCR反應(yīng)區(qū)設(shè)計(jì)在省煤器之后煙道內(nèi)也正是出于對(duì)煙氣溫度的考慮，在日常的監(jiān)盤(pán)中尤其是在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)要對(duì)催化劑進(jìn)出口煙氣溫度嚴(yán)密關(guān)注，保證其在催化劑最佳反應(yīng)溫度內(nèi)，最佳反應(yīng)溫度為316～427℃。

2.4吹灰與輸灰系統(tǒng)

SCR區(qū)催化劑的型式采用蜂窩式，這種形式在煙氣灰含量較高時(shí)易出現(xiàn)堵塞情況，吹灰系統(tǒng)和輸灰系統(tǒng)都是為了防止煙道的堵塞，所以在日常運(yùn)行中要嚴(yán)格按照規(guī)程要求進(jìn)行吹灰和輸灰工作，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，防止出現(xiàn)堵塞煙道的情況。就目前的運(yùn)行情況來(lái)看，輸灰系統(tǒng)由于位于省煤器之后，灰粒較大易出現(xiàn)管道堵塞、高料位等問(wèn)題，需要格外注意。此外SCR反應(yīng)區(qū)的吹灰采用聲波吹灰和蒸汽吹灰兩種方式，在正常吹灰的同時(shí)注意觀(guān)察反應(yīng)區(qū)進(jìn)出口壓差，壓差增大則適當(dāng)增加吹灰頻率。

3脫硝系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性方面，脫硝系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性主要集中在爐膛燃燒效率，脫硝效率，耗熱量這幾個(gè)方面。下面就此分別展開(kāi)討論。

3.1爐膛燃燒效率

脫硝系統(tǒng)改造的同時(shí)機(jī)組新加裝了低NOx燃燒器，該燃燒器可以對(duì)爐膛出口的NOx濃度進(jìn)行有效地控制，采用的方法是控制燃燒的氧量，形成一個(gè)還原區(qū)和一個(gè)燃盡區(qū)，通過(guò)降低燃燒溫度來(lái)減少熱力型NOx的生成量。從原理上便可以看出爐膛出口NOx濃度并不是越低越好，這個(gè)值還要兼顧爐膛的燃燒效率問(wèn)題，綜合燃燒效率和爐膛出口NOx兩方面考慮，不同負(fù)荷下對(duì)應(yīng)一個(gè)最優(yōu)的爐膛出口NOx濃度，在這個(gè)濃度下既保證了燃燒效率，又降低了爐膛出口的NOx，減少下一步的噴氨量。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前我廠(chǎng)的爐膛出口NOx值設(shè)定為280～320mg/Nm3。

3.2脫硝效率

脫硝效率的控制要考慮SCR反應(yīng)區(qū)進(jìn)口NOx的濃度，不同的進(jìn)口NOx濃度應(yīng)該對(duì)應(yīng)不同的脫硝效率，進(jìn)口NOx濃度高，則適當(dāng)提高噴氨量，保證較高的脫硝效率，保證排放達(dá)標(biāo);進(jìn)口NOx濃度低，則適當(dāng)降低噴氨量，使脫硝效率維持在低值，這樣在保證排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)可以降低反應(yīng)區(qū)氨逃逸，降低二次污染。

噴氨調(diào)門(mén)的跟蹤值可以設(shè)定為脫硝效率也可以設(shè)定為出口NOx濃度，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，跟蹤值設(shè)定為SCR反應(yīng)區(qū)出口NOx濃度更加有優(yōu)勢(shì)。

在日常的監(jiān)盤(pán)中要密切監(jiān)視SCR反應(yīng)區(qū)出口的氨逃逸率，逃逸率高說(shuō)明有部分氨沒(méi)有參與反應(yīng)，此時(shí)應(yīng)在保證出口NOx排放達(dá)標(biāo)的前提下適當(dāng)減少?lài)姲绷俊?/p>

3.3其他經(jīng)濟(jì)因素

氨氣通過(guò)噴氨格柵進(jìn)入煙道中，噴氨格柵的設(shè)計(jì)直接影響還原劑與煙氣的混合情況，設(shè)計(jì)合理的噴氨格柵可以使還原劑更好的均布在煙道中，避免在運(yùn)行中產(chǎn)生較高的氨逃逸。所以在調(diào)試過(guò)程中要對(duì)噴氨格柵進(jìn)行調(diào)試，優(yōu)化其噴氨調(diào)節(jié)閥，將脫硝系統(tǒng)出口各點(diǎn)NOx值的不均勻性控制在一定范圍內(nèi)，這樣可以提高還原劑在煙道中分布的均勻性，一方面提高了對(duì)出口NOx控制的靈敏性，另一方面可以避免產(chǎn)生較高的氨逃逸。

脫硝系統(tǒng)需要部分耗熱，其耗熱主要是用來(lái)保證諸如尿素溶解罐、尿素溶液儲(chǔ)存罐、水解器等罐體的溫度，在日常的監(jiān)盤(pán)中要注意監(jiān)視各個(gè)罐體的溫度情況，在保證溫度的前提下使溫度不要過(guò)高，從而降低耗熱。

在尿素溶液制備過(guò)程中優(yōu)先使用廢水坑內(nèi)的廢水。減少對(duì)于除鹽水的使用。

4結(jié)語(yǔ)

隨著火電廠(chǎng)脫硝工程的不斷投運(yùn)，相關(guān)的運(yùn)行資料與運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)也在不斷的積累，采用尿素為還原劑的脫硝控制系統(tǒng)也在不斷的完善。但目前相關(guān)資料還是比較欠缺，還有一些技術(shù)問(wèn)題亟待解決，例如尿素類(lèi)脫硝系統(tǒng)存在NOx控制時(shí)滯后環(huán)節(jié)大的問(wèn)題;鍋爐、煙道流場(chǎng)特性不同，在NOx測(cè)點(diǎn)取樣布置時(shí)也有許多值得深入分析的必要。本文也只是淺談了脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中一些基本分析，希望能為火電廠(chǎng)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行、技術(shù)的完善起到拋磚引玉的作用。

參考文獻(xiàn)

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