电厂锅炉scr烟气脱硝系统设计优化

现在人们对环境污染问题越来越关注，然而燃煤火力发电厂所产废气是重要的大气污染物之一，为了减少环境污染，烟气脱硝装置在燃煤火电厂中被广泛的应用。本文将对电厂锅炉使用的具有选择性的催化还原(SCR)烟气脱硝系统进行简要的介绍，并根据其运行经验以及设计特点，从技术原理、关键性技术、设计要求以及反应器布置等方面对SCR系统进行必要的优化。

一、概述

燃煤火电厂是造成氮氧化物(主要是NO、NO₂以及少量的N₂O等，统称为NOx)排放的主要来源之一。NOx排放会造成环境污染导致酸雨，在阳光的作用下生成对人类健康和环境有害的地面层臭氧(烟雾)。根据国家2003年环境公报统计数据,2008年全国SO₂排放量为2158.7万t，其中工业生产排放的SO₂约占80%，而火电厂SO₂排放量估算为950万t，约占全国SO₂排放总量的50%。目前，二氧化硫污染产生的酸雨，已危害了我国国土总面积的30%。此外，我国目前燃煤火电厂的NOx排放量估算为500万t/a左右。预计在将来的30-50a内，煤炭在我国一次能源生产与消费中的比例将继续保持在70%左右。我国电力工业中以煤炭为主的能源格局不会改变，这种格局是由中国富煤缺油少气的能源资源特点和经济发展阶段所决定的煤炭消耗量将持续增长。这种以煤炭为主的一次能源生产和消费结构带来了严重的环境污染问题，严重损害了可持续发展的经济和环境基础。燃煤电厂锅炉NOx排放控制技术措施可区分为一次燃烧控制措施与二次烟气净化措施(烟气脱硝装置)。当仅仅采取一次燃烧措施还不能满足NOx排放标准时，就需要在锅炉尾部烟道安装烟气脱硝装置。二次控制措施是在燃烧过程结束后，在锅炉尾部烟道进行的烟气净化处理过程，即通过烟气脱硝装置，将已经在炉内燃烧过程中形成的NOx还原成氮气(N₂)。目前烟气脱硝的主流技术是选择性催化还原(SCR)与选择性非催化还原(SNCR)，其中SCR烟气脱硝效率可达90%以上。在实际工程应用中，降低燃煤电厂锅炉NOx排放最经济实用的技术途径就是尽可能通过采用燃烧措施或燃烧系统技术改造，在燃烧过程中最大限度地抑制NOx的生成，从而减少SCR脱硝装置的负担，降低运行成本。

二、SCR烟气脱硝技术的发展现状及其在燃煤火电厂的应用

SCR技术自20世纪70年代在欧洲和日本首先用于燃油和燃气电厂锅炉，随后于80年代开始逐渐应用于燃煤电厂锅炉。为满足严格 的NOx排放标准，日本开发出了钒基/钛基催化剂并取得成功经验奠定了当今SCR催化剂技术的基础。自日本于1980年底投运了第1台燃煤电厂锅炉SCR装置后，德国为了验证日本开发的SCR技术对德国燃煤电厂锅炉的适应性，在60多个燃煤锅炉机组进行了SCR工业性试验研究，并于1985年底在欧洲投运了第1台燃煤电厂锅炉SCR装置。美国于20世纪90年代初期建立了SCR工业示范装置，对美国燃用高硫煤电厂锅炉采用SCR技术的适应性进行了详细的工业性试验验证。此后，为满足日趋严格的NO_X排放标准(200mg/m³)，欧洲其他国家及美国相继在燃煤电厂锅炉安装了SCR装置。到1997年底日本有61个电厂约23GW的燃煤锅炉机组安装了SCR装置，欧洲约有55GW的锅炉机组共安装了150多台大型SCR装置。其中德国自1985年以来，总容量约33GW的烟煤锅炉机组安装了SCR烟气脱硝装置，大部分为现役锅炉SCR工程改造。美国有8台燃煤锅炉机组约3GW容量安装了SCR装置。到2004年底，美国有近200台总容量约l00GW燃煤锅炉机组安装了SCR装置。燃煤电厂锅炉SCR烟气脱硝技术经历了30多年的研究发展与工程实践，在技术上已发展成熟，目前已成功地应用于300MW、600MW与1000MW大型燃煤电厂锅炉，其中单机容量最大的是应用于美国Gavin电厂的2×1300MW燃煤锅炉机组。SCR脱硝效率可达90%-95%，SCR装置与低NOx燃烧系统相结合，可将燃煤电厂锅炉NOx排放控制在50mg/m³以内。

三、SCR烟气脱硝系统优化设计

SCR烟气脱硝系统选择的还原介质通常是氨NH₃，SC烟气脱硝装置通常由5部分组成：喷氨装置、催化剂以及供氨装置、输送烟道、控制系统。其中，SCR的反应器应当设置在锅炉省煤器出口与空气预热器入口之间。氨与烟气充分混合之后便会进入反应器在氨的作用下，NO即被还原成氮气。影响SCR脱硝效率的因素之一是催化剂，催化剂的活性、结构类型以及寿命等均可对脱硝效率产生影响。此外，SCR反应设计，比如烟气流速、催化剂层数等，也可对SCR脱硝效率产生影响。因此，在优化脱硝系统时，必须考虑催化剂和SCR反应器设置这两个因素。具体到电厂锅炉，其设计、燃煤性质以及燃煤的燃烧方式等，均可对SCR烟气脱硝装置产生影响这也就是说，提高电厂锅炉SCR烟气脱硝系统运行效率，不仅要考虑催化剂因素，还要考虑烟气管道、供氨与喷氨系统，以及相关的控制系统等。而关于SCR系统来说，其最为核心的技术便是生产工艺与催化剂配方。因此，必须严格控制SCR反应器入口处的烟气流速、温度等。

1、SCR反应器的优化方案，催化剂一般是沿着垂直方向分布的，烟气通过催化剂的方向自上而下，因此，反应器的优化可考虑烟气的流速；烟气的流速越大，则其在催化剂上停留的时间越短。此外，SCR反应器的优化，必须考虑燃煤的性质、催化剂以及燃煤燃烧的方式场地的空间等因素。常见的SCR布置方案有：在空气预热器入口与省煤器出口直接安装SCR反应器，也就是把SCR反应器安装在空气预热器与静电除尘器前。当烟气通过省煤器之后，温度可到达300℃以上，可满足催化剂的温度要求。而在使用过程中，应选择飞灰腐蚀性良好的催化剂，并适当降低烟气的流速、硬化处理催化剂等，提高烟气脱硝装置的性能。高温侧低飞灰烟气段方案。在高温静电除尘器出口与空气预热器入口之间设置SCR反应器。烟气经过高温除尘之后才能进入反应器，这就使得烟气中的粉尘量大幅降低。但其中的细颗粒易粘结，容易堵塞催化剂，可通过提高烟气流速清除催化剂表面的灰尘。

2、SCR催化剂的选择，催化剂对整个系统来说有着极为重要的影响，因此，必须合理选择SCR烟气脱硝系统的催化剂。催化剂的选择，需要考虑两个方面的因素，一是催化剂本身的性质，比如活性温度范围等，二是实际的需要。此外，催化剂的结构形式也需要考虑在内。系统运行一段时间后，催化剂的活性会降低，氨的逃逸量也会增加，这时需要增加催化剂的层数来提高催化剂的利用率，但这又会增加烟道的阻力。因此必须更换催化剂。更换催化剂，还需要合理选择催化剂。

3、供氨系统与喷氨系统，供氨系统主要包括氨的存储、氨的蒸发以及输送，此外还有喷氨系统。其中，当前主要的供氨有三种方式是一是液氨，二是氨水，三是尿素。而在供氨系统运行过程中，必须严格控制SCR烟气脱硝装置入口处的硫化物浓度，以及烟气流速、喷入氨的浓度分布等。

随着国家环保标准实施力度的加大，我国新建大型燃煤火电机将逐步建设烟气脱硝工程。学习和借鉴工业发达国家在燃煤电厂锅炉SCR烟气脱硝系统设计与运行中取得的经验教训，对我国火电厂今后发展SCR烟气脱硝技术具有重要的指导意义。SCR烟气脱硝系统与锅炉设计、燃烧系统与燃用煤种，以及锅炉运行条件密切相关，因此，我国燃煤电厂锅炉今后发展SCR烟气脱硝技术应针对锅炉设计特点与燃煤特性，对SCR应用于我国燃煤电厂锅炉的适应性进行深人、全面、系统的试验研究。

(尹建  房大兵  宋广焕  济宁金威热电有限公司山东济宁272300) 

参考文献：

[1]张明辉，李萍.火电厂SCR烟气脱峭工艺系统设计,2016 

[2]王立波，赵梦涵.SCR烟气脱硝系统设计优化，2015