SCR脱硝技术在1000MW超超临界塔式炉上的应用及运行管理

Posted 2023-01-12 氨气

篇首语：一个有信念者所开发出的力量，大于个只有兴趣者。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了SCR脱硝技术在1000MW超超临界塔式炉上的应用及运行管理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

根据国家环境保护部发布的《火电厂大气污染物排放标准（二次征求意见稿）》的要求，新建火电项目的氮氧化物排放限值为100mg/m3，新标准的实施对火电企业的发展会造成严峻的考验。本文主要介绍了1000MW机组SCR工艺的原理、流程、技术特点及相配套的氨站的安全运行管理。阐述了SCR工艺具有技术成熟、运行易于控制、安全可靠、脱硝率高等优点。就目前而言火电厂应用的选择性催化还原法（SCR）脱硝技术是脱硝效率最高，运行最为稳定的脱硝技术。
1、引言
某发电厂扩建工程2×1000MW机组，锅炉采用上海电气集团设计制造的超超监界塔式炉，脱硝设计处理100%烟气量、效率不小于80％，脱硝催化剂层数按2+1设置，采用高尘布置方式，还原剂采用液氨。催化剂采用江苏龙源催化剂公司引进的德国FBE公司技术生产的蜂窝式催化剂，FBE公司在欧洲的脱硝机组装机容量达到33743MW，投入运行的脱硝反应器已达到132台套。
2、脱硝原理
脱硝装置采用最广泛的高尘布置方式：SCR布置在锅炉省煤器和空气预热器之间。配套氨站输送的氨气喷入反应器中与315-400℃烟气中NOx发生催化反应，反应如下：
4NO＋4NH3＋O2→4N2＋6H2O（1）
2NO2＋4NH3＋O2→3N2＋6H2O（2）
6NO＋4NH3→5N2＋6H2O（3）
6NO2＋8NH3→7N2＋12H2O（4）
其实在煤粉燃烧过程中产生的氮氧化合物95%以上是NO，因此式（1）为主要反应，通过化学反应可以看出，脱硝反应产物为气态N2和水，随烟气排入大气，没有二次污染。
3、脱硝工艺流程及特点
3.1工艺流程
每台1000MW锅炉脱硝为双反应器，布置在锅炉空气预热器支架上方，在反应器前设置灰斗，不设旁路烟道，催化剂层数采用2+1布置方式。两台机组共用一套贮氨及输送系统。工艺流程图见图1。

图1某电厂1000MW扩建机组烟气脱硝工艺流程图
Fig.1ThefluegasDe-NOXprocessof1000MWunitsofonePowerPlant
运行过程中烟气从省煤器出来后分为两路进入A、B侧烟道，在每个烟道内布置一个反应器，反应器断面尺寸为15.62×13.04m，高约15m，反应器设计成烟气竖直向下流动与氨气混合，经气流均布装置后进入反应器，完成脱硝反应后进入空气预热器，经后续脱硫、除尘烟气净化处理后排入大气。SCR反应器应能承受运行温度420℃不少于5小时的考验，而不产生任何损坏。
3.2液氨储存与输送
液氨的供应由液氨槽车运送，利用液氨卸料压缩机将液氨输入储氨罐内，用液氨泵将储槽中的液氨输送到液氨蒸发槽内蒸发为浓氨气，经氨气缓冲槽控制一定的压力及其流量，然后与稀释空气在混合器中混合均匀后输送至反应器前，经过氨喷射系统喷入反应器。喷射系统包括涡流混合器，并经数模计算和模型试验，使氨气和烟气混合均匀，保证：NH3/NOx混合不均匀性<5%。氨气系统紧急排放的氨气则排入氨气稀释槽中，经水的吸收排入废水池，再经由废水泵送至废水处理厂处理。每台炉液氨的储氨罐容量，根据照锅炉BMCR工况设计，按每天运行20小时，连续运行10天的消耗量考虑。
3.3催化剂
催化剂的型式采用蜂窝式，整体成型，孔径大于7.0mm，壁厚大于0.7mm。催化剂模块设有有效防止烟气短路的密封系统，各层模块规格统一、具有互换性。满足烟气温度不高于400℃的情况下长期运行，单层催化剂最大脱硝量为160mg/Nm3、80%脱硝效率。在运行过程中，由于反应器采用高尘布置，催化剂模块表面容易积灰，因此必须定期吹扫，每一层催化剂都布置吹扫装置。
4、脱硝设计技术参数
1000MW机组脱硝系统设计参数如表1所示：

5、脱硝系统运行控制
5.1喷氨量控制
脱硝过程主要以方程式（1）为主，达到95%以上，根据方程式（1）的摩尔比例关系，可认为脱硝率（△NOx）与NH3/NOx成正比，按要求脱硝效率为80%左右，则NH3/NOx也控制在0.8左右。脱硝反应要在315～400℃温度下完成，且控制氨的逃逸率经常小于2ppm，最大不超过3ppm。因此喷氨量的控制尤其重要，SCR系统不希望泄漏任何未反应的氨气3，因为泄漏的氨能与烟气中的SO2和SO3反应生成硫酸铵和亚硫酸氨，从而污染下游的设备，特别是空气预热器，也会造成氨的浪费。
实际运行过程中：由于氨气在空气中体积分数爆炸极限为15.7％～27.4％，液氨经过蒸汽加热产生的氨气，在混合器中稀释成氨气体积分数为5%的气体，喷入反应器，稀释的氨气质量浓度是根据纯氨气给料来控制，氨气加入量根据反应器进出口NOx质量浓度差来控制。
运行中氨气喷入反应器先经过涡流混合器进入催化层，使氨气和烟气均匀混合，和NOx充分接触，完全反应，脱硝效率才可达到80%以上，残留氨气少，同时可使氨的泄漏量保持在一个可接受的水平上。喷氨系统设有反应器低温、高温保护以及反应器进出口压差保护，当温度低于307℃或高于427℃时，自动停止喷氨；当反应器进出口压差超过设定值时，也自动停止喷氨。运行中适当控制加氨量并将氧的过剩量维持在2%左右，NOx的还原反应就会进行得更充分，反应温度也会维持在所需的范围之内。
5.2氨站蒸发系统及输送系统控制
液氨蒸发才用蒸汽加热，蒸发槽上装有压力控制阀将氨气压力控制在一定范围，当出口压力过高时，则切断液氨进料。在氨气出口管线上装有温度检测器，当温度过低时切断液氨，使氨气至缓冲槽维持适当温度及压力，蒸发槽装有安全阀，可防止设备压力异常过高。从蒸发槽蒸发的氨气流进入氨气缓冲槽，通过调压阀减压成一定压力，再通过氨气输送管线送到锅炉侧的喷氨系统。
5.3吹灰控制
由于反应器采用高尘布置，因此必须设置吹灰器。吹灰器系统采用进口声波吹灰器，每一层催化剂设置8台声波式吹灰器。预留层吹灰器预留吹灰器接口。
声波吹灰器用气接自厂用压缩空气，每炉设置5立方米的压缩空气储罐，至各反应器压缩空气母管设置滤网和调压阀，滤网防止杂质进入声波喇叭，调压阀用于防止压缩空气压力过大对喇叭膜片的破坏。厂家建议的吹扫频率为每10分钟吹扫10秒，每炉的两个反应器依次吹扫，每个反应器从最上层开始吹扫，每层的吹灰器依次吹扫。
5.4催化剂的失效控制
催化剂长时间运行后，催化反应的效能会慢慢降低，直至失效。SCR烟气脱硝装置运行引起催化剂失效原因有化学和物理两个方面的因素。煤在锅炉中燃烧会产生重金属、随烟气进入脱硝反应器，与催化剂发生置换反应，引起催化剂中毒，这是化学方面的原因。催化剂表面积灰，也会引起失效，这是物理方面的原因。因此催化剂到使用寿命时，必须更换，否则影响脱硝效率，导致氮氧化合物排放超标，氨气逃逸率超标。
5.5运行控制系统
脱硝反应器区域的系统采用与机组DCS一体化配置的远程I/O并由机组DCS操作员站实现对SCR的监控；氨站公用部分有关的系统采用PLC及就地操作员站进行监控，以冗余通讯方式接入化学水处理控制系统，重要信号分别送两台机组的脱硝DCS。公用PLC站设在制氨站控制小室，实现就地操作员站监控。
6、脱硝运行注意事项
6.1防止空气预热器积盐堵塞和腐蚀
氨气是碱性物质，与烟气中的酸性物质发生反应生成盐类物质，如硫酸氢铵、硫酸铵等，反应如下：
SO2+1/2O2=SO3
NH3+SO3+H2O=NH4HSO4
2NH3+SO3+H2O=(NH4)2SO4
化学反应生成的硫酸氨、硫酸氢铵随烟气进入空气预热器后，在此过程中硫酸铵会分解成硫酸氢铵，而硫酸氢铵是一种黏附性很强并具有较强腐蚀性的物质。当烟气与冷空气发生热交换，温度降低，到140～230℃时，此温度区处于空气预热器的冷端上方和中间方，硫酸氢铵会在空气预热器此区间换热板上冷凝析出晶体，与灰尘粘合在一起沉积在空气预热器的换热板上，造成空气预热器堵塞。据国外经验，当氨残留浓度在3～5ppm时，3到6个月就能使空气预热器阻力增加一倍。同时硫酸氢铵本身对金属有较强的腐蚀性。
防止堵塞的主要措施有：（1）降低氨气逃逸量，严格控制在3ppm以下；（2）采用低SO2/SO3转化率的脱硝催化剂；（3）降低飞灰含碳量；（4）按要求进行空气预热器吹灰；（5）采用低过量空气燃烧方式。
6.2防止氨气泄漏和爆炸
6.2.1液氨的特性
（1）液氨是强腐蚀性有毒物质，熔点-77.75℃，沸点-33.42℃，临界温度132.30℃，临界压力11.28MPa，泄漏会对人得皮肤和眼睛造成严重疼痛性灼伤，而且皮肤被氨水灼伤后，创面深、易感染，与Ⅱ度烫伤相似。
（2）氨气具有强烈的刺激性气味，会产生窒息作用，氨的毒性属于Ⅳ级。急性接触和吸入浓度150～450mg/m3氨气会引起大量流泪、咽部刺激和咳嗽等反应，可造成肺水肿和化学性支气管炎等疾病。接触到浓度高于450mg/m3的浓氨气时会引起喉头水肿、气管炎支气管痉挛和黏液分泌亢进，进而可造成非心源性肺水肿和支气管肺炎，甚至可在数分钟内引起窒息死亡。
（3）氨气与空气混合能形成爆炸性混合物，氨的火灾爆炸危险性属于乙类。在常温、常压下，空气中的氨气的爆炸极限为15.7％～27.4％，遇明火、高热会引起燃烧爆炸。氨气与氟、氯等气体接触会发生剧烈反应，可能造成容器开裂和爆炸。
6.2.2氨站消防及防爆措施
氨站在现场独立设置，采用敞开式布置，并设有保温层和遮阳棚，主要设备均设有泄压安全阀，储槽出口装有逆止阀和紧急关断阀，周围设置有各种危险性警告牌。防爆报警系统设计成独立完成检测与控制的功能，并接入主厂房报警系统。氨站最大的隐患就是泄漏，因此氨的储存和供给系统的严密性是最关键的问题，防止氨气泄漏和氨气与空气混合造成爆炸是日常运行维护的重点。因此，氨区设置有全覆盖自动喷淋设施，自动喷淋系统按《水喷雾灭火系统设计规范》（GB50219-95）进行设计，喷雾强度9L/(min·m2)，水喷雾压力0.2～0.6MPa，持续喷雾时间可达6小时。当储氨槽本体温度过高时，储氨槽顶部还有一套工业水喷淋冷却装置可以自动启动，对罐体喷淋减温；当氨气大量泄漏时，氨泄漏检测仪可启动自动喷淋装置并启动消防报警，对氨气进行全覆盖喷淋吸收，控制氨气污染，防止人员中毒。氨站控制室配有正压式防毒面具2套、酸碱防护服2套，四氯化碳灭火器1个。
7、脱硝氨站的安全管理
7.1液氨接卸的安全管理
（1）电厂卸氨操作人员经过培训合格后才能负责接卸工作。接卸人员应熟悉液氨特性和危险性，在液氨发生泄漏的紧急情况下能独立进行处理。
（2）卸氨操作时接卸人员和运输人员均需戴防护手套、护目镜及防毒面具，液氨槽车进行接地。过程中随时检测空气中氨气的浓度，控制操作区域内氨的浓度低于30mg/Nm3，否则立即停止操作，查找漏点。同时过程中控制卸氨速度，严禁过量充装。为了防止卸氨时发生意外，在雷雨天气和附近有火警时严禁进行卸氨操作。
（3）卸氨结束，当槽车液位指示到0时，停止卸氨压缩机，运输人员关闭槽车上的气、液相截止阀，电厂接卸人员用氮气对气、液相管道进行置换。置换结束后，运输人员分离卸氨连接软管及接地线，经双方确认无误后槽车方可离开。
7.2氨站日常运行安全管理
（1）电厂运行值班人员经过培训合格后方可负责氨站的日常运行和机组的供操作。按规定对设备进行巡回检查，发现缺陷及时处理。
（2）运行值班人员要对氨气压力、氨气温度、氨槽温度、氨气流量等运行参数进行监控，并通过工业电视和定期巡检加以辅助，一旦发生异常立即查找原因进行处理。如当，氨槽的温度高于40℃时，必须投入氨槽喷淋进行冷却。
（3）运行值班人定期对喷淋装置进行手动试验，确保其能正常工作，有缺陷及时处理；氨站的氨泄漏检测仪和漏氨报警仪必须定期进行校验，如超过检验周期，及时进行重校验。
（4）运行值班人必须持有危险化学品操作证，熟悉并掌握漏氨应急处置各项规定。在氨站内操作时，监护人员必须到场，同时穿戴好防护个人防护用品，按规程操作。同时加强值班人员的日常培训工作，每年不少于2次氨泄漏应急演练。
（5）进入氨站的检修人员同样要经过培训并考核合格，熟悉系统及氨泄漏的危险性和处理方法，才可以进行设备的检修工作。如对氨气氨站泄漏进行消缺检修时，检修人员应做好个人防护，穿戴全身防火防毒服进行操作。
在氨气供应区域设置了氨气监测报警设备、全覆盖及冷却喷淋设备、洗眼淋浴设备等。现场消防水及工业水压力正常，操作人员配置必要的防护用品，严格遵守操作规程，SCR及氨站运行是安全可靠的。
8、脱硝性能检测
脱硝系统与机组同步完成“168小时”试运后。南京某性能检验中心于2011年7月22日至7月24日对#1机组脱硝工程进行了性能检测试验。在2011年7月22日-24日，机组平均负荷是1000MW。脱硝性能试验结果如下：A侧反应器的入口NOx浓度分别为298.7、316.1、375.1mg/Nm3，接近设计条件；A侧反应器的脱硝效率为80.2%，氨逃逸率为0.98mg/Nm3；B侧反应器的入口NOx浓度为268.1、372.0、393.8mg/Nm3，接近设计条件；B侧反应器的脱硝效率平均为为80.3%，氨逃逸率为0.63mg/Nm3。从检测数据可以看出，机组脱硝工程完全满足国家环保部最新规定的火电厂氮氧化合物排放标准。
9、结语
SCR脱硝工艺是成熟、可靠的，该工艺控制方便，而且运行安全可靠；脱硝产物直排大气，不会造成二次污染。SCR工艺虽然初始投资较大，但脱硝率高、运行成本比较低，完全能满足最新的火电厂大气污染物排放标准。现在国家也实行每度电0.8分钱脱硝电价补贴，在这种情况下绝大多数电厂都可以承担脱硝投资和运行费用，因此SCR技术具有广阔的应用前景。