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1 600MW 锅炉烟气脱硝锅炉烟气脱硝 SCR 系统工艺及运行分析系统工艺及运行分析 陈山 1 高翔 1 姜烨 1 毛剑宏1曹志勇2骆仲泱1 岑可法 1 （1 浙江大学热能工程研究所; 2 浙江省电力试验研究院） 摘要摘要 详细介绍了某电厂600MW锅炉烟气脱硝SCR技术的系统和工艺特点， 并对系统的运 行状况进行了分析，同时研究了关于其系统优化运行的方法。 关键词关键词 选择性催化还原选择性催化还原SCR; NOx；；600 MW锅炉；脱硝效率；氨逃逸；锅炉；脱硝效率；氨逃逸； The Technology and the Operational Analysis of Selected Catalyst NOx Reduction of 600MW Boiler Chen Shan1, Gao Xiang1, Jiang Ye1, Cao Zhiyong 2, Mao Jianhong1, Luo Zhongyang1, Chen Kefa1 1.The Institute for Thermal Power Engineering ITPE of Zhejiang University; 2. Zhejiang Electric Power Test Research Institute Abstract This paper gives an introduction of the technology features of Selected Catalyst NOx Reduction of 600MW Boiler, analyses the operating mode of this system and investigates the optimize of the operation of SCR system Keywords Selected catalyst reduction；；NOx；；600 MW Boiler；；NOx Removal；；Ammonia slip；； 前言前言 NOx不仅是酸雨形成的主要原因, 而且可与碳氢化物等反应形成光化学烟雾， 同时其对动植物生长还有很多负面影响[1][2]。世界各国对燃煤电厂烟气、汽车 尾气中的NOx 含量制定了严格的排放标准。越来越多的NOx排放的技术被应用于燃 煤电厂的烟气处理工艺中，其中SCR技术由于其很高的脱硝率和较好的经济性而被 国外很多的电厂所采用。我国的环保形势日益严峻，到2004年为止，全国氮氧化 物排放总量达到1600万吨左右，其中火电厂排放量约占一半[3]。随着我国环保法 规的日益严格，执法力度的加严，我国已开始逐步在大型燃煤电厂安装SCR脱硝装 置。目前，福建后石电厂[4]、厦门嵩屿电厂和浙江宁海电厂的SCR脱硝装置已投 入运行。 对SCR反应器的优化研究一般借助物理流动模型、数值模型来完成的，然而， 对SCR反应器的物理模拟和数值模拟不能完全解决SCR技术发展中所遇到的所有问 题，同时影响SCR系统的因素多（烟气条件、环保要求、排烟条件、FGD装置、空 气预热器、ESP等设备），投资大，运行成本高，因此，对SCR系统进行现场性能 分析研究对于SCR系统内流体流动、传质传热、节能降耗具有重要的意义。 1. SCR 系统介绍系统介绍 SCR烟气脱硝工艺系统主要由反应系统、氨喷射系统、氨储存系统、SCR控制 系统和烟道系统组成。 1.1. 反应系统反应系统 2 1.1.1. 反应器反应器 锅炉配有 A、B 两个反应器。反应器为固定床、与烟气平行通道、垂直向下布置 的形式。除了已有的催化剂，在脱硝效率下降到要求值前，将安装附加层催化剂。 添加之后，可利用初始催化剂的活性，提高脱硝效率，延长催化剂的使用寿命。 反应器支撑在底部钢架上，包括外壳和内部催化剂支撑结构，能耐内压、地震荷 载、风载、催化剂荷载和热应力。反应器外壳有保温，能支撑整个荷重，并且是 密闭的。内部催化剂支撑结构直接支撑催化剂。反应器外壳用钢板制作，外用梁 进行结构加强和支撑。在催化剂底部装有密封装置，以防未处理的烟气泄漏。 1.1.2. 催化剂催化剂 反应器中有两个催化剂层。 催化剂由 1mm 厚、 间距为 7mm 的催化剂元件组成。 催化剂元件包含支撑板，在其上涂有表面有活性催化剂成分的二氧化钛载体。烟 气平行通过催化剂，使压损最小化。催化剂具体设计参数如表 1 表 1 催化剂设计参数 项目 单位 数据 项目 单位 数据 层数 2 活性温度 ℃ 296～450 间距 7mm 间距 基材 不锈钢 活性物质 TiO2、V2O5 等. 烟气流速 m/s 6 体积 m3 2301.1 m3/反应器 重量 t 2175 t/反应器 1.1.3. 吹灰系统吹灰系统 为了防止烟气的飞灰在催化剂上沉积，堵塞催化剂孔道，在每层催化剂上安 装了 4 个声波吹灰器，吹灰介质为压缩空气。为了防止烟气的大颗粒飞灰在催化 剂反应系统集聚，在反应器进口烟道底部安装了 1 个灰斗，同时有 4 个压缩空气 喷嘴，可以将进口烟道内的飞灰吹入灰斗。反应器底部安装有 3 个灰斗，用来收 集反应器内部的飞灰。 1.2. 氨喷射系统氨喷射系统 图 1 氨喷射系统 本 SCR 工艺的氨喷射系统包括稀释风机、静态氨/空气混合器、供应支 管和喷射格栅（AIG）。在锅炉钢架中装有两台 100稀释风机为氨和空气混合气 3 源。 风机型式为带有消音装置的罗茨风机， 单台空气混合风机的流量为 10500m 3/h。 氨气/空气混合器内设隔板， 使得经过压力和流量调整后的氨气与空气能在混合器 内充分的混合，把氨稀释成重量比小于 5的混合气。每个供应管道上都装有手动 节流阀和流量孔板，通过调节可获得氨气在烟气中更均匀的分布。根据烟道中烟 气取样分析得出 NH3 和 NOx 的分布值，据此来调节节流阀。氨喷射格栅安装在反 应器前的竖直烟道中。氨喷射格栅包括格栅管和喷嘴。 1.3. 氨储存系统氨储存系统 如图 2，液氨的供应由液氨槽车运送，利用液氨卸料压缩机将液氨由槽车输 入液氨储槽内，储槽输出的液氨于液氨蒸发槽内蒸发为氨气，经氨气缓冲槽送达 脱硝系统。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。 氨储存系统的主要设备参数如表 1 所示。 图中1.液氨槽车；2.卸料压缩机 A/B；3.液氨储罐 A/B；4. 液氨蒸发器 A/B；5. 氨气缓冲罐A/B；6. 氨气稀释槽；7.废水池；8. 雨水井 图 2 氨储存系统 另外，氨气属于易爆危险品，因此使用氨气泄漏检测器检测氨气的泄漏，并 显示大气中氨的浓度。当检测器测得大气中氨浓度过高时，在机组控制室会发出 警报，操作人员采取必要的措施，以防止氨气泄漏的异常情况发生。 液氨储存及供应系统保持系统的严密性防止氨气的泄漏和氨气与空气的混合 造成爆炸是最关键的安全问题。基于此方面的考虑，本系统的卸料压缩机、储氨 罐、氨气蒸发槽、氨气缓冲槽等都备有氮气吹扫管线。在液氨卸料之前通过氮气 吹扫管线对以上设备分别要进行严格的系统严密性检查和氮气吹扫，防止氨气泄 漏和系统中残余的空气混合造成危险。 表 2 氨储存系统的主要设备 序号 设备名称 数量 数据 1 液氨储罐 2 台 设计压力 2.35 MPa，工作压力 2.16 MPa，设 计温度 60℃， 工作温度- 19～50℃， 容积 50 m3 2 卸料压缩机 2 台 CORKEN491- 107，31.6 m3/h，2.41 MPa， 550r/min，11 kW 3 液氨蒸发器 2 台 工作压力 0.3 MPa，工作温度 35℃，换热面 积 26 m2 4 氨气缓冲罐 2 台 工作压力 0.3 MPa， 工作温度 35℃， 容积 2 m3 5 氨气吸收罐 1 台 容积 6 m3，工作温度 75℃ 4 序号 设备名称 数量 数据 6 废水泵 1 台 DUH0512，17 m3/h，50 mH2O， 1.4. 控制系统控制系统 1.4.1. 控制原理控制原理 SCR 控制系统的基本原理是通过反馈控制提供氨量，保持出口 NOx 值恒定。进 口 NOx 浓度和烟气流量的乘积为 NOx 流量信号，然后此信号与所要求的 NH3/NOx 摩尔比 （取决于脱硝效率） 相乘得到氨耗量信号。 氨喷射流量的计算公式如1式。 摩尔比可由程序决定或在现场调试时设定。 XNOFNH MGGG x 3 1 式中 3 NH G氨喷射流量（m3/h） F G 锅炉烟气流量 干基 m3/h x NO G进口 NOx 浓度 实际氧量基准下 ppmvd X M 摩尔比 - 1.4.2. 氨的供应控制系统氨的供应控制系统 氨的供应控制系统对氨流量用温度和压力因子进行修正。进口NOx信号送入控 制器，根据程序计算氨流量。用氨流量控制阀控制氨流量，从而控制器能保持出 口NOx的浓度值。氨气供应管道上设有紧急切断阀，在烟气温度低于286℃或者氨 气稀释比例高于14时连锁切断氨气供应。 1.4.3. 稀释空气的供应控制稀释空气的供应控制 稀释风机提供到混合器中的稀释空气流量可用手动挡板进行控制，一旦设定 好空气流量，将不再随锅炉负荷进行调节。根据氨气占整个混合气体的比例约5， 计算稀释空气的流量。在低负荷或低NOx值时，氨气浓度将低于5。将空气流量信 号与氨流量信号相比得出稀释比例，以控制在爆炸极限范围内。在混合器上游的 氨气管道上设有止回阀，防止倒流。 1.4.4. 氨气氨气/空气混合气体的供应控制空气混合气体的供应控制 氨气与稀释空气在混合器中混合，然后混合气体进入分配总管，接着进入各 喷氨支管。每个支管上都有手动节流阀和流量孔板，以保证混合气体能均匀地喷 入到烟气中。 2. 系统的运行分析系统的运行分析 2.1. 设备运行分析设备运行分析 在SCR系统运行168小时内，SCR系统脱硝率保持在80％左右，出口氨逃逸率远 低于3ppm，详见图3。各设备运行正常，系统参数保稳定，主要运行参数如表2。 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 5 图 3 SCR 系统 168 小时运行曲线 表 3 项目 单位 反应器A 反应器B 进口烟气温度 ℃ 338 337 氨气温度 ℃ 14.8 15.2 催化剂压差 Pa 345.8 339.3 氨气压力 MPa 0.13 0.13 氨气流量 Nm 3/h 164.8 162.8 稀释风机空气流量 Nm 3/h 5064.3 4977.2 氨/空气混合比 3.3 3.3 进口氧量 4.0 4.3 进口NOx含量 ppm 270.7 256.9 出口氧量 4.0 4.1 出口氨含量 ppm 0.7 0.5 出口NOx含量 ppm 49.3 50.3 脱硝效率 81.8 80.4 2.2. 反应器运行分析反应器运行分析 为了更加清楚的分析SCR反应器的运行特性，参照锅炉性能试验的方法在SCR 进出口的烟道取24个测点测量其局部的烟气流速、氧量、温度、NOx含量等等，按 算术平均值（如下式）计算出其截面参数的平均值[5]。另外为了能更加真实的反 映烟气参数在烟道截面的分布情况，常用偏差Cv（coefficient of variation） 来表述参数在烟道截面的均匀程度[6][7]。 100 C v x σ 2 其中 ∑ − − n i i xx n 1 2 1 1 σ 3 6 ∑ n i i x n x 1 1 4 在测试过程中严格按照国家标准进行烟气取样测试，烟气流速采用动压法得 到， 氧量采用氧量仪， NOx浓度采用美国罗斯蒙特公司NGA 2000系列在线烟气分析 仪测量，其中烟气在测点处烟气取样采用皮托管[8]。 2.2.1. 入口烟气流速分布分析入口烟气流速分布分析 图4，图5反映了反应器入口的烟气速度的偏差。A反应器入口的烟气平均速度 高于B反应器入口的烟气品均速度，这是由于该电厂的锅炉为四角切圆形式的，因 此在省煤器出口的烟气速度有偏差，进入SCR反应器后就表现为两个反应器入口烟 气流速相差1m/s的情况。由于两个反应器是左右对称的，则两个反应器烟气流量 是不同的，于是两个反应器的氨耗量也是不同的，同时烟气中SO2等使催化剂失活 的物质的含量也不同，灰浓度也不同，因此催化剂的寿命很可能不同，由此催化 剂使用的经济性也受到影响，可以考虑改变烟道的方式消除此影响。 图 4 A SCR反应器进口烟气速度 图 5 B SCR反应器进口烟气速度 就单个反应器来分析，A列和D列测点处的速度远远低于平均烟气流速。D列测 点由于距离导流板较近，烟气在此处产生涡流，因此此列所测量得到的烟气流速 远远低于平均速度。A列测点则是由于反应器入口位置处的导流板未能将足够的烟 气分流到烟道的外侧导致，此列的烟气流速过低将会导致列测点附近烟气的氨氮 比远高于其他位置，将会影响出口NOx的浓度偏差，高脱硝的工况下此处烟气在出 口氨逃逸的情况会比较严重。 2.2.2. 脱硝率脱硝率 对SCR系统的性能考核标准主要集中在脱硝率以及出口NOx的浓度偏差系数Cv 两个指标上。由于锅炉两个反应器是对称的，本文只对其中一个反应器的运行工 况进行分析。如图6为氨氮比为0.80时由进出口NOx浓度计算得到的脱硝率的分布， 其反应器的平均脱硝率为81.7％，这是符合SCR过程化学的理论的。 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 7 图 6 反应器脱硝率 图 7 SCR 反应器烟气温度偏差 2.2.3. 烟气温度分布烟气温度分布 图 18 反应了反应器入口处的烟温偏差，不难看出两个反应器温度偏差都不 大，偏差系数都小于 5％，同时温度的变化也在 30K 以内。因此不难看出，反应 器本身结构对烟温的影响不是很大， 在反应器设计过程中这个问题不是主要问题。 2.2.4. 出口出口 NOx 分布调节分布调节 由上文的分析可知反应器入口处的烟气流速分布是不均，这样造成了反应器 出口NOx的浓度分布不均匀，如图5，其Cv甚至超过了30％，不能达到国家规定的 项目达标要求，为此特调节供应管道上的手动节流阀以得到比较均匀的出口NOx的 浓度分布。 每个反应器有30根供应支管，分别标记为B11－B40，B21－B30管在进入反应 器时分为两根支管每根支管上面有9个喷嘴，共180个喷嘴，这180个喷嘴组成了第 一层喷射面。B11－B20每个支管进入反应器后也有9个喷嘴，它们构成了第二层喷 氨面的右半部分，B31－B40支管的90个喷嘴组成第二层喷氨面的左半部分。在SCR 系统运行初始时的所有氨的喷射支管上的流量孔板都在中间位置，测得此时各管 的压差数值（如图9）。 图 9 氨气供应支管流量 在初始工况，各喷氨支管的手动节流阀都在中间位置（左右墙的为5/10位置， 前墙为3/6位置）。在此工况下，左右墙各支管的氨流量基本相等，前墙各支管的 氨流量也基本相同，即两层喷射格栅的喷氨量基本均匀。在考虑了反应器入口的 烟气流速分布之后，我们认为A处烟气流速过小使得A处的氨氮比远高于其他位置， 出口NOx浓度偏差过大的主要原因。因此需要降低A下游处的喷氨量，将B29、B30 8 支管的手动节流阀减小，其氨混合气的流量改变如图5。而在此工况下出口NOx的 浓度偏差的到明显下降（如图8，9），此时NOx的浓度偏差系数Cv达到项目验收标 准。 图 10 工况1出口NOx浓度 图 11 工况 1 出口 NOx 浓度 3. 结论结论 分析了 600MW 机组 SCR 系统的设计、运行情况，可为 SCR 系统的国产化设计 和运行及设备改造提供参考。总体来看，该 SCR 工艺能够满足现有国家的烟气排 放的标准，在氨氮比为 0.8 时，系统脱硝率维持在 80％左右，同时通过对反应系 统喷氨工况进行调节后能使其出口 NOx 的浓度偏差控制在 30％以内， 可以满足燃 煤电厂运行时烟气脱硝的要求。 参考文献参考文献 [1] V. 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