选择性催化还原法烟气脱硝技术和设计管理特点

2014-01-28崔超

综合智慧能源 2014年8期

崔超

(中国大唐集团科技工程有限公司，北京 100097)

0 引言

燃煤在发电过程中会排放大量的氮氧化物，燃烧1 t煤炭会产生5～30 kg的氮氧化物。氮氧化物是大气的主要污染物，它与碳氢化物反应生成的光化学烟雾严重危害人类健康。另外，氮氧化物还是造成酸雨的一个主要原因，酸雨的频繁发生给生态环境和国民经济造成极大的影响。

为了达到“十二五”期间火电厂大气污染物总量控制与达标排放的目标，满足氮氧化物排放限值以及政府提出的限期开展烟气脱硝改造的要求，各地火电企业都在积极进行烟气脱硝改造。相关资料显示，2013年全国超过700台火电机组进行了脱硝改造。

对于国内的烟气脱硝设计技术，目前国内尚处于消化吸收阶段，创新明显不足，个别技术细节仍停留在工程反馈后重新进行认识和矫正的阶段。烟气脱硝总承包(EPC)工程项目管理研究是一个系统工程，设计管理是总承包工程项目管理的一个重要组成部分，总结烟气脱硝技术和设计管理的特点，有利于进一步加强精细化设计管理。

1 选择性催化还原法烟气脱硝技术特点

适用于燃煤电厂锅炉的烟气脱硝技术主要有低氮燃烧技术(LNB)、选择性非催化还原脱硝技术(SNCR)、选择性催化还原法(SCR)脱硝技术等。在众多的脱硝技术中，SCR是脱硝效率最高、最成熟的脱硝技术，SCR已成为目前国内外电厂脱硝的主流技术［1］。SCR烟气脱硝技术具有如下特点。

1.1 与主机运行密切相关

烟气脱硝的主要反应原理是:烟气中的氮氧化物与喷入烟道的氨气在高温及催化剂作用下进行反应，生成氮气和水蒸气。烟气脱硝系统主要包括还原剂储存与制备系统和烟气系统。烟气脱硝系统与烟气脱硫系统相类似，设备不多。烟气脱硝系统属于电厂的一个子系统，而烟气脱硫系统则相对独立，若个别设备短期故障或者停运，一般不会影响脱硫系统和主机的安全运行。烟气脱硝系统的烟气来自锅炉省煤器出口的高温烟气，一旦脱硝系统设备发生故障，会直接影响主机的运行安全，甚至会造成停机。

1.2 安全要求高

还原剂的选择是影响SCR脱硝效率的主要因素之一，它具有效率高、价格低、安全可靠、存储方便、运行稳定、占地面积小等特点。目前，常用的还原剂有液氨、尿素和氨水3种类型。由于液氨来源广泛、价格便宜、投资及运行费用少，因而国内大多数SCR装置都采用液氨作为SCR脱硝还原剂。液氨属于危险品，对于存储、卸车、制备、采购及运输路线等均有较为严格的规定。

1.3 钢结构设计复杂

SCR脱硝装置通常采取高尘布置，即按烟气流程布置在锅炉省煤器和空气预热器之间。脱硝反应器是一个钢架结构体，它包括反应器壳体、催化剂、氨喷射与导流装置、反应器内部支撑与支撑钢架，整体坐落在独立的构架平台上。此外部分SCR辅助设备(稀释风机、混合器、吹灰器)也布置在反应器平台上。因此，作为SCR脱硝装置主要部件的反应器，其温度高、三维变形大、荷载大，需要对其进行线性静态分析及劲度矩阵计算，钢结构设计十分复杂。

1.4 反应器及支架布置困难

大部分的改造项目炉后的空间狭小，一般没有预留脱硝装置空间，地上布置有风机、烟道及支架，地下设施和管线复杂。在这种条件下，反应器及支架布置困难，无论是加固原有烟道支架，还是插空新立钢支架，施工难度都较大，工期不确定因素较多。

1.5 锅炉改造难度大

烟气一般从锅炉省煤器出口引出，经反应器与氨气反应后，再返回空气预热器入口。当引出和接入烟气时，要对锅炉尾部钢架局部进行加固和改造。因锅炉钢结构比较复杂，加固核算需要非常专业的知识，还要熟悉原有锅炉钢架计算模型，所以，一般需要锅炉厂专业技术人员才能完成这部分的设计工作。

1.6 流场要求高

不同类型的氨喷射混合技术都必须进行烟道及反应器流场计算和物理模型试验，优化调整反应器进、出口烟道的外形和布置方式、导流板的形状和位置、喷氨格栅的布置位置等，使反应器入口烟气流场达到一定的均匀程度。脱硝系统流场计算和物理流场模型优化试验范围一般涵盖从锅炉省煤器出口到锅炉空气预热器入口的全部烟气系统，其中包含烟气系统内的导流板、喷氨装置、反应器入、出口烟道和反应器等。

1.7 涉及改造的系统多

1.7.1 低氮燃烧改造

国内切圆燃烧技术源自美国CE公司，从早期的集中送风高温富氧燃烧到目前的多级空气深度分级燃烧，在不同时期已发生了4次重大变化。目前国内采用了不同阶段的低氮燃烧技术，虽然效果不同，但可以在一定程度上降低燃烧过程中NOx的生成量。排放质量浓度仍然较高的锅炉(在名义工况下，通常大于600 mg/m3，下同)，如果不进行低氮燃烧改造而只进行选择性催化还原法烟气脱硝改造，相应改造投资与运行费用会大幅增加。经综合考虑，无论是从机组达标排放要求还是从技术或工程实施角度、经济性角度考虑，对锅炉进行低氮燃烧改造是非常必要的。

1.7.2 省煤器除灰系统改造

目前，有些锅炉未设置省煤器灰斗及省煤器输灰系统，存在着输灰不畅的问题，烟尘会在省煤器出口至反应器上升烟道水平段聚集，随着烟气流动，大量积灰会带入后续反应器内，堵塞催化剂孔道。因此，在烟气脱硝改造期间，需要增加省煤器灰斗或改造现有输灰系统。若省煤器出口水平烟道较长，还需要在反应器入口烟道底部(即省煤器出口)增设小灰斗并设置输灰系统，将SCR入口积灰及时排出。此外，还可在水平烟道上设置人孔，在水平烟道少量积灰的情况下，在机组小修期间，可通过人孔进行清除。

1.7.3 空气预热器改造

大多数机组空气预热器在设计初期并未考虑脱硝预留。因冷端元件高度预留不够，脱硝系统投运后副反应生成的NH4HSO4沉积点会高于低温段换热元件高度，导致换热元件堵塞及腐蚀。若不采取改造措施，脱硝系统投运后会在下级换热元件内产生NH4HSO4沉积，并在换热元件内发生堵塞并出现腐蚀，影响空气预热器及整个机组的正常运行。考虑到上述情况，一般在脱硝改造的同时，需对空气预热器换热元件进行更换，也对相关冲洗设备进行配套改造，以满足机组稳定运行的要求。

1.7.4 引风机改造

脱硝改造对引风机的影响主要是系统阻力的增加而使引风机出力也相应增加。在通常情况下，脱硝装置增加阻力可按1000～1200 Pa考虑，对于引风机裕量不足的电厂，就需要对引风机进行改造。

2 SCR法烟气脱硝设计管理特点

不同类别的工程都有其本身独有的技术特点，随之而来的设计管理也要对症下药，需要总结出一套行之有效的管理方法，才能达到事半功倍的效果。根据烟气脱硝项目的特点和项目的实际执行经验，现将烟气脱硝设计管理特点总结如下。

2.1 工期短

目前大多数电厂受煤价上扬和电价受限因素的影响，经济效益不好，很多电厂负债率明显偏高，职工收入多年没有增长。加上脱硝电价尚未落实，即便落实后，根据目前政策也无法弥补脱硝运行成本。所以，大多数电厂对于脱硝改造并不积极，能拖则拖。可是，迫于全社会治理环境污染的压力，脱硝项目又不得不上。这种矛盾的心理，造成了脱硝项目一旦开工，工期就会奇短;并且没有拖延的余地，否则就会面临停产。

一般来说，烟气脱硝总承包单位介入半年至1年项目就要投运，而且项目进度要依赖于电厂停机检修计划及节点。需要在停机的半个月至2个月内完成烟气系统的贯通、催化剂的安装等重要工序。工期奇短，设备和钢结构生产周期无法改变，安装工期也无法进一步压缩，给设计工期带来了巨大的压力。尽管相关部门一再强调禁止“三边”(边勘测、边设计、边施工)工程，但设计工期过短很容易成为“三边”工程，如此局面会带来很大的风险。一方面，设计人员在重压和资料不全的情况下，其设计技术参数偏于保守;另一方面，由于图纸未经校审和考虑不周，设计变更会比较多。在这种情况下，面临着工期拖延和成本大幅增加的风险。

2.2 管理难度大

对于常规脱硝改造项目，设计管理人员一般会涉及众多的相关单位、部门及个人:脱硝设备生产厂家(几十家)、钢结构设计单位、钢结构制造单位、施工图设计单位、初步设计审查单位、锅炉厂、电厂、施工单位、现场项目部、公司内部各业务部门、设计院内部各专业人员、主管领导等。如果复杂一些的脱硝改造项目还要涉及低氮燃烧改造单位、空气预热器改造单位、引风机改造单位、除灰系统改造单位、空气压缩机系统改造单位等。短期内需要协调的单位和人员如此之多，管理工作量甚大。再加上脱硝项目很多，每个设计管理人员同时负责多个脱硝项目的设计管理工作，管理工作难度更大。

2.3 影响因素众多

随着脱硝项目管理幅度的增大，影响质量、进度和成本的因素也增多，稍有疏忽，就有可能出现问题，看似不是关键路线的工作也会变成制约项目执行的关键环节。比如，在通常情况下，土建工作作为关键工作，启动较早，若与设备厂家配合出现问题或迟迟定不了设备厂家，土建设计工作就受到制约，现场施工就会受到影响。又比如，钢结构制造工期基本不变，如果前期钢结构设计方案出现了问题或工艺方案出现较大调整，就会影响到后期的钢结构交货，进而影响到现场施工进度。再比如，锅炉改造设计工期较难控制，因为这部分设计合同额较低，锅炉厂不愿意做或对这部分改造设计工作不够重视，假如工艺方案对锅炉改动较大，就有可能被否决。若重新进行方案设计，又要耗费大量的精力和时间，工程整体进度就会受到较大影响。

2.4 行业跨度大

大多数脱硝工程的还原剂均为液氨，该产品属于危险品。还原剂储存及制备区域需要有化工行业设计资质的单位才能从事施工图设计。脱硝又属于电力工程项目，从事该项目的设计管理人员多为长期从事电力行业设计的相关人员，接触的标准和规范也多为电力相关标准。若从事脱硝工程设计管理，又要跨行业对化工设计单位进行设计管理，在设计管理过程中，存在标准不一、习惯不同等差异，沟通起来较为困难。

2.5 相似度高

由于各个机组容量等级的炉后布置方式均有相似或相通之处，脱硝工艺基本一致，故脱硝装置布置也可相互借鉴。在还原剂制备及储存区域，工艺系统基本一致。一般来说，电厂可提供一块空地作为还原剂制备及储存区域。在通常情况下，该空间相对宽松，各项目之间也可相互参考并进行相应修改。

2.6 区域特点明显

受各项目区域地址位置和气候的影响，各项目需要考虑的工艺措施也不一样。比如我国北方地区的项目，由于冬季气温偏低，液氨无法靠自身压力流到蒸发器，就需要增加液氨输送泵。北方冬季偏冷，管道就要考虑防冻保温措施，反应器就要做紧身封闭。再比如，我国南方地区的项目，由于雨水较多，工艺设备露天布置很容易造成锈蚀，需增加相应的工艺罩棚，而在我国北方严寒地区就要把工艺设备放在室内。

3 SCR法烟气脱硝设计管理建议

3.1 标准化模块设计

由于烟气脱硝工程大都类似，系统也不太复杂，可以根据执行项目，总结经验，将氨区和SCR法烟气脱硝区分门别类做成标准模块设计。对于提高工程设计质量、提高工作效率、缩短设计和采购工期都有很大的帮助。比如氨区布置图，一般来说电厂提供氨区位置均为一片空地，场地基本不受太大限制，可以直接拿来就用，即便调整也是局部微调。还可以参考已执行项目的氨区布置，挑选专业水平较高的设计人员进行标准化模块设计，设备之间的相对位置基本固定，考虑到设备外形的差别不大，将设备间距适当放大，以满足所有项目的需要。这样就能避免设计人员花费很大精力对每个项目都要重新设计和布置一遍，节省了人力和物力。

3.2 借鉴以往工程的经验

大部分常规脱硝项目的工艺流程与以往项目都类似。所以，在投标方案和工程量估算上，参考以往项目的布置和实际执行工程量，有利于缩短设计时间，方案更加合理，工程量更加准确。在项目总结报告中要进行设计方面的工作总结，将项目设计的经验与教训反馈给相关部门及专业人员。在新项目执行中，要注意学习借鉴其他项目的成功经验，避免再次出现其他项目的失误。要坚持学习同行的先进设计经验，不断改进设计方案，节约投资。

3.3 设计管理与采购、施工管理深度交叉

改进总承包设计流程，将各个阶段的设计工作模糊化处理，采购与施工配合工作从项目启动即着手配合，平行工作。比如，一旦中标或者项目正式启动后，就一边要开展设计工作，一边进行设计、施工和钢结构、流场计算等分包单位的招标工作，同时要进行催化剂、氨罐、进口设备等主要设备的采购工作。前期设计阶段将设计过程作为关键路线，其他工作要围绕着设计工作进行。一旦开工，就将施工作为关键路线，一切工作要根据施工进度进行调整。这样的深度交叉，会大大缩短工期，在节省人力和成本的同时，也会创造更大的利润。

3.4 项目团队及早参与设计管理

团队成员应尽早地参与工程项目的设计，从全局优化的角度出发，及早考虑设计的可施工性、可操作性和可维护性。这样，加强了方案优化，减少了设计变更，从而达到节约成本、压缩工期、提高质量之目的。

3.5 组建专家团队

将个别有经验的设计人员从繁琐的低端事务中解放出来，让他们从事与自身经验和水平匹配的专业技术工作。优化设计方案、处理设计问题、改进工艺流程，做好了这些工作以后，在解放设计人员的同时，也能创造更大的效益。

3.6 优选设计单位

分包设计费用仅占项目总成本的一小部分，但是设计质量和进度却对项目成本有很大影响。从“性价比”的角度来说，选好设计单位是非常重要的。推行全过程限额设计，将限额设计运用到项目设计的各个阶段，在满足质量和工期要求的前提下，最大限度地控制成本。

3.7 加强交流与培训

许多设计人员脱硝工程设计经验不足，对于个别技术细节把控不够，很容易造成现场施工和调试运行出现问题。总承包单位在设计管理中应注重沟通，使总承包单位与电厂、设计院之间及总承包方内部各部门之间联系通畅，使总承包工程各方之间沟通程序化、规范化，保证设计方案能在设计过程中及时得到反馈、优化，从而有利于整个工程的顺利实施及成本控制。