高温高尘烟气SCR脱硝系统设计解析

摘要：本文系统论述了在燃煤机组高温高尘环境下，SCR脱硝工艺中：壳体与氨烟混合系统、催化剂与吹灰系统、还原剂制备系统的设计要点，并对防磨、低负荷脱硝、副反应等相关问题进行解析，强化了对SCR脱硝技术的理解与运用。

关键词：高温;高尘;SCR脱硝

Abstract：This paper systematically discusses the design points of SCR denitration process in the high temperature and high dust environment of coal-fired unit：shell ammonia smoke mixing system，catalyst and soot blowing system， reducing agent preparation system，analyzes the problems related to abrasion prevention， low load denitration， side reactions，and strengthens the understanding and application of SCR denitration technology.

Key words：High temperature;High dust;SCR denitration

1 殼体与氨烟混合系统

1.1 壳体外形及内部件

按《火力发电厂烟气脱硝设计规程》（DL/T5490-2013）要求，SCR壳体，如烟道、反应器的尺寸应满足规定的烟气流速要求，其中烟道不超过15m/s，反应器空塔流速4～6m/s之间，考虑高烟尘量，宜选5m/s以下，避免烟气流速过快造成的磨损。SCR进口烟道在省煤器出口引接，并采用流场模拟软件对引接段烟道的倾斜角度、变径方位和内部导流板设置方案进行优化，将喷氨格栅和混流器等内部件调整到适宜烟道截面，使烟气路径顺畅、烟氨混合充分、系统压损降到最低。流场模拟后，催化剂顶部烟气：流速偏差小于15%、温度偏差小于10℃、氨氮摩尔比偏差小于5%、入射催化剂角度（与垂直方向的夹角）在10°以内。

考虑机组负荷的变动，在不可避免的积灰处加装清灰设备，保证烟尘有效收集。因钢梁结构无法设置清灰装置时，可采用设置吹灰管路等方式，将烟尘扬起，随烟气顺利通过。流场模拟完成后，需采用1：10、1：15等比例的物理模型进行验证，及时对计算机模拟方案微调[1]。

SCR系统为负压烟气系统，烟道及反应器壳体的设计压力在-800～-2000pa之间，并有一定瞬态承压能力，按《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》要求，综合考虑风载等因素，进行烟道设计，合理布置加强筋、內撑杆、支吊架等。

1.2 氨烟混合系统

氨烟混合系统包括氨喷射和氨/烟气混合两部分，由氨空混合器、氨喷射格栅管、均流装置等部件组成。根据流场模拟和物理模型的输出结果，在给定的进口烟道部位布置模块化喷氨格栅。氨空混合器、流量调节系统设置于喷氨格栅上游，使得氨与稀释风以1：20 的比例混合均匀，并由调节系统实现模块化分区控制，根据反应器截面烟气分布、NOx浓度等分布状况，调节上游各模块氨供应量，避免无谓的氨逸漏[2]。当喷氨格栅管至催化剂截面的距离，为氨烟混合距离，根据流场模拟的要求，当需要强化混合时，在格栅下游设置均流装置，强化氨烟混合。

2 催化剂与吹灰系统

2.1 催化剂

高温高尘环境下，催化剂的选择需考虑烟气成分、催化剂强度和孔内流速等因素。砷、碱金属、钙、镁等为催化剂中毒物质，其多存在燃煤烟气的粉尘中，易凝结于烟气水分并转移到催化剂上，导致催化剂化学失活。因此需根据燃煤情况，测算烟气中杂质含量，核算其对催化剂活性的影响。从强度上看，不锈钢基质的板式、顶部强化的蜂窝式催化剂强度高、有较好耐磨性能，完全适用高尘烟气条件。根据SCR反应器的尺寸、烟气量、初选催化剂参数（壁厚、孔数、孔距等）核算孔内流速，宜控制在5～7m/s之间，过低易在死角位置积灰，造成催化剂的堵塞。

2.2 吹灰系统

吹灰系统主要有声波吹灰器、空气炮吹灰系统、蒸汽吹灰器等。声波吹灰器的吹灰半径为3-4m，布置在催化剂上方约500mm处，利用膜片机械震动发声，使得催化剂上部空气波动，将累积烟尘吹散，并顺利通过催化剂孔隙。空气炮与声波吹灰介质相同，但其吹灰压缩空气耗量大，吹灰更彻底。蒸汽吹灰器包含耙管、喷嘴、大梁等部件组成，使蒸汽进入吹灰器，经炉内耙管上喷嘴吹出，将催化剂孔内灰尘向下方疏通。声波吹灰器、空气炮吹灰系统适用于松散积灰情况，设备结构简单、可在线维护。蒸汽吹灰适用于积灰较难清理的情况，清扫强度大，但运行条件高，系统维护量大，要求过饱和蒸汽吹灰压力稳定、无水，压力过高或有水分时易对催化剂造成机械损伤。

3 脱硝还原剂制备系统

SCR脱硝以氨为还原剂，主要的制备方法有尿素法和氨法。尿素法是以40%～60%的尿素溶液为原料，在350～650℃热解生成氨气，或在温度140～160℃下水解生成氨气。其中水解法运行费用低、系统简单、可多炉共用，热解法能耗大、运行费用高、一炉一热解配置，但热解法更稳定。氨法，包括液氨和氨水法，液氨或约20%的氨水溶液经蒸发稳压生成为氨气，由存储输送、流量调节、蒸发混合等模块组成。氨法建设成本与运行成本较低，但因液氨属于乙类危险化学品，氨水存储及运输量大等因素，均不适用于燃煤机组;反观尿素法运输便捷、使用安全，因此更为常用。尿素法、氨法均要结合气温等当地环境状况，考虑设置保温、伴热等，防止尿素溶液在管道内结晶或蒸发后的氨在管道中冷凝成液相。

4 相关问题解析

4.1 防磨设计

在实际工程运用中，因钢架、钢梁结构无法调整等因素限制，在局部位置烟道尺寸无法加大，造成烟气流速难以避免地超出标准值，因此烟道内部应做相应的防磨处理。内撑杆等管件可采用贴角钢等方式，内壁等平面可设置龟甲网等。

4.2 低负荷运行

机组运行负荷为波动状态，50%、30%BMCR等低负荷，与100%BMCR状态设计条件相比，NOx浓度不变、烟气量下降、烟温下降。当烟温低至290℃以下，催化活性将部分甚至完全失活，脱硝率下降或停止脱硝，将导致超标排放，因此需综合核算烟气量与烟温变化对系统脱硝效率的影响。为保障低负荷下脱硝效率，可采用多种组合技术，如，省煤器分级改造、高温烟气旁路、增加低氮燃烧器等。在工程运用中首先应全面收集锅炉系统运行热力数据，分析50%、80%、100%等BMCR下的烟温对催化性能的影响，综合经济性和可行性，选择适用的低负荷运行技术。

4.3 副产物解析

SCR系统中催化剂在催化脱硝的同时，易将烟气中SO2转化为SO3，SO3与NH3进一步反应生成硫酸氢氨（ABS），SCR脱硝副产物以SO3、ABS为主。ABS有气态、液态、固态，液态下具有黏性和强腐蚀性，对后续装备造成运行隐患。液态ABS易与烟尘结合，黏附于催化剂表面时，阻挡活性物质与烟气的接触，导致催化效率下降，并增加积灰风险;在空预器中，黏附于传热元件上时形成融盐状的积灰，造成预热器的腐蚀、堵灰等，降低预热器的换热效率;黏附情况严重时系统阻力增加，甚至影响机组的正常运行。在工艺设计中需要关注ABS的生成与状态分析，一是控制系统温度，保证系统温度在ABS露点温度以上，如SCR连续运行烟温至少要高于硫酸氢氨露点温度10℃;二是控制ABS的浓度，ABS生成随SO3与NH3体积分数的增大而升高，选择催化剂时需控制SO3的生成率在低值的范围，同时做好喷氨系统模块分区控制，减少氨逃逸;三是采取防腐措施，如，空预器冷端元件更换为耐腐蚀材料、加大吹灰强度等。

5 结论

高温高尘环境下，烟气环境SCR脱硝设计应综合考虑经济性和技术可行性，选择强度高耐磨性好且孔内流速适宜的催化剂，吹灰系统、还原剂制备方法，核对壳体尺寸、结构、防磨举措等关键部件，同时避免烟尘杂质、副反应等对脱硝效率的影响。

参考文献

[1]朱天宇，李德波，方庆艳，等.燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统流场优化的数值模拟[J].动力工程学报，2015，35（6）：481-488.

[2]沈丹，李大梅，杨蕾，等.电厂SCR脱硝数值模拟技术研究进展[J].能源环境保护，2013，27（3）：10-13.

[3]馬燕.联合脱硝技术在燃煤锅炉脱硝改造中的应用[J].科技创新与应用（工业技术），2013（35）：12.

[4]高岩，栾涛，彭吉伟，等.燃煤电厂真实烟气条件下SCR催化剂脱硝性能[J].化工学报，2013（07）：23-24.

收稿日期：2020-05-02

作者简介：杨西茜（1986-），女，汉族，硕士，工程师，研究方向为大气环境工程与管理。