火力发电厂烟气脱硝工程施工技术

2024-02-25马晓伟MAXiaowei尹田田YINTiantian黄云飞HUANGYunfei

价值工程 2024年3期

马晓伟MA Xiao-wei；尹田田YIN Tian-tian；黄云飞HUANG Yun-fei

（国家能源集团石横热电有限公司，泰安 271600）

0 引言

工业化发展到今天，各工业企业都需要密切围绕“双碳”目标，参与到节能减排的行动中，创新生产技术并更新设备。火力发电厂在生产期间的燃料消耗大、烟气污染严重，不符合低碳经济发展要求。当前许多火电厂在国家战略引导下陆续实施了烟气脱硝工程，在烟气脱硝处理中产生了诸多新技术、新设备，对促进火电厂的生产转型起到了重要的作用。每一火电厂应从烟气脱硝的过程、效果等出发，改造系统并尝试推广新技术，以构建科学且合理的烟气脱硝系统。

1 火电厂烟气脱硝的必要性

火电厂生产期间以煤炭作为主要原料，但因为煤炭中的氮氧化物含量较高，在持续生产过程中煤炭燃烧量大，将同步产生大量的烟气，这些烟气中的污染物多，不经处理直接排放将加剧空气污染。当下我国的城市化进程明显加快，在此条件下用电需求激增，火电厂在承担繁重的电力生产任务期间也需注意烟气脱硝，以降低污染程度，实现减碳、清洁目标。针对热力型氮氧化物，温度是需要关注的一大指标，在温度急剧升高的过程中，氮氧化物总量也相对较高；而燃料型氮氧化物多产生于高参数锅炉中，这一锅炉中的产生量占总量的很大比重；快速型氮氧化物于燃气燃烧环节生成，氮氧化物含量与含氮量存在直接关联，在含氮量较高的情况下，氮氧化物的含量也相对较高。目前我国火电厂都扩大了其生产规模，为恢复大气环境，火电厂需增大在烟气脱硝方面的投入，以改善环境，提高火电厂生产的经济、社会与环境效益。

2 火力发电厂烟气脱硝相关技术

2.1液氨脱硝技术很多火电厂均采用了液氨脱硝技术，其原理为选择性催化剂还原脱硝（SCR）。依据火电厂的生产特点，需要建立SCR 烟气脱硝系统，将此系统设置在省煤器与空预器之间。尿素热解与水解产生的NH3经喷氨格栅均匀喷射于烟道，与烟气充分混合以后进入SCR反应器，在蜂窝式催化剂作用下将产生选择性催化还原反应，生成N2和H2O[1]。

反应过程中有关人员需合理控制温度，一般最佳的温度区间为300～400℃。在特定的温度条件下催化剂将凸显其作用，提高脱硝效果。整个过程中存在以下化学反应过程：

一旦在反应过程中温度超过了350℃，将伴随着其他反应过程，如NH3的氧化与分解，导致在反应过程中NH3的消耗较大。为此，从经济性角度相关人员需合理控制反应温度，尽可能将温度保持在350℃以下。

液氨与尿素相比，经济效益显著，但是其安全风险较大，无论是运输液氨还是储存液氨时都有严格的规定，一旦未执行这些标准，将引发安全事故。

2.2尿素水解技术火电厂的烟气脱硝中如采用尿素水解技术，其原理为：在水的影响下尿素分解，形成氨与二氧化碳。火电厂生产期间为发挥尿素水解的作用，有关人员需根据火电厂生产流程，将一定量的尿素输送于尿素溶解罐，借助搅拌器搅拌溶解尿素，形成60%的尿素溶液，混合泵再将此溶液输送到尿素溶液储罐，最后再输送到水解反应器，与此同时饱和蒸汽经管束进入水解反应器，当温度、压力分别为150～250℃、1.5～3.0MPa 时尿素溶液将分解，这一反应后的产物为氨气和二氧化碳，这就是尿素的水解过程[2]。水解反应中也有一定的液体残留，这些液体能被充分利用，以最大程度上减小热损失。尿素水解后所产生的氨气、二氧化碳依次进入缓冲罐、锅炉喷氨系统，最后完成脱硝。结合许多火电厂的尿素水解情况，规范应用该技术可大大提高脱硝效率，且在整个过程中的成本消耗较低。即使如此，尿素水解也存在一定的缺点，就是水解过程中将产生氨基甲酸铵等酸性物质，这些物质对设备有明显的腐蚀现象，可能损坏部分设备的零部件，增大设备风险。

2.3尿素热解技术尿素热解技术同样能实现烟气脱硝。如在实际的工作中采用的是尿素热解技术，有关人员需按照一定的比例配备尿素溶液，将此溶液经给料泵、计量与分配装置等输送到火电厂的分解室，通过控制温度与压力来创造分解条件。根据大量的实践经验，尿素热解技术下最佳的温度与压力分别为600℃、0.1MPa，精准控制这些参数，能加快分解，形成NH3、H2O、CO2。稀释空气并加热后重新进入分解室，使其与氨气、二氧化碳均匀、充分混合，最后由氨喷射系统进入脱硝烟道。虽尿素热解技术能实现烟气脱硝，但在具体应用时也存在其他问题，如对温度有严格规定，必须由专人根据温度要求，做好尿素热解设备、管道等的保温工作，特别是北方地区，冬季气温偏低，在未保温处理时直接输送尿素易出现结晶问题，影响烟气脱硝。另外，尿素溶液在热解室的停留时间相对较短，未分解的尿素也会产生结晶问题。当烟气脱硝系统运行时，喷氨格栅管道手动阀前后段的蜂窝状沉积物较多，尿素溶液无法在烟气脱硝中发挥作用。

2.4SNCR 技术在火电厂烟气脱硝时可选择的技术相对较多，选择性非催化还原（SNCR）也相对常见，其技术过程为：将氨、尿素共同注入到锅炉燃烧室，无催化剂时在烟气温度在760～1090℃的地方与燃烧时的氮氧化物反应，生成分子氮、二氧化碳与水。在利用SNCR 技术时，为提高脱硝效率，相关人员需根据需求合理控制温度，一般需将温度保持在760～1090℃之间。一旦在反应期间温度较低，NO与氨之间无任何反应。无反应的氨就是逃逸氨，能与其他燃烧物如三氧化硫等反应，生成铵盐，影响各类设备的正常运行。将SNCR 与SCR 技术相对比，前者的脱硝效率偏低。

3 火力发电厂建立烟气脱硝系统的关键要点

3.1构建燃烧系统火电厂为实现烟气脱硝目的，必须构建完善的烟气脱硝系统，特别需注意其中的燃烧系统。结合烟气脱硝系统的构成，燃烧系统仅为其中的一大子系统。为凸显燃烧系统的作用，相关人员在设计燃烧系统时需考虑脱硝要求，严格控制燃烧过程。结合火电厂的煤炭燃烧过程，在设计燃烧系统时有关人员需选择最佳的风口结构，将原先的单一风口变为多个风口，保障燃烧期间氧气高速流动，在有需要的条件下促进低碳燃烧。当然，燃烧系统中同样应合理控制燃烧温度，以创造条件促进碳元素、氧气的反应，保持充分燃烧，从根本上控制一氧化碳气体的产生量。为提高燃烧系统的合理性，相关人员也需将锅炉的风力方向、强度作为参考，适当增加燃烧器，使气流中分布更多的燃烧物。

3.2建立蒸汽系统锅炉蒸汽系统的结构及运行状态也是影响烟气脱硝效果的重要因素。为提高蒸汽系统的科学性，有关人员在前期设计中应关注蒸汽的传输与扩散过程，优化系统细节。燃烧气体能否均匀分布，与蒸汽数量及分布有关。因此，在设计蒸汽系统时应适当增加蒸汽输送口的数量，以保障锅炉内部气体的均匀分布。蒸汽系统正常运行时能调整烟气的分布，避免烟气集中分布于某一空间，否则，将影响脱硝试剂与烟气的充分混合。在优化蒸汽系统时关键应调整过热器的结构，使过热器蒸汽排出口向上打开，促进烟气向四周扩散，保持良好的烟气脱硝条件。

3.3设计喷射系统脱硝系统运行中喷射系统负责输送反应试剂，此系统的运行水平关乎脱硝效率及效果。在喷射系统中喷枪必不可少，其主要结构不在锅炉内，一般在锅炉旁增设一个盛装喷射试剂的容器，由导管来实现容器与喷枪之间的连接。在锅炉内安装喷枪，但需注意安装位置，确保喷枪口正对锅炉燃烧产生的烟气。有关人员在前期设计喷射系统时，需考虑试剂在喷出后与烟气之间的结合情况，尽可能采取雾化特点，使液体试剂以雾化气体的形态喷出，促进试剂与烟气的混合。在改进喷射系统时，有关人员应考虑喷射试剂的泄漏。为实现防泄漏，相关人员可采用新型材料、阀门管路。

4 项目情况

某火电厂，为两台2×200MW 双抽凝汽式供热机组，包含2 台670t/h 超高压煤粉炉、脱硫装置。综合本火电厂的情况，锅炉为超高压、自然循环汽包炉、单炉膛、一次中间再热、单锅筒型结构、四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢结构构架、悬吊结构、半露天布置燃煤锅炉。整个生产期间采用的是低氮氧化物燃烧技术。为符合低碳环保要求，相关人员需做好烟气脱硝设计。

5 烟气脱硝设计方案

综合本火力发电厂的煤质资料、设备种类、烟气参数、工艺流程等，最终选择了SCR 烟气脱硝技术，反应剂为尿素或者液氨。如选择液氨方案，占地面积大，还涉及征地问题。从经济性、技术性角度，尿素方案更为适用。本项目中的SCR 烟气脱硝系统主要包含还原剂存储与供应系统、SCR 反应器系统。

5.1确定还原剂的布置位置综合项目区域内的地质地形等基本情况，并综合了技术、管理人员的意见，尿素区可设置在以下两个区域：布置在两炉之间，占地18m×19m；引风机扩建端，占地10m×35m，如图1 所示。

图1 还原剂区布置平面图

选择第一种布置方案，接近正方形，区内设备布置较为合理；第二种布置方案为狭长的矩形，部分设备无法正常布置。另外，将还原剂区域设置在两炉之间，尿素溶液管道、附属公用管道与炉后的距离合理，方便物资运输。引风机扩建端布置还原剂区时，因为有严格的防火间距规定，尿素存放的西侧墙应作为防火墙。综合上述一系列分析，在烟气脱硝过程中需将尿素布置在两炉之间。

5.2SCR 反应器布置为保障火电厂烟气脱硝工作的顺利进行，在前期的工作中有关人员需做好充分的调研，了解火电厂的生产情况。综合分析，布置脱硝装置时有多种选择。考虑到成本方面，高温高尘布置的优势明显。另外，考虑到本次烟气脱硝工程为改造项目，在布置设备时需考虑更多的因素，如采用低含尘方案，空间上不具备布置条件；冷段布置时需在SCR 前烟道添加燃油或者燃烧天然气的燃烧器，以加热烟气，但此方式的前期投资和后期运行成本较高[3]。从经济性与技术性分析，高温高尘布置方案最为合理。具体来说，在省煤器与高温空预器之间设置SCR 反应器，因为原先的设计方案中没有预留脱硝，去除原省煤器与高温空预器之间的烟道，增设新省煤器到脱硝反应器的烟道、反应器到空预器的烟道。系统运行时锅炉钢架可能承受一定的荷载，前期相关人员需做好荷载分析与计算。每一套SCR 反应器上都应该有2 个反应器、连接烟道与工艺管道。

5.3SCR 脱硝主工艺布置方案此次改造期间，不仅要提高脱硝效率，还需尽可能保障原有的设备布置、工艺流程，以达到脱硝目的的同时降低改造的成本。本工程中的两个机组，直接利用现有锅炉钢架无法安装脱硝SCR装置，需在原有锅炉基础上，适当加高最后两排的钢架，并从整体上加固钢架结构，以保障其结构稳定性。在布置过程中主要需注意以下方面：由原锅炉厂家或者专业单位对省煤器、空预器的改造进行锅炉热力计算，改变省煤器空预器的布置方式、结构形式。在重新计算省煤器、空预器的热力时，首先需计算锅炉的整体热力情况，假定SCR 入口温度为380℃、排烟温度为129℃。

5.4技术路径及要点 ①工艺说明。本次烟气脱硝中采用的是SCR 技术，此技术下需向锅炉烟气中喷入一定量的氨气作为还原剂，并同步使用氧化钛、氧化铁、沸石等作为催化剂，将温度控制在300～400℃，促进氮氧化物的还原。

整个过程中的反应过程为：

选择尿素作为还原剂的情况下，有关人员需提前准备充分的袋装尿素，并将其存储于专门的储存区域，在后续使用时由斗式提升机输送到溶解罐中，用去离子水将干尿素溶解成50%～60%质量浓度的尿素溶液。在现场利用给料泵输送尿素溶液，使其到达尿素溶液储罐，溶液依次经历循环/传输装置、计量与分配装置、雾化喷嘴等达到绝热分解室[4]。从锅炉空气预热器抽取一次风，由电加热装置进行加热，再使其进入热解室。经过雾化的尿素液滴在绝热分解室分解，生成还原剂NH3，以备SCR系统使用，而其他分解产物由氨喷射系统进入烟气脱硝系统。

②脱硝工艺系统。SCR 系统的构成复杂，其中主要包含带催化剂的SCR 反应器、氨喷射系统、吹灰系统、烟道、尿素储备供应系统，每一部分都有其特定的作用，通过相互之间的有效配合，可全面提高烟气脱硝系统的运行可靠性，保障烟气脱硝工作的顺利进行。烟气从锅炉省煤器出口开始均分为两路，每一路烟气都并行通过烟道，进入垂直布设的SCR 反应器中。烟气经过整流栅以后进入催化剂层，依次经过空预器、除尘器、引风机、脱硫装置，最后排入烟囱。系统中包含氨注入系统，该系统能促进烟气与氨的充分混合，创造催化反应条件，脱除烟气中的氮氧化物。经由一系列实践，利用SCR 技术进行烟气脱硝后，脱硝效率高达85%，在一些时候下脱硝率更高。为保障脱除效果，相关人员应合理布置催化剂层，按照“2+1”层的方式布置，也就是布置两层催化剂，预留一层布置空间[5]。

③设备方案。在此次改造过程中涉及了多种专业设备，这些设备的配置及布置情况是影响烟气脱硝效果的重要因素。以烟道为例，当脱硝装置投入使用后，烟气从省煤器出口烟道水平段引出，随后进入SCR 反应器，此时烟气向上转弯经过混合气，再90°转弯经过导流叶片，在反应器入口部位由渐变整流栅调节烟气流速，使烟气流速、方向等符合要求，最后流经催化剂，以创造良好的反应条件。为促进烟气脱硝，在烟道的三通、变截面收缩急转弯头等特殊位置，有关人员需依据烟气流动模型的分析情况，在恰当的位置布设导流板，以调节烟气的流动方向。再比如SCR 反应器，作为烟气脱硝中的核心设备，每一台锅炉均需布设2 个SCR 反应器，且需遵循平行布置的要求。反应器上流段应合理安装烟气导流、优化分布的装置、氨的喷射格栅，并且在反应器竖直段布设催化剂床层。