SCR脫硝的7個關鍵技術

工程上常用的、成熟的脫硝技術主要有低氮燃燒技術、SNCR法煙氣脫硝技術、SCR法煙氣脫硝技術, 本文僅針對工程上應用最多、脫硝效率高的SCR法煙氣脫硝技術進討。

SCR法煙氣脫硝系統組成可參見相關參考資料, 本文不做詳細說明,僅對脫硝工程建設中需注意的關鍵技術進行探討。

1　噴氨裝置

噴氨裝置作為SCR法脫硝裝置的核心部分之一, 直接影響脫硝效率及煙氣系統阻力, 從而影響脫硝系統的運行成本。

目前, 用於SCR法脫硝的噴氨裝置主要有渦流混合器、噴氨靜態混合器、噴氨格柵及矩齒噴氨格柵等(如圖1所示), 其特點比較見表1。

圖1 不同類型的噴氨裝置

由中國華電工程(集團)有限公司研製的矩齒防磨混合板型噴氨格柵, 混合阻力低、混合效果好、混合距離短、安裝方便、調試簡單, 與同類裝置相比, 可減少脫硝系統阻力50 ～ 100 Pa, 節約引風機電耗4%以上, 節能效果明顯。

 

2　流場模擬試驗

進入反應器催化劑層入口的煙氣流場分布均勻與否直接影響脫硝系統的各項性能指標, 如果流場分布不均勻, 不但會嚴重影響脫硝效率、增加氨的逃逸、加速催化劑磨損, 嚴重時還會堵塞催化劑或引起空氣預熱器的堵塞和嚴重腐蝕, 從而影響主機的正常運行, 因此, 流場模擬試驗研究在脫硝系統設計中極為重要。

典型流場設計要求的反應器頂層催化劑層入口煙氣條件見表2, 如果要求脫硝效率達到85%以上, 則催化劑層入口的煙氣條件還要更嚴格。

 流場模擬試驗研究主要分為計算流體力學CFD計算與物理模型試驗驗證2部分。

CFD計算最為關鍵的是計算模型的建立與邊界條件的設定, 計算模型建立時要根據實際煙氣系統設計情況確定煙氣系統內部件是否簡化以及計算網格的大小, 以達到計算速度和精度統一的目的;為了便於脫硝系統入口邊界條件的設定, 通常將省煤器換熱管束出口作為脫硝系統CFD計算的入口, 將鍋爐空氣預熱器入口作為脫硝系統CFD計算的出口, 易於設定CFD計算條件。

進行物理模型試驗驗證時, 通常選用1∶15 ～ 1∶10的比例搭建試驗裝置, 冷態試驗時最大程度上使雷諾數與實際工程雷諾數一致, 以準確地反映實際工程的流動特性, 用以驗證CFD計算結果, 從而保證實際工程煙氣系統設計滿足流場分布要求。

 

3  SCR反應器的設計

SCR反應器作為SCR法脫硝反應最為關鍵的設備,其截面的設計不但要考慮最佳煙氣流速, 還要考慮能夠適應不同類型的催化劑模塊布置、安裝的要求。因此, 反應器截面與催化劑的支撐梁的設計要按通用(滿足蜂窩式、平板式、波紋板式催化劑模塊)設計考慮, 使得每種類型的催化劑模塊都能互換安裝。

 

為了保證煙氣在催化劑層的均勻性與入射角度, 反應器頂部應設計有煙氣整流層;為了防止反應器內部導流板、支撐結構等部件掉落的積灰以及煙道內絮狀雜物堵塞催化劑孔道, 反應器內應設置碎灰格柵。

 

催化劑的吊裝是通過布置在反應器外的吊軌和電動葫蘆來實現的, 吊軌的設計要充分考慮催化劑模塊、吊具、電動葫蘆的重量以及吊裝過程中各種擺動引起的慣性力的作用。反應器內催化劑安裝軌道的設計要充分考慮易於催化劑模塊的吊裝並且要防止灰塵的堆積。

 

為了防止催化劑層的積灰堵塞催化劑孔道, 通常在每層催化劑層上部設置吹灰器。常用於SCR法脫硝的吹灰器有聲波和蒸汽2種形式, 其選型與布置要根據具體工程煙氣灰的特性以及反應器截面尺寸來確定。

 

4　脫硝煙道灰鬥

SCR法煙氣脫硝裝置的布置方式根據反應器布置位置的不同, 通常可分為高塵布置與低塵布置,。

高塵布置的SCR反應器通常布置在鍋爐省煤器與空氣預熱器之間, 受布置空間所限, SCR反應器不能直接布置在鍋爐省煤器下(立式鍋爐除外),而是煙氣通過水平煙道引出後再通過上升煙道連接SCR反應器, 經過脫硝反應後再通過SCR反應器出口煙道回到空氣預熱器, 典型布置如圖2所示。

典型高塵布置設計方式, 在SCR反應器入口和出口煙道均需設計排灰鬥(特別是對於高粉塵煙氣), 這樣, 不但可以有效減小催化劑的磨損, 而且可以有效減輕空氣預熱器的堵塞和磨損, 同時也可以減少脫硝還原劑的消耗量, 保證系統安全、穩定運行。

在工程建設中, 為了降低工程造價、簡化系統或受空間限制, 通常取消了SCR反應器出、入口的灰鬥, 這勢必會導致運行不穩定, 並且加大了催化劑的磨損, 加快催化劑的失活。根據目前國內鍋爐燃燒煤質多變的特點以及國內燃煤發電機組布置特點, 在SCR反應器入口煙道應設計灰鬥, 以保護催化劑、提高系統運行的可靠性、減少煙道內的磨損和降低運行維護成本。

 

3.5　催化劑選型

目前, 常用於SCR法脫硝的催化劑主要為氧化鈦基催化劑, 其主要成分為TiO2 , V2O5 , WO3 和MoO3 等, 主要有蜂窩式、平板式和波紋板式。

蜂窩式催化劑為均質一次擠出成型, 具有較高的比表面積;平板式催化劑以不鏽鋼網格為基材, 浸鍍活性材料, 有較高的耐飛灰磨損性和較低的壓力損失, 抗砷中毒能力強;波紋板式催化劑以強化的玻璃纖維為基材, 浸鍍活性材料, 質量小、活性高、抗CaO中毒能力強。

原則上, 不同類型的催化劑均能滿具體項目的各項性能指標要求, 但不同類型的催化劑其活性、節距、有效比表面積、催化劑體積與阻力等均不相同, 因此, 可以通過比較來選擇一種最佳的催化劑形式與布置方式, 以提高項目的性價比, 有效降低項目初建與運行成本。

 

3.6　脫硝系統調試

脫硝系統調試是保證系統運行的穩定性、可靠性以及能否達到設計性能保證值最重要的工作之一。

脫硝系統調試可分為2大部分:還原劑供應系統調試及噴氨系統調試。還原劑供應系統(常用還原劑為液氨, 本文以液氨為例)主要包含液氨卸載、液氨蒸發及供應、罐區水噴淋、氨區消防及廢氣收集排放等子系統。還原劑供應系統的調試最重要的是卸氨前氨管道的氣密性檢查與氮氣置換, 要確保氨管道的氣密性與氮氣置換的徹底性, 調試的關鍵是液氨蒸發系統的運行與控制。

 

噴氨系統調試是脫硝系統調試最為關鍵和重要的部分, 其不但關係到脫硝系統性能是否滿足設計要求, 還關係到脫硝系統是否能夠優化運行。

工程建設中由於新裝的催化劑活性較高, 脫硝系統運行初期, 即便噴氨裝置沒有優化調整, 通常也能滿足性能要求。由於噴氨系統調試工作量較大, 脫硝工程往往會忽略噴氨系統的優化調試, 這將嚴重影響脫硝系統的長期運行, 工程建設中需特別注意。

 

3.7　脫硝系統運行與維護管理

脫硝系統的正確運行與定期維護是保證脫硝裝置正常運行的關鍵, 目前建設的脫硝系統自動化水平均較高, 除了還原劑卸載外, 基本可以實現無人值守, 但系統的正確運行、維護與管理非常重要。系統運行期間要特別關注稀釋風量、脫硝效率、氨逃逸量、液氨耗量、催化劑層阻力、空氣預熱器阻力等參數的變化, 要按要求定期檢查分析儀表、吹灰器、稀釋風機、卸氨壓縮機、催化劑的活性以及氨管道的洩露情況等。