現(xiàn)在人們對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，然而燃煤火力發(fā)電廠所產(chǎn)廢氣是重要的大氣污染物之一，為了減少環(huán)境污染，煙氣脫硝裝置在燃煤火電廠中被廣泛的應(yīng)用。本文將對(duì)電廠鍋爐使用的具有選擇性的催化還原(SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，并根據(jù)其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從技術(shù)原理、關(guān)鍵性技術(shù)、設(shè)計(jì)要求以及反應(yīng)器布置等方面對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)行必要的優(yōu)化。

一、概述

燃煤火電廠是造成氮氧化物(主要是NO、NO₂以及少量的N₂O等，統(tǒng)稱(chēng)為NOx)排放的主要來(lái)源之一。NOx排放會(huì)造成環(huán)境污染導(dǎo)致酸雨，在陽(yáng)光的作用下生成對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境有害的地面層臭氧(煙霧)。根據(jù)國(guó)家2003年環(huán)境公報(bào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2008年全國(guó)SO₂排放量為2158.7萬(wàn)t，其中工業(yè)生產(chǎn)排放的SO₂約占80%，而火電廠SO₂排放量估算為950萬(wàn)t，約占全國(guó)SO₂排放總量的50%。目前，二氧化硫污染產(chǎn)生的酸雨，已危害了我國(guó)國(guó)土總面積的30%。此外，我國(guó)目前燃煤火電廠的NOx排放量估算為500萬(wàn)t/a左右。預(yù)計(jì)在將來(lái)的30-50a內(nèi)，煤炭在我國(guó)一次能源生產(chǎn)與消費(fèi)中的比例將繼續(xù)保持在70%左右。我國(guó)電力工業(yè)中以煤炭為主的能源格局不會(huì)改變，這種格局是由中國(guó)富煤缺油少氣的能源資源特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段所決定的煤炭消耗量將持續(xù)增長(zhǎng)。這種以煤炭為主的一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，嚴(yán)重?fù)p害了可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境基礎(chǔ)。燃煤電廠鍋爐NOx排放控制技術(shù)措施可區(qū)分為一次燃燒控制措施與二次煙氣凈化措施(煙氣脫硝裝置)。當(dāng)僅僅采取一次燃燒措施還不能滿(mǎn)足NOx排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就需要在鍋爐尾部煙道安裝煙氣脫硝裝置。二次控制措施是在燃燒過(guò)程結(jié)束后，在鍋爐尾部煙道進(jìn)行的煙氣凈化處理過(guò)程，即通過(guò)煙氣脫硝裝置，將已經(jīng)在爐內(nèi)燃燒過(guò)程中形成的NOx還原成氮?dú)?N₂)。目前煙氣脫硝的主流技術(shù)是選擇性催化還原(SCR)與選擇性非催化還原(SNCR)，其中SCR煙氣脫硝效率可達(dá)90%以上。在實(shí)際工程應(yīng)用中，降低燃煤電廠鍋爐NOx排放最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)途徑就是盡可能通過(guò)采用燃燒措施或燃燒系統(tǒng)技術(shù)改造，在燃燒過(guò)程中最大限度地抑制NOx的生成，從而減少SCR脫硝裝置的負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)行成本。

二、SCR煙氣脫硝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在燃煤火電廠的應(yīng)用

SCR技術(shù)自20世紀(jì)70年代在歐洲和日本首先用于燃油和燃?xì)怆姀S鍋爐，隨后于80年代開(kāi)始逐漸應(yīng)用于燃煤電廠鍋爐。為滿(mǎn)足嚴(yán)格 的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，日本開(kāi)發(fā)出了釩基/鈦基催化劑并取得成功經(jīng)驗(yàn)奠定了當(dāng)今SCR催化劑技術(shù)的基礎(chǔ)。自日本于1980年底投運(yùn)了第1臺(tái)燃煤電廠鍋爐SCR裝置后，德國(guó)為了驗(yàn)證日本開(kāi)發(fā)的SCR技術(shù)對(duì)德國(guó)燃煤電廠鍋爐的適應(yīng)性，在60多個(gè)燃煤鍋爐機(jī)組進(jìn)行了SCR工業(yè)性試驗(yàn)研究，并于1985年底在歐洲投運(yùn)了第1臺(tái)燃煤電廠鍋爐SCR裝置。美國(guó)于20世紀(jì)90年代初期建立了SCR工業(yè)示范裝置，對(duì)美國(guó)燃用高硫煤電廠鍋爐采用SCR技術(shù)的適應(yīng)性進(jìn)行了詳細(xì)的工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證。此后，為滿(mǎn)足日趨嚴(yán)格的NO_X排放標(biāo)準(zhǔn)(200mg/m³)，歐洲其他國(guó)家及美國(guó)相繼在燃煤電廠鍋爐安裝了SCR裝置。到1997年底日本有61個(gè)電廠約23GW的燃煤鍋爐機(jī)組安裝了SCR裝置，歐洲約有55GW的鍋爐機(jī)組共安裝了150多臺(tái)大型SCR裝置。其中德國(guó)自1985年以來(lái)，總?cè)萘考s33GW的煙煤鍋爐機(jī)組安裝了SCR煙氣脫硝裝置，大部分為現(xiàn)役鍋爐SCR工程改造。美國(guó)有8臺(tái)燃煤鍋爐機(jī)組約3GW容量安裝了SCR裝置。到2004年底，美國(guó)有近200臺(tái)總?cè)萘考sl00GW燃煤鍋爐機(jī)組安裝了SCR裝置。燃煤電廠鍋爐SCR煙氣脫硝技術(shù)經(jīng)歷了30多年的研究發(fā)展與工程實(shí)踐，在技術(shù)上已發(fā)展成熟，目前已成功地應(yīng)用于300MW、600MW與1000MW大型燃煤電廠鍋爐，其中單機(jī)容量最大的是應(yīng)用于美國(guó)Gavin電廠的2×1300MW燃煤鍋爐機(jī)組。SCR脫硝效率可達(dá)90%-95%，SCR裝置與低NOx燃燒系統(tǒng)相結(jié)合，可將燃煤電廠鍋爐NOx排放控制在50mg/m³以?xún)?nèi)。

三、SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)選擇的還原介質(zhì)通常是氨NH₃，SC煙氣脫硝裝置通常由5部分組成：噴氨裝置、催化劑以及供氨裝置、輸送煙道、控制系統(tǒng)。其中，SCR的反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)設(shè)置在鍋爐省煤器出口與空氣預(yù)熱器入口之間。氨與煙氣充分混合之后便會(huì)進(jìn)入反應(yīng)器在氨的作用下，NO即被還原成氮?dú)狻Ｓ绊慡CR脫硝效率的因素之一是催化劑，催化劑的活性、結(jié)構(gòu)類(lèi)型以及壽命等均可對(duì)脫硝效率產(chǎn)生影響。此外，SCR反應(yīng)設(shè)計(jì)，比如煙氣流速、催化劑層數(shù)等，也可對(duì)SCR脫硝效率產(chǎn)生影響。因此，在優(yōu)化脫硝系統(tǒng)時(shí)，必須考慮催化劑和SCR反應(yīng)器設(shè)置這兩個(gè)因素。具體到電廠鍋爐，其設(shè)計(jì)、燃煤性質(zhì)以及燃煤的燃燒方式等，均可對(duì)SCR煙氣脫硝裝置產(chǎn)生影響這也就是說(shuō)，提高電廠鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)運(yùn)行效率，不僅要考慮催化劑因素，還要考慮煙氣管道、供氨與噴氨系統(tǒng)，以及相關(guān)的控制系統(tǒng)等。而關(guān)于SCR系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其最為核心的技術(shù)便是生產(chǎn)工藝與催化劑配方。因此，必須嚴(yán)格控制SCR反應(yīng)器入口處的煙氣流速、溫度等。

1、SCR反應(yīng)器的優(yōu)化方案，催化劑一般是沿著垂直方向分布的，煙氣通過(guò)催化劑的方向自上而下，因此，反應(yīng)器的優(yōu)化可考慮煙氣的流速；煙氣的流速越大，則其在催化劑上停留的時(shí)間越短。此外，SCR反應(yīng)器的優(yōu)化，必須考慮燃煤的性質(zhì)、催化劑以及燃煤燃燒的方式場(chǎng)地的空間等因素。常見(jiàn)的SCR布置方案有：在空氣預(yù)熱器入口與省煤器出口直接安裝SCR反應(yīng)器，也就是把SCR反應(yīng)器安裝在空氣預(yù)熱器與靜電除塵器前。當(dāng)煙氣通過(guò)省煤器之后，溫度可到達(dá)300℃以上，可滿(mǎn)足催化劑的溫度要求。而在使用過(guò)程中，應(yīng)選擇飛灰腐蝕性良好的催化劑，并適當(dāng)降低煙氣的流速、硬化處理催化劑等，提高煙氣脫硝裝置的性能。高溫側(cè)低飛灰煙氣段方案。在高溫靜電除塵器出口與空氣預(yù)熱器入口之間設(shè)置SCR反應(yīng)器。煙氣經(jīng)過(guò)高溫除塵之后才能進(jìn)入反應(yīng)器，這就使得煙氣中的粉塵量大幅降低。但其中的細(xì)顆粒易粘結(jié)，容易堵塞催化劑，可通過(guò)提高煙氣流速清除催化劑表面的灰塵。

2、SCR催化劑的選擇，催化劑對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有著極為重要的影響，因此，必須合理選擇SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的催化劑。催化劑的選擇，需要考慮兩個(gè)方面的因素，一是催化劑本身的性質(zhì)，比如活性溫度范圍等，二是實(shí)際的需要。此外，催化劑的結(jié)構(gòu)形式也需要考慮在內(nèi)。系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，催化劑的活性會(huì)降低，氨的逃逸量也會(huì)增加，這時(shí)需要增加催化劑的層數(shù)來(lái)提高催化劑的利用率，但這又會(huì)增加煙道的阻力。因此必須更換催化劑。更換催化劑，還需要合理選擇催化劑。

3、供氨系統(tǒng)與噴氨系統(tǒng)，供氨系統(tǒng)主要包括氨的存儲(chǔ)、氨的蒸發(fā)以及輸送，此外還有噴氨系統(tǒng)。其中，當(dāng)前主要的供氨有三種方式是一是液氨，二是氨水，三是尿素。而在供氨系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制SCR煙氣脫硝裝置入口處的硫化物濃度，以及煙氣流速、噴入氨的濃度分布等。

隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施力度的加大，我國(guó)新建大型燃煤火電機(jī)將逐步建設(shè)煙氣脫硝工程。學(xué)習(xí)和借鑒工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在燃煤電廠鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行中取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)我國(guó)火電廠今后發(fā)展SCR煙氣脫硝技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)與鍋爐設(shè)計(jì)、燃燒系統(tǒng)與燃用煤種，以及鍋爐運(yùn)行條件密切相關(guān)，因此，我國(guó)燃煤電廠鍋爐今后發(fā)展SCR煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)針對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)與燃煤特性，對(duì)SCR應(yīng)用于我國(guó)燃煤電廠鍋爐的適應(yīng)性進(jìn)行深人、全面、系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

(尹建  房大兵  宋廣煥  濟(jì)寧金威熱電有限公司山東濟(jì)寧272300) 

參考文獻(xiàn)：

[1]張明輝，李萍.火電廠SCR煙氣脫峭工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì),2016 

[2]王立波，趙夢(mèng)涵.SCR煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，2015