玻璃窑炉选择性催化还原法(SCR)烟气脱硝

玻璃窑炉选择性催化还原法(SCR)烟气脱硝

发明专利申请号201310427521.5

实用新型专利申请号201320579960.9

关键词:  烟气脱硝,脱硝 , 烟气脱硝模块, 脱硝模块

目   录

1 概述... 1

1.1 项目概况... 1

1.2 设计原则... 1

1.3 设计参数... 1

1.4 主要设计原则确定... 2

1.5  技术要求... 3

1.6 标准与规范... 4

1.7 国内标准及规范... 5

1.8 性能保证值... 6

2 流程描述及技术特点... 6

2.1 SCR 工艺概述... 6

2.2 SCR 的优点... 7

2.3 主要影响因素... 7

3 工艺系统和设备... 8

3.1  公用系统及设备... 8

3.2  锅炉 SCR系统组成... 8

3.3  氨水喷射系统... 9

4 控制系统... 10

4.1  总则... 10

4.2 仪表和控制系统配电原则... 11

4.3  控制系统方案... 11

4.4  检测仪表... 12

4.5  电源和气源... 13

5 电气系统... 13

5.1  主要设计原则及工作范围... 13

5.2  电负荷统计... 16

6 性能数据表... 16

6.1  设计数据... 16

6.2  设备及材料清单... 21

6.3 投资与运行成本比较分析... 24

7 项目实施进度安排... 26

8 SCR技术难点及对策... 27

8.1 问题一：氨气分布不均匀... 27

8.2 问题二：喷射器雾化不良... 27

9 各系统工程实例图片... 27

10 发明人简介... 31

11 方案附图... 33

11.1  SCR脱硝流程图... 33

11.2  氨站布置图... 33

1 概述

1.1 项目概况

玻璃窑炉。其目前的NOx排放不能达到国家小于300mg/Nm3的*新标准，为响应国家环保部对大气污染治理的整体部署，对玻璃窑炉进行脱硝改造。

1.2 设计原则

本初步技术方案书适用于玻璃窑炉选择性催化还原法(SCR)烟气脱硝装置。烟气脱硝技术总的设计原则包括：

(1)  采用选择性催化还原脱硝(SCR)工艺。

(2)  2套炉还原剂制备系统共用。

(3)  使用外购的20%浓度成品氨水作为脱硝还原剂。

(4)  脱硝装置的控制系统采用 DCS(与现有脱硝系统的 DCS 合用控制室和硬件)。

(5) 在保证还原剂喷射区温度285℃~420℃条件下，SCR入口浓度不高于4950mg/Nm3(干基 ，10%O2)时 ，脱硝效率不低于94% ，出口 NOx 浓度均不高于 300mg/Nm3。

(6) NH3 逃逸量应控制在 10ppm 以下。

(7) 脱硝装置可用率不小于 95%，服务寿命为 30 年。

1.3 设计参数

1.3.1 锅炉设计参数

表 1.1 主要设备及参数

序号

额度蒸发量（t/h）

烟气量(Nm3/h)

NOx

浓度(mg/Nm3)

锅炉型式

1

35000

4950

1.3.2 供电现状

200kW 及以上电动机采用 6kV 电压。

电动机电源电压：高压6 kV；低压  380 V

1.4 主要设计原则确定

1.4.1 脱硝效率

在条件优化时，SCR可达到90%左右的脱硝效率，在中小型锅炉上短期示范期间能达到 98%的脱硝效率，典型的长期现场应用能达到 90%～95%的NOx 脱除率。

因此，本技术方案按94%的设计效率进行设计。

目前锅炉的排放浓度为4950mg/Nm3左右，按94%的效率设计可以满足火电厂大气污染物排放标准(GB13223－2011)的要求。

1.4.2 氨逃逸浓度

本工程拟采用氨水作为脱硝还原剂。在实际工程应用中，由于NH3与NOx混合不均匀、还原剂喷射点温度偏离*佳温度窗口温度等的限制，使得NH3与NOx的不能完全反应，这样就会有少量的氨未参与反应就与烟气逃逸出反应装置，这种情况称之为氨逃逸。

氨的逃逸是无法完全避免，但可以控制。主要原因是逃逸的氨是一种二次污染，另外一个很重要的原因就逃逸的氨会引起锅炉后部设备包括空预器的腐蚀和堵塞。脱硝反应中氨逃逸主要可导致：

l   生成硫酸氢铵沉积在空气预热器等下游设备，造成腐蚀和堵塞；

l   造成气溶胶二次污染；

l   增加飞灰中的 NH3 化合物，对综合利用有影响。

锅炉的燃烧过程中，燃煤中的元素硫绝大多数燃烧生产 SO2，但是不可避免有少量的 SO3 生成，虽然燃烧的过程中SO3的生成量非常有限，但是其所产生的影响不可低估。SCR比SNCR 脱硝工艺的氨逃逸要求严格的原因，就是因为 SCR由于采用了脱硝催化剂，使得SO2/SO3转化率增加。当烟气中的SO3与未参与脱硝反应的逃逸氨产生反应，将会生成铵化合物 NH4HSO4 以及(NH4)2SO4。NH4HSO4 在180~240℃时呈液态，当温度低于180℃时呈固态。硫酸氢铵具有较强的腐蚀性和粘性，可导致锅炉尾部烟道设备包括空预器、电除尘等的腐蚀与损坏。

另外，这种冷凝物部分会沉积在飞灰上，部分粘附在空气预热器表面，因此 80%以上逃逸氨被飞灰吸附进入除尘设备。研究发现，气态NH3在电除尘器中会被吸附在飞灰上。经过除尘器后有少量的氨会被带入其下游的 FGD。

因此无论SCR还是SNCR对氨的逃逸都有严格的限定。通常，当SCR的氨逃逸控制在10ppm 以下时，对锅炉受热面不会产生堵塞、腐蚀影响，对于下游的空预器、引风机、FGD、ESP(FF)等均不会产生明显影响。

因此，本项目方案氨逃逸将严格控制在10ppm以下，不会引起受热面和除尘器压损增加、腐蚀等问题，也不会对飞灰的综合利用造成影响。

1.5  技术要求

1.5.1 本项目范围

玻璃炉窑的脱硝装置(SCR)的设计、设备供货、安装、系统调试和试运行、考核验收、培训等。

1.5.2 脱硝装置的总体要求

脱硝装置(包括所有需要的系统和设备)至少满足以下总的要求：

● 采用 SCR 烟气脱硝技术；

● 锅炉入口烟气 NOx 浓度为 4950mg/Nm3(10%O2，干基)时，采用SCR 技术时锅炉出口烟气NOx 浓度控制在 300mg/Nm3(10%O2，干基)以下。

● 脱硝装置在设计温度285℃~410℃条件运行负荷范围内有效地运行，脱硝效率不低于94%；

● 脱硝装置应能快速启动投入，在负荷调整时有良好的适应性，在运行条件下能可靠和稳定地连续运行；

● 在锅炉运行时，脱硝装置和所有辅助设备能投入运行而对锅炉负荷和锅炉运行方式没有任何干扰，SCR 脱硝系统增加烟气阻力不大于600Pa。

● 脱硝装置在运行工况下，氨的逃逸小于 10ppm。

● 使用氨水作为脱硝还原剂，氨水由业主直接外购。氨水正常浓度为20%，但浓度会在15%-25%范围内波动，技术方案能适应氨水浓度的变化。

● 烟气脱硝工程内电气负荷均为低压负荷情况，系统内只设低压配电装置，低压系统采用 380V 动力中性点不接地电源；

● 烟气脱硝工程的控制系统采用 DCS 控制系统，该系统可以独立运行，实现脱硝系统的自动化控制。控制对象包括：还原剂流量控制系统、喷枪混合控制系统、冷却水控制系统、空气和空气净化控制系统、温度监测系统等。脱硝控制系统可在无需现场就地人员配合的条件下，在脱硝控制室内完成对脱硝系统还原剂的输送、计量、 水泵、风机、喷枪等的启停控制，完成对运行参数的监视、记录、打印及事故处理， 完成对运行参数的调节。

● 系统设备布置充分考虑工程现有场地条件，还原剂运输，全厂道路(包括消防通道)畅通，以及炉后所有设备安装、检修方便；

● 在设备的冲洗和清扫过程中如果产生废水，收集在脱硝装置的排水坑内，废水宜排入电厂废水处理设施，集中处理，达标排放。

● 在距脱硝装置1米处，噪音不大于85dBA；

● 所有设备的制造和设计完全符合安全可靠、连续有效运行的要求，性能验收试验合格后一年质保期内保证装置可用率≥95%；

● 脱硝装置的检修时间间隔与机组的要求一致，不增加机组的维护和检修时间。 机组检修时间为：小修每年1次，中修周期为3年，大修周期为6-7 年；

● 脱硝装置的整体寿命为30年。

● 为了确保工程质量，在使用寿命期间始终能实现本工程要求的脱硝效果，供方所提供的设备、部件保证都是经过运行验证、可靠、质量良好的产品。

1.6 标准与规范

脱硝装置的设计、制造、土建施工、安装、调试、试验及检查、试运行、考核、*终交付等符合相关的中国法律及规范。

对于标准的采用符合下述原则：

l      与安全、环保、健康、消防等相关的事项必须执行中国国家及地方有关法规、标准；

l      上述标准中不包含的部分采用技术来源国标准或国际通用标准，由投标方提供，招标方确认；

l      进口设备和材料执行设备和材料制造商所在国标准；

l      建筑、结构执行中国电力行业标准或中国相的行业标准。

投标方在投标阶段提交脱硝工程设计、制造、调试、试验及检查、试运行、性能考核、*终交付中采用的所有标准、规定及相关标准的清单。在合同执行过程中采用的标准需经招标方确认。

工程联系文件、技术资料、图纸、计算、仪表刻度和文件中的计量单位为国际计量单位（SI）制。

1.7 国内标准及规范

投标方提供的国内规范、规程和标准必须为下列规范、规程和标准的*新版本，但不仅限于此：

HJ562-2010

《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法》

GB50054－2011

《低压配电设计规范》

GB50217-2007

《电力工程电缆设计规范》

GB50057-2010

《建筑物防雷设计规范》

DL5000-2000

《火力发电厂设计技术规程》

DL5028-93

《电力工程制图标准》

DL400-91

《继电保护和安全自动装置技术规程》

DL/T5153-2002

《火力发电厂厂用电设计技术规定》

SDJ26-89

《发电厂、变电所电缆选择与敷设设计技术规程》

DLGJ56-95

《火力发电厂和变电所照明设计技术规定》

DL-T620-1997

《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》

GB50034－2004

《工业企业照明设计标准》

GB12348－2008

《工业企业厂界噪声标准》

DL/T5137-2001

《电测量及电能计量装置设计技术规程》

DL/T5041-2012

《火力发电厂厂内通信技术规定》

GB18485-2001

《生活垃圾焚烧污染控制标准》

DL／T5044-2004

《电力工程直流系统设计技术规程》

DL／T621-1997

《交流电气装置的接地》

GB2625-1981

《过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号》

NDGJ16-89

《火力发电厂热工自动化设计技术规定》(保留部分)

GBJ93-86

《工业自动化仪表工程施工及验收规范》

1.8 性能保证值

1.8.1 在燃用设计煤种时，BMCR 工况连续运行  3  天，脱硝装置按入口 NOx 浓度 4950mg/Nm3 设计，锅炉SCR 脱硝装置出口烟气NOx浓度均不大于300  mg/Nm3 （干基，10%O2），氨逃逸量  5  ppm 。

还原剂消耗量平均值不大于 360  kg/h(20%氨水)；电量消耗量平均值不超过  20 kWh/h。仪用压缩空气耗量  20   m3/h； （注：以上数据为目前2台炉正常使用的数据）

1.8.2 性能验收试验后一年质保期内保证装置可用率不低于   95%       。

1.8.3 SCR 脱硝装置对锅炉效率的影响小于  0.5%    。

2 流程描述及技术特点

2.1 SCR 工艺概述

选择性催化还原(SCR)技术是目前应用*多而且*有成效的烟气脱硝技术。SCR技术是在金属催化剂作用下，以NH3 作为还原剂，将NOx 还原成N2 和H2O。NH3 不和烟气中的残余的O2 反应，而如果采用H2、CO、CH4 等还原剂，它们在还原NOx的同时会与O2 作用，因此称这种方法为“选择性”。工作原理如图2.1 所示，主要反应方程式为：

4NH3+4NO+O2─>4N2+6H2O

8NH3+6NO2 ─>7N2+12H2O

图2.1 SCR 工作原理图

2.2 SCR 的优点

与其它脱硝技术相比，SCR 技术具有以下优点：

1)  脱硝效果令人满意：SCR 技术应用在大型煤粉锅炉上，长期现场应用一般能够达到 70～90%的脱硝率，在中小型锅炉上增设SCR装置通常可取得80%~ 95%的脱硝效率。

2)  还原剂多样易得：SCR 技术中常用的还原剂，包括液氨、氨水、尿素等。但效果较好、实际应用*广泛的是氨水和尿素。

3)  无二次污染：SCR 技术是一项清洁的技术，没有任何固体或液体的污染物或副产物生成，无二次污染。

4) SCR 技术不需要对锅炉燃烧设备和受热面进行大的改动，也不需要改变锅炉的常规运行方式，对锅炉的主要运行参数也不会有显著影响。

2.3 主要影响因素

SCR 工艺使用氨基还原剂，在窗口温度区域285～410°C 把还原剂喷入到烟气中，与烟气中的NOx经催化剂发生还原反应，脱除NOx，生成N2和H2O。由于在一定温度和氧中氛围时，氨气还原反应中占主导，表现出选择性，因此称之为选择性催化还原。在 SCR 技术设计和应用中，影响脱硝效果的主要因素包括：

1)  温度范围；

2)  合适的温度范围内可以停留的时间；

3)  反应剂和烟气混合的程度；

4)  未控制的 NOx 浓度水平；

5)  化学计量比 NSR；

6)  气氛(氧量、一氧化碳浓度)的影响；

7)  还原剂的类型和状态；

8)  催化剂的作用。

3 工艺系统和设备

氨水SCR系统主要由氨卸料与存储系统，氨输送系统、计量系统、氨水喷射系统、催化剂模块等组成。各系统的组成和介绍如下：

3.1  公用系统及设备

本期工程还原剂采用直接外购氨水。氨水存储系统依据就近原则在锅炉附近空地布置。

(1) 氨水罐

本期工程共设置1个氨水罐，容量满足两台炉SCR装置BMCR工况下3天氨水总消耗量。氨水罐为常压容器。

3.2  锅炉 SCR系统组成

锅炉的SCR系统主要由氨水输送系统、喷射系统、催化剂模块。

（1）氨水输送系统

20%氨水由氨水输送泵送至炉前喷射系统。氨水输送泵1用1备。

主要设备说明：

1）氨水输送泵

氨水输送泵2台（1用1备），采用多级离心泵，流量3m3/h，扬程140m，

电机功率2.2kW，采用不锈钢材质。。

初步考虑炉前喷射系统设计为1层，布置在催化剂模块反应器入口烟道前，布置1~2 支SCR喷枪。项目进行时，再根据条件进行CFD模拟计算，进一步优化设计。

氨水送到炉前喷射系统。每台炉的喷射系统设有就地压力表和调节阀，用来控制喷枪的流量。

本方案喷枪采用压缩空气冷却及雾化。压缩空气品质满足：

l       喷枪雾化及冷却压缩空气品质要求：压力露点为-20℃，含尘量小于1 mg/m3，粒度1μ；含油量为1 mg/m3。压力：0.6—0.8MPa

l       仪用压缩空气品质要求：压力露点为-40℃，含油、尘量小于1mg/m3，粒度1μ。压力：0.6—0.8MPa

我方将选取*佳的温度窗口喷入还原剂，采用SCR 喷枪将氨水溶液喷入炉内进行还原反应，保证足够的穿透深度和覆盖面。

3.3  氨水喷射系统

氨水喷射系统的设计能适应锅炉*低稳燃负荷工况和BMCR之间的任何负荷， 持续安全运行，并能适应机组的负荷变化和机组启停次数的要求。喷射区数量和位置由计算流体力学(CFD)和化学动力学(CKM)模型计算结合现场实测结果*终确定，并尽可能考虑利用现有锅炉平台进行安装和维护。

根据本工程的实际情况(平台及操作空间限制)，氨水喷枪初步拟设置在反应器入口前水平段烟道上，共设1层喷枪，每层1~2支，共设1~2支喷枪。喷枪在该段各处的角度根据局部速度场确定，为保证混合的均匀性和停留时间的有效性，氨水喷射的速度方向与烟气局部速度方向一致或垂直。喷枪的实际喷射方向根据喷射点的局部速度方向确定，待进一步CFD计算后确定。喷枪采用特制的压缩空气雾化的双流体喷枪，可将氨水溶液雾化成均匀的极细的液滴，喷枪采用316L制作，并设置保护和吹扫套管以防止喷嘴堵塞和飞灰侵蚀，保护套管采用310制作。

喷枪采用空气进行冷却，为使喷射器*少地暴露于高温烟气中，喷枪也可设计成可伸缩的。当遇到锅炉启动、停运、季节性运行或一些其他原因SCR需停运时，可将喷枪退出运行。或当喷枪不使用、雾化空气流量不足时，将其从炉膛中抽出。当短时间内停运SCR喷枪或局部喷枪短时间不用时，也可继续运行压缩空气系统，利用压缩空气对氨水溶液喷枪进行连续不断的冷却。

对于每一批喷枪，都采用激光粒度测试仪对喷枪的雾化性能进行测试。通常， 对于氨水喷枪，D32一般控制在80μm左右，*大粒径控制在100μm以内，且粒径分布均匀。

水喷射雾化                                 双流体雾化

图3.2 特别设计的双流体喷枪实际喷射效果

4 控制系统

4.1  总则

本工程采用 SCR 脱硝工艺， 考虑该装置控制采用独立控制器控制，脱硝DCS 系统软硬件采用与主厂DCS相同的配置，便于业主统一管理和维护。

脱硝装置出口烟道上设置 NOx/O2 及NH3逃逸取样分析仪，信号全部进入 DCS中进行监控用于系统的控制。

控制系统能实现炉内喷射还原剂及 SCR 供用系统配料的自动控制，并保证脱硝系统能跟随锅炉运行负荷变化而变化。使锅炉脱硝系统长期、可靠的安全运行。

为了保证系统的可靠性和提高性价比，氨水站以及SCR喷射系统纳入锅炉脱硫DCS控制系统中，DCS系统控制器、卡件采用原有脱硫DCS的硬件设备，工作站及系统软件也采用原有设备。

在正常工作时，每隔一个时间段记录燃烧系统及 SCR 运行工况数据，包括热工实时运行参数、设备运行状况等。当故障发生时系统将及时记录故障信息。操作员终端可存储大量信息，自动生成工作报表及故障记录，存储的信息可通过查询键查询。

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