论文-巴威公司SCR脱硝技术在燃煤锅炉上的应用

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1、巴威公司巴威公司 SCR 脱硝技术在燃煤锅炉上的应用脱硝技术在燃煤锅炉上的应用 黎耘 高晓成 (北京巴布科克威尔科克斯有限公司，北京 100043) 摘 要：本文首先简单回顾了 SCR 脱硝技术在世界上的发展历史，然后介绍美国 B&W 公司的在两 个项目上的应用实例。 美国 B&W 为台湾电力台中电厂提供的 4x550MW 机组脱硝装置是我国最早投 运的电站锅炉 SCR 装置，从 1995 年开始陆续投入运行。Somerset 电厂 675MW 燃煤机组 SCR 装置 为美国第一台大型燃煤机组 SCR 改造项目，燃用高硫煤，脱硝效率不低于 90%，而项目的建设周期 仅仅为 8 个月。 此项目从

2、设计、 性能和工期都成为 SCR 改造项目的典范。 最后， 本文介绍了美国 B&W 公司在脱硝实践中的几点体会。 关键词：SCR 脱硝 台中电厂 Somerset 电厂 0 概 述 美国早在 1959 年就申请了利用氨作为还原 剂 的 选 择 性 催 化 还 原 脱 硝 技 术 （ Selective Catalytic Reduction, 简称 SCR）的专利。1973 年日本成功研制了钛基催化剂，并于 1977 年和 1979 年在燃油和燃煤机组上成功投入商业运行。 发展到现在， SCR 已经成为世界上应用最多和最 为成熟的烟气脱硝技术。 日本早期的 SCR 主要应用于燃油锅炉，其 次为

3、燃煤锅炉。到了 20 世纪 80 年代后期开始， 日本的 SCR 大多应用于燃气轮机。欧洲 SCR 的 发展始于20世纪80年代后期， 以燃煤锅炉为主。 日本和欧洲的 SCR 市场到了 20 世纪 90 年代中 期后开始萎缩。 美国在清洁空气法案 1990 年修正案里，专 门制定了严密的 NOx 减排计划，美国的脱硝市 场正式启动。在最近十年中，美国成为了世界上 最大的脱硝市场， SCR 技术的更新几乎都来自于 美国 SCR 市场的发展和应用。比如 Popcorn ash 的问题及其处理，PRB 煤的对催化剂的劣化因 素， 以及分区喷氨等烟气混合技术的发展和应用 等。 NOx 和 SOx 一样

4、，是我们环境中酸雨的来 源。此外，NOx 还会产生低空臭氧。低空臭氧在 温度较高的夏季容易生成， NOx 和碳氢化合物在 阳光的照射下生成的低空臭氧会严重危害人体 的身体健康。美国环保署 1997 年的报告指出， 研究表明， 由于夏季臭氧水平提高而导致呼吸系 统疾病入院就医人数上升近 20%。 因此美国的 SCR 设备早期只在臭氧季节 （每年五月一日至九 月三十日）运行，不过，现在越来越多的电厂在非臭氧季节也投运 SCR 设备。 美国采用排放权的方法来控制 NOx 的排放 量。最近 10 年来，按照减排计划，美国 NOx 的 排放权已经减少了一半以上。 对于采取了脱硝技 术的公司，可以将其多余

5、的 NOx 排放权出售。 美国 NOx 有多个排放权交易计划，其中美国环 保署的 SIP CALL 排放权交易计划，参加者有美 国 19 个州以及华盛顿特区。 SIP CALL 计划今年 4 月份 NOx 排放的交易均价为每吨 2474.00 美 元，高于同期 SOx 每吨 744.76 美元的平均交易 价格，更远远高于我国每公斤约 0.63 元的 NOx 排污费。 作为美国大型电站锅炉的制造商和环保事 业的先驱，美国巴布科克威尔科克斯公司早在 1982 年就开始了 SCR 的研发工作，第一台 SCR 设备于 1986 年投入商业运行，具有丰富的 SCR 设计、供货和安装的经验，在北美脱硝市场

6、的占 有率名列第一。 北京巴布科克威尔科克斯公司于 2005 年 初完成了从母公司美国B&W公司引进脱硝技术 及进行人员培训的工作，并于 2005 年下半年开 始参与起步的国内脱硝市场，截止到 2006 年 4 月在建 SCR 机组容量为 1200MW。 下面介绍美国B&W在我国台湾台中电厂以 及美国 Somerset 电厂大型燃煤机组中成功应用 SCR 技术的经验。 1 台中电厂 4x550MW 机组脱硝装置的经验 1.1 项目概况 中国大陆首台 SCR 设备于 1999 年在福建厚 石电站投运。但是中国最早的电站锅炉 SCR 脱 硝装置安装在我国台湾台中电厂 58 号机组，从 1995 年

7、开始陆续投入运行。 1991 年，台湾电力公司对台中电厂 58 号 机组4x550MW锅炉以及包括脱硫脱硝等在内的 附属设备进行国际招标，美国 B&W 公司最后中 标。锅炉按照燃用 100%烟煤和 100%重油设计。 燃用煤质的挥发分 2435%，固定碳 4060%， 水分 515%，灰分 819%，含硫量 0.41.5%。 锅炉点火和稳燃采用轻柴油。 用户要求SCR设备在燃用烟煤或者重油的情 况下都能满足脱硝效率的性能要求。 主要的设计 条件和性能要求见表，其中 NOx 排放不大于 100ppm，燃煤时脱硝效率不低于 50%。相对来 说，脱硝效率不是很高，但是相对于当时台湾环 保部门不高于

8、500ppm 的排放要求，是相当先进 了。 表 台中电厂 SCR 系统的主要设计条件 燃料 设计煤 重油 烟气流量(kg/hr) 2,269,440 1,997,280烟气温度() 371 374 进口烟气成份 NOx, ppmvd6%O2 200 190 O2, %, 干基 3.3 1.0 H2O () 9.8 14.5 SO2 (ppmvd) 444 1287 SO3 (ppmvd) 4.4 25.7 固体颗粒 (g/m3) 5.95 - 出口烟气成份 NOx, ppmvd6%O2 100 100 NH3, ppmvd6%O2 5 5 脱硝效率（%） 50 47.4 催化剂烟气阻力 (Pa

9、)300 300 1.2SCR 系统的设计 由于要求的脱硝效率不是很高，从项目的性 价比考虑， 锅炉本体、 SCR 系统和空气预热器紧 凑布置：锅炉尾部竖井采用较少的对流受热面， 空气预热器布置在锅炉本体最后一排柱外面， 而 SCR 反应器布置在空气预热器上方。SCR 系统 烟道的走向与没有 SCR 系统时差别不大，没有 为 SCR 系统专门设置上升段，见图 1。 图 1.台中电厂 58 号机组 4x550MW 在这种紧凑的布置下，进入反应器前的烟道 长度相对较短， 因此要特别关注烟气和氨的混合 以及烟气速度分布的均匀性。美国 B&W 公司通 过数值模拟和 1:10 的物理模化试验，对 SCR

10、 系统烟气在各种工况下的流动进行了研究， 在 SCR 系统烟道里面布置了多孔板、 导流板以及直流格 栅等，SCR 系统烟道及反应器布置见图。图 2. 台中电厂 58 号机组 SCR 系统烟道及反应器布置 每台锅炉有两个反应器，每个反应器内布置 三层节距为 6mm的板式催化剂，催化剂总用量 为 351.2m3。喷氨栅格布置在催化剂前大约 21 米的位置，每套喷氨栅格由 12 个垂直布置的喷 氨管和个水平布置的喷氨管组成， 管上开有共 212 个喷氨孔。 每路喷氨管都有一个手动调节阀， 在调试时调整氨的喷射均匀性。 脱硝剂为无水氨，四台锅炉的SCR系统共配 有个储氨罐，每个的容积为 170m3，可

11、储存一 台锅炉一个月的用氨量。 无水氨采用闭式蒸发系 统，每两个储氨罐配置两个电加热蒸发器。氨罐 的最低工作压力为 345KPa，当氨罐的压力过低 时， 就启动电加热蒸发器以保证供氨压力与氨气 的流量。 1.3 运行和改造 4 台锅炉基本上按照 6 个月的时间差依次投 运。最早的号机组于 1995 年三月点火烟气， 同年九月锅炉带满负荷，10 底完成 SCR 系统性 能试验。 4 套 SCR 系统的性能都全面满足设计要 求。 在机组安装之时，台湾环保局仅仅要求 NOx 排放值不高于 500ppm。而按新的电力设施空气污染物排放标准要求，台中电厂 58 号炉在 2001 年要低于 250ppm，

12、在 2003 年要低于 100ppm。 为了适应 NOx 排放要求的发展， 并保持一定 的前瞻性， 台中电厂决定对 58 号炉做进一步的 改造。在原设计的一层预留层的基础上，再添加 一层催化剂。这样在预留层添加后，催化剂就由 原来的三层变为五层，脱硝效率提升到 80%。 改造的设计、制造以及安装施工仍然由美国 B&W公司负责。反应器内钢结构进行了调整， 以增加催化剂的布置空间。 催化剂总量由原来的 351.2m3增加到了 582m3，并对整体钢结构进行 了补强。氨系统中无水氨蒸发器、氨气流量调节 阀以及稀释风机进行了更换，其余基本不变。在 新的脱硝效率下， 无水氨储存罐的储存天数由原 来的一个

13、月缩短为 19 天，仍然能满足氨的储存 的需求。 改造首先在号机组上进行。改造利用了锅 炉的大修时间，停炉的时间为 2000 年 2 月 9 日 至 3 月 21 日共 42 天。详细施工时间见表 2。7 号机组在 2000 年 4 月进行性能试验，SCR 的脱 硝效率为 82.6%，远高于 80.3%的保证值。表 2 台中电厂 7 号机组 SCR 系统改造施工日程 项目 施工内容 日期(工作天) 1 锅炉停机、冷炉 2.92.11 (3) 2 原催化剂吊离 2.142.22 (7) 3 钢结构补强 2.153.1 (12) 4 新催化剂安装 3.23.8 (5) 5 原催化剂安装 3.93.

14、15(5) 6 检查、封炉 3.163.20 (3) 7 旧催化剂清理（厂外） 2.153.3 8 更换蒸发器、风机等 12.273.7 9 仪电设备安装测试 2.103.14 脱硝效率越高，对 SCR 系统烟道内烟气与氨 的混合以及分布均匀性的要求就越高。美国 B&W 按 50%的脱硝效率设计系统，最后进行 80%脱硝效率的改造，能获得超过预期的效果， 说明了 B&W 公司的混合系统的有效性、可调性 和稳定性非常出色。虽然如此，改造还是付出了 不小的成本。因此在设计脱硝效率时，最好是一 次到位。 2 Somerset 电厂 675MW 机组脱硝装置的经验 2.1 项目概况 1999 年， 美

15、国 B&W 公司完成了美国 AES 电 力公司 Somerset 电厂 675MW 燃煤机组 SCR 脱 硝设备的安装和调试， 电厂脱硝设备于同年七月 投入运行。 这是全美首台大型电站燃煤锅炉 SCR 改造项目。Somerset 电厂靠近美国水牛城，其 675MW 燃煤机组于 1984 年投入商业运行。 改造 前，此机组为美国纽约州最大的单个 NOx 排放 源，每天排放大约 32 吨 NOx。 1998 年月，美国电力公司进行了电厂脱硝 设备招标工作。电厂对包括 SCR、SNCR、低 NOx 燃烧器和顶二次风等在内的各种脱硝的技 术方案进行了比较，最后确认只有 SCR 适合于 本项目。招标书技

16、术规范仅三页，要求供方完成 能够达到 90%脱硝效率的交钥匙工程。 从发标到 投标仅有 10 天时间，评标 5 天时间。业主从设 计、施工、工期以及性能保证等方面对投标方进 行了评估，最后在 1998 年 9 月底把脱硝合同授 予美国 B&W 公司。紧接着，脱硝设计立即开始 进行，8 个月后，脱硝设备投入运行。 锅炉燃料的主要来源为匹兹堡烟煤，其含硫 量高达 2.5%3%，高位发热值为 13,100Btu/lb。脱硝设备的主要性能参数见表 3。其中，由于煤 中的含硫量很高，要求 SO2 到 SO3 的转化率不 高于 0.75%。 表 3. Somerset 电厂 SCR 系统主要设计参数 名称 数据 机组容量 675 MW 进口 NOx 值 0.55 lb/MBtu 出口 NOx 值 0.055 lb/MBtu 脱硝效率 90% 漏氨率 3 ppm 催化剂化学寿 命 24,000 hr SO2 到 SO3 的 转化率 0.75% 烟气温