巴威公司SCR脱硝技术在燃煤锅炉上的应用

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巴威公司SCR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概述非臭氧季节也投运SCR设备。美国早在1959年就申请了利用氨作为还原美国采用排放权的方法来控制NOx的排放剂的选择性催化还原脱硝技术（Selective量。最近10年来，按照减排计划，美国NOx的CatalyticReduction,简称SCR）的专利。1973排放权已经减少了一半以上。对于采取了脱硝技年日本成功研制了钛基催化剂，并于1977年和术的公司，可以将其多余的NOx排放权出售。1979年在燃油和燃煤机组上成功投入商业运行。美国NOx有多个排放权交易计划，其中美国环发展到现在，SCR已经成为世界上应用最多和最保署的SIPCALL排放权交易计划，参加者有美为成熟的烟气脱硝技术。国19个州以及华盛顿特区。SIPCALL计划今年日本早期的SCR主要应用于燃油锅炉，其4月份NOx排放的交易均价为每吨2474.00美次为燃煤锅炉。到了20世纪80年代后期开始，元，高于同期SOx每吨744.76美元的平均交易日本的SCR大多应用于燃气轮机。欧洲SCR的价格，更远远高于我国每公斤约0.63元的NOx发展始于20世纪80年代后期，以燃煤锅炉为主。排污费。日本和欧洲的SCR市场到了20世纪90年代中作为美国大型电站锅炉的制造商和环保事期后开始萎缩。业的先驱，美国巴布科克·威尔科克斯公司早在美国在清洁空气法案1990年修正案里，专1982年就开始了SCR的研发工作，第一台SCR门制定了严密的NOx减排计划，美国的脱硝市设备于1986年投入商业运行，具有丰富的SCR场正式启动。在最近十年中，美国成为了世界上设计、供货和安装的经验，在北美脱硝市场的占最大的脱硝市场，SCR技术的更新几乎都来自于有率名列第一。美国SCR市场的发展和应用。比如Popcornash北京巴布科克·威尔科克斯公司于2005年的问题及其处理，PRB煤的对催化剂的劣化因初完成了从母公司美国B&W公司引进脱硝技术素，以及分区喷氨等烟气混合技术的发展和应用及进行人员培训的工作，并于2005年下半年开等。始参与起步的国内脱硝市场，截止到2006年4NOx和SOx一样，是我们环境中酸雨的来月在建SCR机组容量为1200MW。源。此外，NOx还会产生低空臭氧。低空臭氧在下面介绍美国B&W在我国台湾台中电厂以温度较高的夏季容易生成，NOx和碳氢化合物在及美国Somerset电厂大型燃煤机组中成功应用阳光的照射下生成的低空臭氧会严重危害人体SCR技术的经验。的身体健康。美国环保署1997年的报告指出，1台中电厂4x550MW机组脱硝装置的经验研究表明，由于夏季臭氧水平提高而导致呼吸系1.1项目概况统疾病入院就医人数上升近20%。因此美国的中国大陆首台SCR设备于1999年在福建厚SCR设备早期只在臭氧季节（每年五月一日至九石电站投运。但是中国最早的电站锅炉SCR脱月三十日）运行，不过，现在越来越多的电厂在硝装置安装在我国台湾台中电厂5～8号机组，

1从1995年开始陆续投入运行。NOx,ppmvd@6%O22001901991年，台湾电力公司对台中电厂5～8号O2,%,干基3.31.0机组4x550MW锅炉以及包括脱硫脱硝等在内的H2O(％)9.814.5附属设备进行国际招标，美国B&W公司最后中SO2(ppmvd)4441287标。锅炉按照燃用100%烟煤和100%重油设计。SO3(ppmvd)4.425.7燃用煤质的挥发分24~35%，固定碳40~60%，固体颗粒(g/m3)5.95-水分5~15%，灰分8~19%，含硫量0.4~1.5%。出口烟气成份锅炉点火和稳燃采用轻柴油。NOx,ppmvd@6%O2<100<100用户要求SCR设备在燃用烟煤或者重油的情NH3,ppmvd@6%O2<5<5况下都能满足脱硝效率的性能要求。主要的设计脱硝效率（%）5047.4条件和性能要求见表１，其中NOx排放不大于催化剂烟气阻力(Pa)300300100ppm，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1.2SCR系统的设计保部门不高于500ppm的排放要求，是相当先进由于要求的脱硝效率不是很高，从项目的性了。价比考虑，锅炉本体、SCR系统和空气预热器紧表１台中电厂SCR系统的主要设计条件凑布置：锅炉尾部竖井采用较少的对流受热面，燃料设计煤重油空气预热器布置在锅炉本体最后一排柱外面，而烟气流量(kg/hr)2,269,4401,997,280SCR反应器布置在空气预热器上方。SCR系统烟气温度(℃)371374烟道的走向与没有SCR系统时差别不大，没有进口烟气成份为SCR系统专门设置上升段，见图1。图1.台中电厂5~8号机组4x550MW在这种紧凑的布置下，进入反应器前的烟道统烟气在各种工况下的流动进行了研究，在SCR长度相对较短，因此要特别关注烟气和氨的混合系统烟道里面布置了多孔板、导流板以及直流格以及烟气速度分布的均匀性。美国B&W公司通栅等，SCR系统烟道及反应器布置见图２。过数值模拟和1:10的物理模化试验，对SCR系

2图2.台中电厂5~8号机组SCR系统烟道及反应器布置每台锅炉有两个反应器，每个反应器内布置气污染物排放标准》要求，台中电厂5~8号炉在三层节距为6mm的板式催化剂，催化剂总用量2001年要低于250ppm，在2003年要低于3为351.2m。喷氨栅格布置在催化剂前大约21100ppm。米的位置，每套喷氨栅格由12个垂直布置的喷为了适应NOx排放要求的发展，并保持一定氨管和８个水平布置的喷氨管组成，管上开有共的前瞻性，台中电厂决定对5~8号炉做进一步的212个喷氨孔。每路喷氨管都有一个手动调节阀，改造。在原设计的一层预留层的基础上，再添加在调试时调整氨的喷射均匀性。一层催化剂。这样在预留层添加后，催化剂就由脱硝剂为无水氨，四台锅炉的SCR系统共配原来的三层变为五层，脱硝效率提升到80%。3有４个储氨罐，每个的容积为170m，可储存一改造的设计、制造以及安装施工仍然由美国台锅炉一个月的用氨量。无水氨采用闭式蒸发系B&W公司负责。反应器内钢结构进行了调整，统，每两个储氨罐配置两个电加热蒸发器。氨罐以增加催化剂的布置空间。催化剂总量由原来的33的最低工作压力为345KPa，当氨罐的压力过低351.2m增加到了582m，并对整体钢结构进行时，就启动电加热蒸发器以保证供氨压力与氨气了补强。氨系统中无水氨蒸发器、氨气流量调节的流量。阀以及稀释风机进行了更换，其余基本不变。在1.3运行和改造新的脱硝效率下，无水氨储存罐的储存天数由原4台锅炉基本上按照6个月的时间差依次投来的一个月缩短为19天，仍然能满足氨的储存运。最早的５号机组于1995年三月点火烟气，的需求。同年九月锅炉带满负荷，10底完成SCR系统性改造首先在７号机组上进行。改造利用了锅能试验。4套SCR系统的性能都全面满足设计要炉的大修时间，停炉的时间为2000年2月9日求。至3月21日共42天。详细施工时间见表2。7在机组安装之时，台湾环保局仅仅要求NOx号机组在2000年4月进行性能试验，SCR的脱排放值不高于500ppm。而按新的《电力设施空硝效率为82.6%，远高于80.3%的保证值。

3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2.9~2.11(3)2原催化剂吊离2.14~2.22(7)3钢结构补强2.15~3.1(12)4新催化剂安装3.2~3.8(5)5原催化剂安装3.9~3.15(5)6检查、封炉3.16~3.20(3)7旧催化剂清理（厂外）2.15~3.38更换蒸发器、风机等12.27~3.79仪电设备安装测试2.10~3.14脱硝效率越高，对SCR系统烟道内烟气与氨脱硝设备的主要性能参数见表3。其中，由于煤的混合以及分布均匀性的要求就越高。美国中的含硫量很高，要求SO2到SO3的转化率不B&W按50%的脱硝效率设计系统，最后进行高于0.75%。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、可调性表3.Somerset电厂SCR系统主要设计参数和稳定性非常出色。虽然如此，改造还是付出了名称数据不小的成本。因此在设计脱硝效率时，最好是一机组容量675MW次到位。进口NOx值0.55lb/MBtu2Somerset电厂675MW机组脱硝装置的经验出口NOx值0.0552.1项目概况lb/MBtu1999年，美国B&W公司完成了美国AES电脱硝效率90%力公司Somerset电厂675MW燃煤机组SCR脱漏氨率<3ppm硝设备的安装和调试，电厂脱硝设备于同年七月催化剂化学寿24,000hr投入运行。这是全美首台大型电站燃煤锅炉SCR命改造项目。Somerset电厂靠近美国水牛城，其SO2到SO3的0.75%675MW燃煤机组于1984年投入商业运行。改造转化率前，此机组为美国纽约州最大的单个NOx排放烟气温度650℉源，每天排放大约32吨NOx。煤质特性1998年８月，美国电力公司进行了电厂脱硝含硫量2.5%~3%设备招标工作。电厂对包括SCR、SNCR、低灰中CaO含量3~6%NOx燃烧器和顶二次风等在内的各种脱硝的技煤中As含量<10ppm术方案进行了比较，最后确认只有SCR适合于本项目。招标书技术规范仅三页，要求供方完成2.2SCR系统的设计能够达到90%脱硝效率的交钥匙工程。从发标到Somerset电厂SCR系统布置见图3。由图可投标仅有10天时间，评标5天时间。业主从设见，在省煤器和空气预热器之间有足够的空间来计、施工、工期以及性能保证等方面对投标方进布置SCR烟道，不用对省煤器和空气预热器进行了评估，最后在1998年9月底把脱硝合同授行修改和移位。由于省煤器出口烟温较低，在满予美国B&W公司。紧接着，脱硝设计立即开始负荷下只有343℃，因此设置了省煤器旁路，以进行，8个月后，脱硝设备投入运行。在低负荷时提升进入催化剂的烟气温度。脱硝设锅炉燃料的主要来源为匹兹堡烟煤，其含硫备是为臭氧季节运行设计，因此设计了反应器旁量高达2.5%~3%，高位发热值为13,100Btu/lb。路。反应器旁路采用零泄漏的双挡板，反应器进

4出口采用单挡板设计。和两个空气预热器相对氨的喷射系统采用了先进的分区控制技术。应，SCR系统有两个平行烟道和反应器。氨的喷射格栅位于SCR水平烟道段，在每个烟反应器内催化剂采用3+1层布置，初装3层道截面上设置了3x7共21个氨的喷射控制区，3共897m的6mm板式催化剂。每一层催化剂模块每个区的氨气流量都可单独调节，每个区布置有的阵列为12x12，共144个催化剂模块。20个喷嘴。采用分区控制的喷射系统可以通过3氨存储系统采用两个体积为170m的储罐，调节使喷氨流量与烟气中的NOx分布达到最佳可存储脱硝系统两周的用氨。氨的卸载系统使用的匹配，以获得均匀的氨硝摩尔比分布，满足高了两个100%负荷的卸氨压缩机。氨的蒸发系统脱硝效率所要求的反应器入口烟气条件。为闭式，配有三个电加热式蒸发器。图3.Somerset电厂675MW机组SCR系统反应器入口的烟气条件，即烟气混合效果和在省煤器烟气旁路投入运行的情况下，烟气温度流动的均匀性，是高效率的脱硝系统设计的关分布状况将恶化。而物理模化试验则未能预测到键。B&W公司采用了数值模拟(CFD)技术，并这种情况。由此，利用数值模拟对烟道内的导流建立了一个1:12的物理模型来确保烟气流动设板进行了优化设计，并且用物理模化试验验证。计的性能。CFD和物理模化试验的目标是：修改后的设计满足了以上目标要求。1.烟气速度的均方根偏差在反应器入口低2.3安装和运行于15%，在其出口低于10%。由于工期短，Somerset项目采用了设计和施2.氨硝摩尔比的均方根偏差在反应器入口工同步进行的方法，很多施工在相关设计没有正低于5%。式完成的情况下就开始进行。脱硝系统的设计工3.反应器入口的烟气温度偏差低于±20作于1998年10月初开始，施工和安装于12月℉。中旬开始，项目执行的周期见图4。美国B&W4.减少烟气阻力。的设计部门及安装公司与用户紧密合作，从一开5.减少烟道内的积灰。始就对安装、发货、采购和设计统筹考虑，对时其中物理模化对于烟气混合的情况只能通过间、成本和施工质量进行了良好的控制。示踪法定性观察，而CFD可以获得定量的结果。按最初的设计，以上的目标除了烟气温度偏差以外，都能很好地得到满足。数值模拟计算的结果，

5采用的是蜂窝式。现在电厂SCR设备运行已经不限于臭氧季节，而是全年运行。3B&W公司SCR工程经验总结美国B&W公司从多年SCR系统的设计、供货和安装的经验中得到如下的结论：1)SCR系统并不是简单附属在锅炉后面的一个独立的设备。SCR系统布置在锅炉的省煤器和空气预热器之间，其和锅炉主体结构上的配合还在其次，锅炉在各种运行条件下对SCR系统运行的影响以及SCR系统性能对锅炉运行的可图4.Somerset项目执行工期靠性的影响需要进行综合的定量和定性的考虑。SCR系统设计的成功，需要对锅炉的性能以及运锅炉于1999年5月14到6月26日停炉进行行实践有着深层次的理解。SCR烟道系统和电控系统与锅炉的连接。SCR2)美国SCR项目中，安装成本占大约50%。系统于1999年7月5日投入运行，经过调试，因此，在设计中注重安装成本是降低工程造价的系统的脱硝效率达到了设计的90%，氨的泄漏关键。这就需要在设计阶段，设计人员和安装公率为1ppm。司尽早进行有效的沟通和配合。在烟道断面的烟气速度和NOx浓度的变化，3)合理的工期是项目成功的重要因素。虽然使得各区域对喷氨量的需求不同。由于氨的喷射Somerset电厂SCR工程竖立了紧迫工期下项目系统采用了分区控制技术，使得系统的调试变得执行成功的一个典范，但是更加正常的合理工期快捷有效。最初的调试是在50%脱硝效率所需的可以使设计优化工作和项目执行更加自如。喷氨量下进行，以避免在调试过程中由于喷氨的4)数值模拟(CFD)和物理模化试验是保证烟分布不均匀造成漏氨过大。通过对反应器出口气流动和混合的均匀性的重要手段。B&W公司84个取样点NOx浓度的测量，对各喷氨区对应经过试验和大量运行实践验证的CFD技术，可的管线上的手动调节阀进行调节，直到反应器出以灵活地提供定量分析。CFD设计对于每个SCR口的氨硝摩尔比分布偏差小于15%。然后依次进项目都是必须的，能够对烟道系统设计提供有效行脱硝效率为70%和90%下喷氨系统的调节。的依据。物理模化试验虽然提供的定量数据比较由于工期很短，因此，在最初的设计中，并少，但是在新技术的研制过程中，可以对CFD没有足够时间对系统进行最优化的设计。比如最设计的结果进行很好的验证。另外，在SCR烟早NOx采用多点烟气抽取－混合测量系统，经道系统非常规布置，走向比较复杂的情况下，物过运行证明，其稳定性不是很好，另外，反应器理模化试验也可提供一个很好的参考。出口烟气挡板因框架变形在操作时有卡涩现象。5)每个脱硝项目都是单独为特定用户定制经过NOx测量系统的更换以及烟气挡板框架的的。SCR系统的设计要根据锅炉的运行条件和用加固以后，整个SCR系统运行情况良好，全面户的要求进行专门的设计。从世界范围来看，满足了用户的技术要求，获得用户好评。SCR技术从日本起步，在应用到欧洲的时候，出在后面的几个臭氧季节的运行中，整个设备现了As的毒化的问题，发展到美国的时候，出的运转正常，烟道内积灰轻微，催化剂取样化验现了爆米花灰以及PRB煤的问题，都给SCR技的结果，其活性衰减的速度低于预测值。电厂于术的发展提出了挑战。因此对于每一个工程，要2004年按计划安装了预留层的催化剂，催化剂应用自己丰富的经验和数据库，充分考虑和预测

6可能出现的情况，并采取相应的措施，才能保证报告，温恒正、李建平等，《燃烧》2002年脱硝项目的成功。第三期，台湾。参考文献：4.SCRSystemOperatingExperienceatAES1.2200MWSCRInstallationonNewCoal-FiredSomerset,D.Town&D.MonninatProject,D.Tonn&T.UysalatICACForumPOWER-GENInternational2002,USA.1998,USA.5.Engineering-economicevaluationofSCRNOx2.RecentSCRRetrofitExperienceonCoal-Firedcontrolsystemforcoal-firedpowerplants,H.Boilers,W.Nischt&J.BigalbalatChristopherFrey,ProceedingsoftheAmericanPOWER-GENInternational1999,USA.PowerConference,Vol.57-II,April1995.3.台中发电厂五至八号机SCR脱硝效率提升