1、引言
我国是以煤燃为主的发展中国家，其能源构成以煤炭为主。据统计,我国大气污染物中NOx 60 %来自于煤的燃烧, 其中, 火电厂发电用煤又占了全国燃煤的70%。2000年我国火电厂氮氧化物排放量控制在500万吨左右,按照目前的排放控制水平,到2020 年,氮氧化物排放量将达到1 000 万吨以上。根据2011年国家发布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，公司现有发电锅炉及燃气轮机组自2014年7月1日起执行氮氧化物排放标准为200mg/Nm3。目前株电公司2×310MW机组NOx排放值在500 mg/Nm3左右，为实现国家“十二五”节能减排的环保规划目标，对现役机组进行烟气脱硝改造势在必行。本文结合株电公司机组自身特点在脱硝改造工艺系统方面取得了一些改进。
2、株电公司#4机组脱硝工程简介
株电公司310MW#4机组实施烟气脱硝改造工程，是积极响应国家“十二五”节能减排政策的具体体现，也是株电公司成为环境生态文明的环保电厂的重要标志。该工程的建成，年减排氮氧化物能力可达5530.6吨，这对于改善株洲市的大气环境质量有着重要作用，环境与社会效益显著。
大唐华银株洲发电有限公司 310MW 机组#4 锅炉烟气脱硝改造工程，采用选择性催化还原(SCR)脱硝工艺，高灰高温型 SCR 布置方式，设计 NOx 入口浓度1000mg/Nm3，SCR 装置 出 口 NOx 浓 度小 于 200mg/Nm3，在 #4 锅炉 现 有40%~100% BMCR 工况及实际煤种的烟气量条件下脱硝效率大于 80%，脱硝催化剂层按“2+2”设置。当环保排放标准提高，催化剂层采用“3+1”的设置时 SCR 装置出口NOx 浓度可达不大于 100 mg/Nm3排放要求，可满足国家的将来有关安全、环保等更严格的强制性法规、标准的要求。
图1 尿素热解制氨脱硝系统图
3、脱硝工艺系统优化简介
3.1尿素热解法的采用
传统制氨技术中主要采用液氨法，通过液体氨进行制备，优化方案中则使用尿素颗粒进行制备，袋装尿素颗粒通过人工破袋后倒入溶解罐中，与除盐水混合配制成50%质量的溶液，配制好的尿素溶液通过混合泵打到溶液储罐中，通过循环泵输送到计量分配装置上，与加热后的热一次风在热解炉中进行混合，生成含量为5%左右的氨气。如下图2。
图2 尿素热解流程图
尿素热解法与液氨法比较具有以下优势，详见下表2，
表2尿素热解法与液氨法的比较
综合考虑本工程的具体特点，株电公司地处市中心，且厂区场地狭小，居民区安全距离很难满足要求，因此本次脱硝改造使用尿素作为还原剂的方案最满足要求。
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3.2 天然气热源的采用
从下图3中可以看出采用天然气加热与电加热的加热流程大体一致，只是热源不同。
图3 天然气加热流程图
天然气加热比电加热要经济很多，每年可以节省181万元的运行成本(见下表3)同时也可以有效降低厂用电率，系统简单，检修维护强度小，气源充足，该项目是目前国内首台脱硝天然气热源机组。
表3 天然气加热与电加热经济性比较
每年节省费用=4803792-2992192=1811600(元)
通过从以上经济、节能、复杂性来讲，采用天然气加热比传统的电加热模式更优秀，更节能。
3.3尿素上料方式的优化
常规尿素上料主要通过斗提机上料，溶解罐布置于地面，系统复杂，劳动强度大，优化方案后方案取消斗提机等大量设备，溶解罐放置于地下-3m，可通过人工直接卸料到溶解罐中(见下图4)，优化后上料系统与传统上料相比，可节省成本投资34万元，每年运行维修费用20万元(见下表4)，无需人工维护及检修，劳动强度小。
综合考虑优化方案与传统上料方案的优缺点，优化方案经济、简单、劳动强度小，因此本次脱硝改造使用优化后方案更经济实惠。
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3.4催化剂层采用“2+2”模式
传统模式有“2+1”、“3+1”，脱硝效率不低于80%，优化方案则使用“2+2”模式， 初装两层备用两层，保证布置三层时脱硝效率不低于90%，“2+2”模式脱硝效率得到提高可保持90%运行，运行灵活，更加远见性，当环保要求提高时采用“3+1”模式运行满足100mg/m3的要求，而无需改造，节约大量运行和维护成本。同时能节约大量成本，传统“2+1”或“3+1”模式运行，要达到90%以上效率，需提高反应器每层的高度，催化剂堵塞腐蚀较为严重。
综合考虑本工程的具体特点，株电公司公司位于市中心，环保要求较极高，通过几种模式的经济性和可靠性比较， “2+2”模式最适合城市电厂。
3.5 涡流喷氨技术的采用
传统喷氨主要使用格栅喷氨技术，优化方案中使用了涡流喷氨技术，在烟气的作用下，在涡流板的背面形成涡流区，涡流喷氨喷嘴少，口径大，不容易堵塞，负荷适应性强，结构简单，不容易积灰(详见下表5)。
表5 涡流混合器和格栅式混合器的比较
涡流混合器结构形式简单，扰流板倾斜布置，不会形成局部积灰，运行安全可靠;因此选择涡流喷氨技术比格栅喷氨技术更适合我厂高粉尘烟气。
3.6采用热一次风作为稀释风
常规方案中主要是使用稀释风机，提供稀释风至加热器中加热，来满足反应器的需要。优化后，株电公司则取消稀释风机，直接采用厂内丰富的热一次风，作稀释风进入燃烧室加热。采用热一次风做稀释风具有以下优势:
1、经济 能减少稀释风机等设备投资成本，减少日常设备的运行、维护成本;
2、简单 设备优化，系统简单，运行更加稳定;
3、节能 热一次风温度较高，每年能节约大量热能及厂用电;
4、资源充足 现有热一次风风量充足，能满足同时脱硝系统稀释风的需求量。
通过以上从经济、节能、系统复杂性、劳动强度等各方面的比较，可以发现采用热一次风作为稀释风比传统方式更优越。
3.7 热解室与燃烧室分体布置
国内外传统布置结构为利用天然气或燃油作为热源的热解室结构，燃烧器位于热解室的顶部，与热解室为一体式结构;对顶部流场影响极大，优化方案中燃烧室与热解室完全独立，从锅炉热一次风母管上引入一路热风，经过燃烧器加热后，再在燃烧器出口用热风管道连接到热解室。(见下图5)
图5 热解室和燃烧室分体布置图
该分体布置热风流场不受燃气负荷的影响，助燃风及稀释风风量变化不产生回流，尿素热解反应充分，避免了异氰氨的生成和堵塞，同时不受布置位置的限制，因此通过以上技术比较，选择热解室与燃烧室分体布置更适合改造工程。
3.8反应器不设置灰斗
鉴于在锅炉低负荷的情况下，在水平烟道上会出现积灰，一般的高含尘布置SCR装置，在锅炉省煤器已经设有灰斗的情况下，还在反应器入口设置灰斗，来提高大颗粒飞灰的去除率，设置灰斗需另配气力输送装置，增加改造投资成本，现场布置难度大，日常运行维护工作量大，株电公司脱硝反应器不设灰斗主要通过以下几点保持飞灰的去除，设计合理尺寸和烟气流速，在水平烟道设置人孔门，在小修时清灰，反应器入口烟道设置为斜烟道，保证水平烟道极短，只有4米,可通过省煤器灰斗进行清灰，因此，无需增设反应器灰斗便可满足脱硝系统运行需要，使系统更加优越。
4、结束
通过以上脱硝改造工艺系统的优化，脱硝设备将更加简单，系统运行更加经济、稳定、节能，为我厂的脱硝系统带来大量的经济效益。同时，利用尿素作为还原剂对火电厂的烟气采用选择性催化还原法进行脱硝的工艺，虽然是非常成熟的烟气脱硝处理工艺，但对已建成机组通过技术改造来新增烟气脱硝系统在工程的可行性研究、工艺方式的选择、新增系统针对性优化设计等方面，还有很多有待改进的问题，株电公司#4机组脱硝改造过程中对这些问题进行了有益的探索，并取得了一些宝贵的经验，为我国大规模开展烟气脱硝改造提供良好的示范作用。
原标题：火电厂烟气脱硝改造工艺系统优化
