燃煤烟气脱硫脱硝非标设备的工程设计

吴海亮/上海泰欣环境工程股份有限公司

燃煤烟气脱硫脱硝非标设备的工程设计

吴海亮/上海泰欣环境工程股份有限公司

燃煤烟气脱硫脱硝非标设备的工程设计中，本文首先分析目前主要大气污染源SO和NOX的危害，进一步探讨大气污染物控制技术现状，最后研究燃煤烟气脱硫脱硝非标设备的工程设计，从在脱硫吸收塔的设计、SCR脱硝反应器等方面展开，应根据其各自不同的特点做特殊考虑，并提出需要解决的问题。希望本文能起到抛砖引玉的作用。

燃煤烟气脱硫脱硝；非标设备；工程设计；

引言

化石燃料开采利用量的不断增加，造成有害物质的排放越来越严重，其中SO2和NOx污染不断加剧，使局部地区出现了酸雨、光化学烟雾等大气污染。SO2和NOx排放主要来自于煤炭的直接燃烧，成为主要的大气污染源之一。为减少燃煤烟气中的SO2和NOx排放，必须对燃煤烟气进行脱硫脱硝处理，燃煤烟气脱硫脱硝系统中非标设备的设计与常规的化工机械设备相比，具有自身特有的结构型式，在脱硫吸收塔和SCR脱硝反应器等方面，需要在相应的工程设计中做特殊的考虑。

一、目前主要大气污染源SO和NOX的危害分析

目前，煤炭等化石燃料的应用形式仍然是以直接燃烧为主，然而其在燃烧过程中由于高温反应会使化石燃料在氧化反应下生成SO2，这种化学物会对环境造成相当严重的污染，它排放到高空以后形成酸雨，降落到地面以后不仅侵蚀建筑物，还会对植物、动物、人类造成危害，污染环境。同时对于人体的危害极大，二氧化硫通过呼吸系统进入人体的呼吸器官以及人体内部，同人体的体液融合形成亚硫酸溶液或者硫酸溶液，对人体造成刺激和侵蚀，从而威胁到人体的健康。SO2进入到人体内部以后会和血液融合产生化学反应，对于人体的脏腑器官产生危害，破坏人体的免疫系统。化石燃料在燃烧时也会产生NOX，当NOX被排放到空气中时与氧气、水发生化学反应形成酸雨，对于环境造成更大的污染。

二、大气污染物控制技术现状

1.烟气脱硫技术。

（1）石灰石－石膏湿法脱硫

石灰石－石膏湿法脱硫工艺采用Ca(OH)2或CaCO3粉末的料浆来除去SO2，该方法脱硫效率高、稳定性好、投资较低，因此是所有脱硫方法中应用最广泛的，该方法占火电行业现役脱硫机组的90%以上。在石灰石－石膏湿法烟气脱硫系统中，碱性吸收剂浆液与烟气在喷淋塔中相遇，烟气中SO2溶解在水中形成一种稀酸溶液，然后与浆液中的Ca(OH)2或CaCO3发生中和反应生成亚硫酸钙，经强制氧化成为脱硫副产品石膏。石灰石－石膏湿法脱硫效率比较高，一般可达到95%以上，最高可达99%，基本可保证排放烟气中SO2浓度满足GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》的要求。

（2）氨法脱硫

氨法脱硫是用氨水作为吸收剂与烟气中SO2进行反应以净化烟气中SO2的湿法烟气脱硫技术，该工艺的优点是脱硫效率高(脱硫效率为95%～99%)、能耗低、反应速率快、吸收剂利用率高。从实际运行效果看，副产品可作为农用肥料。氨法脱硫是较适宜中国国情的一项烟气脱硫技术，但其净化气中可能会残留NH3，容易造成二次污染。另外，由于氨法脱硫副产品硫酸铵的价格受市场波动影响较大，同时硫酸铵作为肥料其价格受季节影响也较大，因此其运行费用也会受到影响而产生波动。

（3）其他脱硫技术

半干法脱硫技术主要是以钙基脱硫剂在反应器内大量循环，并采用高CaS来达到一定的脱硫效率，半干法的脱硫效率一般很难达到95%。随着烟气排放标准的逐步提高，半干法满足排放标准愈来愈难，目前半干法脱硫技术应用范围较小。海水脱硫技术应用受到了区域的限制，只有在临近海边有合适条件才可应用，目前海水脱硫技术基本属于非主流技术。

2.烟气脱硝技术。

（1）低氮燃烧技术

低氮燃烧技术是通过改变燃烧条件来降低NOx的排放量。低氮燃烧技术主要包括:低NOx燃烧器技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环技术和循环流化床锅炉燃烧技术，低氮燃烧技术的脱硝效率仅为25%～40%。低氮燃烧技术均是通过改变锅炉原有的燃烧条件和燃烧方式，来降低空气比，改变空气混合方式，控制燃烧温度，进而降低NOx的生成率。低氮燃烧技术的应用造成炉膛内的含氧量降低，提高了燃料的不完全燃烧比例，同时增加了炉壁腐蚀和结渣的风险。低氮燃烧技术通过控制炉内的温度而控制NOx的生成，因而锅炉的热效率会有相应的损失(能耗约0.5g(kW·h))。

（2）SNCR脱硝技术

SNCR脱硝技术是在800～1100℃内，NOx与还原剂尿素或氨类化合物发生反应生成N2，从而减少NOx的排放量。在高温的环境中使得反应迅速达到所需的较高活化能，避免了催化剂的使用。SNCR脱硝技术具有系统简单、投资少、阻力小、系统占地面积小等优点，但其脱硝效率较低。SNCR脱硝效率一般被限制在20%～40%，如再进一步增加脱硝效率，氨逃逸率会大幅度提高，对下游设备造成影响，并可能造成二次污染。

（3）SCR脱硝技术

SCR脱硝技术是指在催化剂的作用下，烟气中的NOx有选择性地与氨发生氧化还原反应，生成无污染的N2和H2O。SCR脱硝技术是在烟气温度300～400℃的锅炉尾部反应器内完成，脱硝效率可达90%以上，在国内应用比较广泛，特别是火电行业。据统计，2016年全行业火电SCR脱硝机组容量达3.4×108kW，约占现役机组容量的97.18%。SCR脱硝技术具有初投资和运行费用较高、占地面积较大、催化剂需要更换且易中毒等缺点。

三、燃煤烟气脱硫脱硝非标设备的工程设计

通过上述探讨大气污染物控制技术现状，下面笔者研究燃煤烟气脱硫脱硝非标设备的工程设计：

1.脱硫吸收塔。

目前燃煤烟气脱硫的主导技术是湿法烟气脱硫，即WFGD系统。脱硫吸收塔是该系统的核心设备，作用是使烟气中的二氧化硫与塔内各喷淋层喷淋的石灰浆液发生气液反应，以脱除烟气中的硫。部分老装置在改造过程中受空间限制，需脱硫、湿电除尘和烟囱三者一体化。其中湿电除尘装置自重较大并设置在吸收塔之上，给脱硫吸收塔本体施加一高质点的载荷，需要考虑脱硫塔的稳定性问题。该类脱硫吸收塔的结构设计目前还没有相应的设计规范，缺乏比较清晰的理论分析和指导规范。根据国外的引进技术（如美国的B&W公司），整个塔体自下而上依次分段采用不同的壁厚，塔体底部至矩形开孔段由于受力情况复杂采用比较大的壁厚值，向上依次减少壁厚值。这样的壁厚布置，虽然在强度上能满足要求，但是实际工程中并未达到很好的经济性能。部分研究发现，在正常工况下，除了矩形开孔部位有比较大的应力外，其他区域应力都不太大，可采用局部加结构型钢的方式减小局部应力，整个塔体存在较大优化空间。

2.SCR脱硝反应器。

SCR脱硝反应器是完成脱硝化学反应、提供氮氧化物降解的装置，是脱硝系统中最核心的设备。催化剂以单元模块形式叠放在若干层托架上，需要大型钢结构支撑，这些钢结构体型庞大，长期工作在高温状态下，结构形式与常规设备不同，还没有一种精确的设计方法。SCR脱硝反应器为矩形截面平板薄壁钢壳结构，为提高SCR脱硝反应器的机械承载能力，反应器采用梁柱—蒙皮、外加加强筋结构。所有机械载荷由梁柱结构承受，蒙皮不承受机械载荷，可保证SCR脱硝反应器安全稳定长周期运转。SCR脱硝反应器能承受长期载荷和短期载荷。SCR脱硝反应器的设计温度较高，针对高温热效应下的结构设计，外部加强筋的布置及规格，既要满足强度、刚度和振动要求，又要经济合理。为保证烟气进入反应器时分布均匀，反应器进口设置导流板和整流格栅，导流板、整流格栅的型式及分布对烟气流形影响较大，除需要工程经验外，还需要流场模拟的配合。

四、结语

综上可知，（1）脱硫脱硝主设备的设计方法尚没有一个确切的设计标准，如脱硫吸收塔的稳定性分析以及局部应力的分析，SCR脱硝反应器的支撑梁柱的布置及大小的强度和刚度分析，烟道加固肋的布置及规格确定，现阶段的设计相对不完善，仍然依赖国外公司的技术成果。（2）脱硫脱硝的非标设备的设计与设备布置、内件布置以及工艺要求有密切的关系，如烟道的强度、刚度、振动和流场分析，脱硫吸收塔的开孔及内件布置，SCR脱硝反应器进出口导流板及催化剂的布置，需要多个专业协作完成。

[1]陈进生.火电厂烟气脱硝技术— —选择性催化还原法[M].2015.

[2]张强.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术及工程应用[M].2014.