我国工业化发展进程中，烟尘与SO2污染在逐步得到控制，但是NOX排放量和大气中NOX浓度的在逐渐增加，大气污染的性质发生了变化，大气的氧化性增加，对人体健康和生态环境构成巨大的威胁。陡河发电厂按【火电厂大气污染物排放标准(GB 13223-2011)】环保要求，对二期#3机组进行烟气脱硝的技术改造。通过充分的技术论证，选用了选择性催化还原法(SCR)，尿素为还原剂。改造工程结合机组大修完成了脱硝系统与锅炉的过渡，2012年12月31日该机组脱硝系统168小时带负荷试运行通过，脱硝系统入口NOX由超过400 mg/Nm3降低到80mg/Nm3以下，优于环保要求的100mg/Nm3标准，标志着#3机组烟气脱硝改造的成功，为陡河电厂其它机组的烟气脱硝改造积累了经验。
2、SCR烟气脱硝的技术原理和工艺过程
陡河发电厂因所处地理位置的关系，结合尿素在运输、储存中无需安全及危险性的考量，选择了尿素作为还原剂。在氮氧化物(NOX)的选择性催化还原过程中，尿素作为还原剂，热解后生成的氨气(NH3)将烟气中的NOX转化为氮气(N2)。在SCR反应器中烟气脱硝的主要化学过程见图1
图1脱硝反应过程示例图
该过程的反应式如下：
4NO +4NH3+O2 → 4N2+6H2O
NO + NO2 +2NH3 → 2N2+3H2O
6NO2+8NH3 →7N2+12H2O
#3机组SCR系统分为尿素溶液制备储存区(按照六台机组需求设计)和SCR反应器区。尿素溶液制备、储存区包括尿素溶解系统、储存系统、循环/供应系统及伴热冲洗系统等。催化反应器包反应器、催化剂、尿素热解系统、稀释风机、喷氨格栅(AIG)及蒸汽、声波吹灰器等设备。
工艺流程为：将尿素人工加入溶液罐中，用除盐水将尿素制成50~60%浓度的溶液，经混合泵送入储存罐。尿素溶液经由尿素溶液输送泵、循环/供应管道、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入热解炉内分解，生成NH3、H2O和CO2，分解产物与稀释风充分混合生成含5%NH3的混合气体，通过喷氨格栅喷入烟道。NH3与NOX在反应器内催化剂的作用下发生催化还原反映，NOX还原为无害的N2和H2O。但由于并非所有NH3都反应完毕，NH3逃逸会增加脱硝系统后空气预热器的堵灰情况。反应器出口的NH3逃逸作为脱硝系统设计的重要指标，控制在2.27mg/m3以内。
图2 #3机组烟气脱硝系统工艺流程示意图
3 、工艺参数
陡电#3(250MW)机组脱硝系统工艺参数如下
4 、工艺布置
由于#3机组锅炉与省煤器之间空间狭小，SCR反应器布置在了锅炉两侧区域，属于高尘法布置。施工时，先拆除省煤器与空预器之间的烟道，从原省煤器下部的出口烟道与SCR入口烟道连接，烟道拉出锅炉主钢结构后垂直向上进入SCR反应器顶部。然后经垂直方向布置的反应器，再水平进入锅炉区域，与空预器入口连接。喷氨格栅(AIG)布置在SCR反应器入口烟道水平段，由于其与反应器入口距离足够，本工程不需设计静态混合器。
5 、工艺系统
5.1 还原剂制备、储存区
本工程采用尿素热解法制备脱硝还原剂，6台锅炉的脱硝装置共用一个尿素溶液制备、存储区，即按照2×250MW+4×200MW机组消耗量设计。主要的设备如下：
5.1.1 系统流程
尿素溶解罐采用地上设计，人工将干尿素投入到到溶解罐里，用除盐水将干尿素溶解成50~60%质量浓度的尿素溶液，通过尿素溶液混合泵输送到尿素溶液储罐。尿素溶液经由输送泵输送到机组热解系统。
5.1.2 本系统的主要设备包括：尿素溶解罐、尿素溶液储罐、尿素溶液混合泵等。
5.1.2.1 尿素溶解罐
在室内对应尿素储仓设 2 台尿素溶解罐。用除盐水将尿素制成50~60%浓度的溶液。溶解罐内设蒸汽加热系统，制成后的溶液温度处于40-50℃。罐体内壁采用316L 不锈钢制造.。每个溶解罐容积33 m3，两个溶解罐尿素溶解量按照满足6台炉24小时尿素用量需设计。
5.1.2.2尿素溶液混合泵
尿素溶液混合泵为不锈钢本体，碳化硅机械密封的离心泵，每只尿素溶解罐设两台泵一运一备，并列布置。此外，溶液混合泵还利用溶解罐的循环管道将尿素溶液进行循环，以获得更好混合。
5.1.2.3尿素溶液储罐
设置2台尿素溶液储罐(119m3/个)满足6台机组6天的系统用量(50%尿素溶液)要求。储罐采用不锈钢，安装伴热装置，使尿素溶液维持在35°C 以上。储罐为立式平底结构，装有液面、温度显示仪、人孔、梯子、通风孔等。储罐基础为混凝土结构。
5.1.2.4尿素溶液循环装置
为6台机组设置1套尿素溶液供应与循环装置，循环管路为6台锅炉的脱硝装置供应尿素溶液。尿素溶液循环装置包含4台全流量的多级离心泵(流量不小于120%，一用三备)。
5.1.3其他设备
由于尿素的溶解过程是吸热反应，其溶解热高达 -57.8cal/g(负号代表吸热)。也就是说，当1克尿素溶解于 1 克水中，仅尿素溶解，水温就会下降57.8℃。而 50% 的尿素溶液的结晶温度是 16.7℃。所以，在尿素溶液配制过程中需配置功率强大的热源，以防尿素溶解后的再结晶。陡电处在北方寒冷地区，尿素溶液的配制及输送过程的加热或伴热系统进行了重点设计。加热汽源为机组辅助蒸汽联箱(压力1.0-1.5Mpa 、温度290-325℃)。尿素溶液溶解罐、储存罐内部采用盘管式的换热器。尿素溶液管道采用水伴热，设置了一台采用混合式加热器的伴热水箱。伴热管道有支路介入尿素溶液输送管道，可作为冲洗水源。
5.2 SCR反应器区
5.2.1热解炉
抽取自空气预热器出口的热风，经电加热器加热到600℃，作为热解炉热源，来完全分解喷入热解炉的尿素溶液。热解室提供了足够的停留时间以确保尿素到氨的100%转化率。热解炉从其进口开始算起，依据尿素的分解所需的体积来确定其容积的大小。热空气将通过加热器控制装置以维持适当的尿素分解温度。尿素经过一个提供完全分配的喷射器注入到热空气中。尿素的添加量是基于作为前馈信号的反应剂需求量来决定的，负荷跟踪性要适应锅炉负荷变化要求。
5.2.2稀释风机
稀释风机提供足够的空气量将氨气充分稀释，氨/空气混合物中的氨体积含量小于5%。每台锅炉设两台高压离心式鼓风机(额定压力12000pa，流量6530m3/h)，一运一备。为尿素热解提供空气，并用于氨的稀释。稀释风机能适应锅炉40~100%BMCR负荷下的正常运行，并留有一定裕度：风量裕度不低于10%，风压裕度不低于20%。
5.2.3喷氨格栅(AIG)
喷氨格栅(AIG)布置在SCR反应器入口烟道水平段，其布置方式决定着烟道中注氨的均匀性，直接关系到脱硝效率和氨的逃逸率这两个重要指标。喷氨格栅共有160个喷嘴，均匀地分布在烟道截面上，喷氨格栅接口处氨气混合物的温度不低于280℃。注入的氨/热风混合气在烟道中与烟气均匀混合是选择性催化反应顺利进行的先决条件。
图4 喷氨格栅(AIG)示意图
5.2.4 反应器壳体
本工程采用标准的板箱式结构，辅以有各种加强筋和支撑构件来满足防震、承载催化剂、密封、承受载荷和抵抗应力的要求，并且实现与外界的隔热。反应器有门孔、观察孔、单轨吊梁等装置，用于催化剂的安装、运行观察和维护保养。本工程设有两台反应器，其外观尺寸为9850×7950×12100(长×宽×高)。
5.2.5 催化剂
催化剂是烟气SCR脱硝系统中最核心的部分。在催化剂表面，NOX与NH3反应，产生氮气和水。催化剂按照NOX含量，温度等运行条件而特别设计，几何设计则考虑了粉尘的含量。催化剂元件是催化剂的最小单元结构，若干个催化剂元件组成催化剂模块，模块采用钢制箱体固定，本工程催化剂箱体模块有两种，分别为1881×948×1735/957mm(长×宽×高)。
(1)催化剂元件
本工程选用的催化剂为板式结构，每个元件的尺寸为464×464mm，高度为778mm，#3炉催化剂总体积为305.1 m3。
图5 #3机组板式催化剂安装后底部照片
(2)催化剂钢箱
催化剂钢箱用于盛放、固定催化剂模块(见下图)，同时便于模块的运行与安装。钢箱由薄钢板拼接而成，上面覆盖有不锈钢的网，用于保护催化剂。本工程催化剂模块有两种(A/B)，每个催化剂模块箱内装有16个或8个催化剂元件，各元件之间用弹性的陶瓷纤维进行密封，用以防止催化剂受外部震动破损及未处理烟气泄漏。
图6 催化剂模块(钢箱)示意图
(3)催化剂层
本工程每层催化剂由4×10只模块组成。为了防止烟气短路，模块之间的间隙采用，角钢、薄钢片密封。图7中的每一个长方形代表了催化剂模块。本工程初期设计的脱硝效率为大于80%，先布置2层催化剂，远期布置3层催化剂，脱硝效率超过90%。
图7 SCR反应器中催化剂模块布置
(4)催化剂的吹灰系统
由于本工程煤质具有一定量的灰分，为保证催化剂长期在高飞灰工况下安全可靠运行，同时对每层催化剂层设有蒸汽吹灰器和声波吹灰器。吹灰系统本身配备全套供气，疏水，控制、储气罐等辅助系统。为保证吹灰效果，本工程按每层布置三台蒸汽吹灰器、三台声波吹灰器考虑，布置于反应器侧墙和后墙。
图8 吹灰器的简单结构示意图
6 、相关设备的技术改造
6.1 烟道的改造
原锅炉烟气是从省煤器直接进入空气预热器，加装脱硝系统后增加了烟道和SCR反应器，由于#3炉与电除尘之间空间狭小，不能布置脱硝系统，故采用了将省煤器出口烟道向锅炉两侧延伸再设置SCR反应器。反应器出口烟道再返回与空气预热器入口连接。为尽量较少SCR反应器及其出入口烟道阻力，通过理论计算和物理模型试验，优化设置了导流板和烟道走向。实际运行后脱硝系统阻力低于600Pa，小于设计值。
6.2 空气预热器的改造
6.2.1 在NOX与NH3反应过程中，会有少量的NH3随烟气一起逃逸出反应器： 催化剂的氧化作用会将烟气中的部分SO2氧化为SO3，与NH3发生反应，生成NH3化合物NH4HSO4与(NH4)2SO4，沉积在空预器上，造成传热元件堵塞。
6.2.2 改造措施
热元件采用高吹灰通透性的波形替代原中温段波形，保证吹灰和清洗效果，但换热性能较原预热器用的波型差，因此，要维持预热器排烟温度不上升，适当增加了换热面积。合并传统的冷段和中温段，将预热器冷段传热元件从300mm增高到900mm左右。并使用换热效果好于传统预热器用的传热元件波形，这样保证全部硫酸氢铵在该层内部完成凝结和固化，避免在两层传热元件之间产生积聚效应。传热元件内部气流通道为局部封闭型，保证吹灰介质动量在元件层内不迅速衰减，从而提高吹灰有效深度。冷段层采用搪瓷表面传热元件。硫酸氢铵是强腐蚀物，它在烟气温度230℃左右时，开始从气态凝结为液态，具有很强的粘结性，通常迅速粘在传热元件表面并进而吸附大量灰分，从而产生堵灰。采用搪瓷表面传热元件可以隔断腐蚀物(硫酸氢铵和由SO3吸收水分产生的H2SO4)和金属接触，而且表面光洁，易于清洗干净。预热器吹灰器采用双介质吹灰器，采用蒸汽作常规吹灰(1.0MPa，300℃，每班1次);高压水作停机清洗介质(10.5MPa，普通工业水，可以在线清洗)。吹灰器成本有所上升，需加配高压水泵系统。预热器转子等结构需作一些局部修改，如冷段元件也要改为从热端吊出等等。
6.2 引风机改造
采用SCR后，由于脱硝剂的喷入量相对烟气量极微，因而引风机风量考虑不变;但因SCR反应器、进出口烟道以及空预器阻力增加， #3机组大修电袋除尘器改造，取消脱硫增压风机，引风机和增压风机合二为一，引风机压头将增加。改造后引风机设备TB点压升为10120Pa，采用双级动叶可调轴流式风机。目前引风机动叶最大开度为60%，考虑随着系统阻力增加及夏季工况，风机动叶开度最大为82%，风机运行状态处于经济工况。
7、 结束语
陡河发电厂#3机组的烟气脱硝系统改造工程，涵盖的设备改造范围广，除具有尿素法选择性催化还原法(SCR)脱硝改造的技术特点外，尤其在为旧机组如何适应新的国家环保要求，进行大量相关设备改造积累了一定的经验，为同类机组开展相关工作提供了参考。
