0引言

燃煤电厂是SO2和NOx最主要的污染源之一。目前我国已对SO2的排放进行了一定范围内的控制，但NOx的排放量仍随着火电机组装机容量增长而逐年增加[1]。如果在NOx排放方面不予足够的重视，不久其排放总量将会超过SO2，成为电力行业的第一大酸性气体污染排放物。烟气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少NOx排放的方法，主要有选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)技术。其中SCR技术是目前最有效、应用最广的脱硝方法，它能达到90%以上的脱硝效率。

1975年日本Shimoneski电厂建立了第1个SCR系统的示范工程，其后SCR技术得到了广泛应用。日本大约有170 套装置，接近100GW 容量的电厂安装了这种设备。在欧洲已有120 多台大型装置的成功应用经验。而我国在SCR技术应用方面刚刚起步。2004年1月1日起国内火电厂开始执行新的《火电厂大气污染物排放标准》GB13223－2003，强化了NOx排放控制。为解燃眉之急，不少企业引进了国外的烟气脱硝技术和设备。但大量重复引进国外技术，导致脱硝行业严重依赖国外技术支持，并且技术费用高，建设周期长，不能满足国内日趋增长的市场需求。同时也存在授权地与授权时间限制，容易陷入知识产权陷阱，不利于国内电力环保事业的长期健康发展。在此背景下，江苏苏源环保工程股份有限公司（以下简称“苏源环保”）经过多年研究，开发了具有自主知识产权的OI2-SCR烟气脱硝技术[2]，并已成功应用于国华太仓发电有限公司2×600MW机组脱硝工程。

1  国华太仓烟气脱硝工程简介
国华太仓烟气脱硝工程是典型的已建机组改造工程，项目采用高尘布置方式，在全负荷工况下脱硝效率≥90%，SO2的氧化率<1.0%，氨逃逸率小于3×10-6，不设烟气旁路装置，脱硝反应剂采用液氨。脱硝系统年运行小时和设计寿命与对应的主机一致，系统可用率≥95%。苏源环保负责烟气脱硝系统完整范围内的设计、设备采购、制造及现场制作、施工安装、调试、人员培训、现场技术服务、指导监督及整套系统的性能保证和售后服务等[3]。

国华太仓2×600MW机组在主体工程实施时未考虑脱硝装置的布置，脱硝工程施工现场空间十分有限。因此，整个改造工程除了新建液氨储存及供应系统、SCR反应器外，还必须对已建设备进行相应的加固和技术改造，如图1所示。

液氨由氨压缩机从槽车卸至液氨储罐内，利用储罐内液氨自身压力，通过节流阀将液氨送入蒸发器，使其在较低压力条件下气化，由缓冲罐送往氨气/空气混合器与空气进行混合，再送往喷氨格栅(Ammonia Injection Grid, AIG)之喷嘴喷入烟气中，与之充分混合后进入SCR反应器。液氨进入蒸发器后，通过缓冲罐的压力来控制进氨。工作时氨气在蒸发器中心管上部通过出口排出；当缓冲罐压力过高时关闭储罐出口紧急切断阀，防止液氨液相进入缓冲罐，以免事故发生。蒸发后的氨通过调节阀实现压力自动控制。蒸发器内的热水温度通过调节蒸汽量来自动控制。

烟气从锅炉省煤器出来，与喷氨格栅喷出的经空气稀释的氨气充分混合，经过导流板和整流板后均匀进入反应器催化剂层进行脱硝反应。脱硝后的烟气经空气预热器换热后进入烟气脱硫(FGD)系统脱硫，后排入大气。

2  NH3/NOx混合技术研究
氨与烟气在SCR反应器中催化剂进出口的均匀混合是保证SCR系统脱硝效率和控制氨逃逸率的关键因素。随着NH3/NOx摩尔比的增大，脱硝效率会逐渐增加，当摩尔比增加到接近1时，脱硝效率增加速度非常缓慢，而此时氨逃逸率急剧上升，造成二次污染。尤其当脱硝效率较高时，对NH3/NOx混合程度提出更高的要求，两者混合稍有不均，就会出现局部逃逸峰值和较高的逃逸平均值。因为此时，如果系统没有调节氨分布不均的能力，部分烟气含氨量超过NOx反应量，就会引起多余的氨流经过系统时发生逃逸。因此，一般燃煤机组要求催化剂表面NH3/NOx摩尔比的偏差在10%范围内；如果设计的脱硝效率在90%以上时，要求偏差在5%范围内。

通常在设计氨喷射网格和SCR系统时，采用冷态气流模型和数值计算模型来保证烟气进入SCR反应器之前氨的充分扩散和均匀混合。假如烟道的长度不能保证混合均匀，或者模型研究显示混合特性较差，就应加装导流板或静态气体混合装置[4]。德国巴克·杜尔公司提出的“三角翼”专利技术，是在喷氨前后对烟气进行混合处理，其效果比较明显，但过多的措施增加了系统的阻力和SCR装置的造价成本。

为了在国华太仓脱硝工程反应器进口段狭窄空间中实现良好的NH3/NOx混合效果，苏源环保基于OI2技术理念，对NH3/NOx混合技术进行了研究。

根据燃料特性、锅炉参数及运行工况等，采用有限体积法对SCR反应器及其连接烟道内的流体流动及氨扩散过程进行数值模拟，得到温度场、速度场、污染物浓度场等详细信息。通过现场测试数据的验证，将计算程序提炼，建成了工程应用级别的NOx生成量的模拟器。该模拟器可根据实时烟气条件和运行工况的变化，将信号及时传至喷氨控制系统，见图1。

通过对稀释后的氨气与烟气的流速比、喷出角度、管束布置、AIG支撑等因素的影响进行综合分析，数值计算，获取喷氨格栅上每一位置的开孔喷出的氨的流动轨迹及迁徙规律。提出“主动利用不均”的理念，即以较小代价获得相对均匀（或称“近均匀”）的烟气流，然后根据烟气中NOx在不同空间位置的分布情况，有计划、有步骤地控制不同区域的喷氨量，实现不同区域不同的NOx/NH3配比。为了充分实现该理念，苏源环保开发了专利技术“流场自适应型喷氨装置”。喷氨格栅（见图2）分若干个支管，每根管子上开一定数量及尺寸的孔，氨稀释空气由此处喷入烟道与烟气混合；同时，整个烟道截面被分成若干个控制区域，每个控制区域由一定数量的喷氨管道组成，并设有阀门控制对应区域的流量，以匹配烟道截面各处NOx分布的不均衡。

                                      图2  喷氨格栅实物

                             Fig2. Ammonia injection grid chart

NH3/NOx混合技术的实施显著提高了NH3/NOx混合强度，降低所需的混合距离，从而降低了系统的投资和运行费用。同时又保证第一层催化剂上表面速度标准偏差小于8%，NH3/NOx摩尔比偏差小于4%，NH3/NOx的混合效果设计达到国际先进水平。

3 设备改造技术
由于省煤器与空气预热器之间的空间十分紧凑，根本无法布置SCR反应器，因此只能将烟道由钢架内引出，通过SCR反应器后再返回空气预热器。为了实现锅炉系统与烟气脱硝系统的优化兼容，必须加固SCR反应器，对锅炉钢架结构、空气预热器、引风机、烟道等进行技术改造。

(1) SCR反应器加固及锅炉钢架结构改造

根据工艺设计要求确定SCR反应器的尺寸，反应器布置在主体工程烟道支撑框架顶部，该层为反应器的结构支撑面，大平台结构，也是催化剂装卸、检修的操作平台。SCR装置进出口烟道也布置在该层。反应器为直立式焊接钢结构容器，内部设有催化剂支撑结构，能承受内部压力，地震负荷、烟尘负荷、催化剂负荷和热应力等。根据初步计算，确定反应器总荷载（一般要达到几百吨）。反应器壳体外部设有加固肋及保温层并配有防对流板。

由于进出口烟道尺寸较大，在其穿过锅炉炉后N排钢架时，进口烟道与横梁以及与该横梁相连的斜撑梁相碰，出口烟道与斜撑梁相碰，所以必须对原锅炉炉后N排钢架进行改造。改造的主要内容包括拆除SCR反应器进出口连接烟道处的斜撑，下移中间的横梁，并对两边的附炉架进行了适当的加固。

考虑加装SCR脱硝反应器装置后荷载的增加，对原主体工程烟道支撑框架进行改造。SCR脱硝反应器装置支撑框架24.5m标高以下采用钢筋混凝土框架结构，以上采用钢结构。上部钢结构在适当轴位设横向垂直支撑，纵向以各列柱与纵梁、纵向垂直支撑组成纵横向框架结构体系。

(2) 空气预热器的改造

由于烟气中含有SO2、SO3，容易和从SCR反应器中逃逸的还原剂氨发生反应生成硫酸氢氨。而硫酸氢氨在空气预热器的中温段和低温段的温度区间内具有很强的粘性，容易吸附灰尘堵塞空气预热器，危及空气预热器的正常运行，会迫使锅炉机组停运次数增加。为了防止在空气预热器发生硫酸氢氨堵塞，除要求催化剂具有较低的三氧化硫转化率，控制NH3的逃逸量最高不超过3×10-6外，还必须对已有的空气预热器进行改造，内容主要包括传热元件部分、吹灰器部分、转子部分。

为了避免空气预热器的中温段和低温冷段连接间隙内硫酸氢氨堵塞搭桥，而将传统的低温冷段和中温段合并为一段。同时，为了有效清灰，该段内的传热元件采用高吹灰通透性的波形如NF。这种波形的内部气流通道为局部封闭型，可以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。但其换热性能（单位容积中受热面面积）不如原DU等板型，因此要维持空气预热器排烟温度不上升，必须要增加换热面积，即增加传热元件的高度。搪瓷传热元件在传热、防腐性能上优于合金钢，价格相对便宜，所以冷段宜采用搪瓷表面传热元件，隔断硫酸氢氨和金属接触，而且表面光洁，易于清洗干净。搪瓷层稳定性好，耐磨损，使用寿命长，一般不低于5万h。

空气预热器吹灰器采用双介质（蒸汽、高压水）吹灰器，蒸汽用作常规吹灰；在空气预热器的压降超过设计压降数值的一定倍数时，可以用高压水在空气预热器正常运行或停机时清洗。热端一般考虑增加一台普通吹灰器。

空气预热器转子等结构需做一些局部修改，如转子内部取消栅架（用以减少对传热元件的阻挡面积，提高吹灰和清洗效果），将横向隔板延伸到冷端，直接安放加高后的冷段传热元件等等。

这些措施最大限度地减小锅炉装设脱硝装置后带来的不利影响，和控制氨逃逸率一起，有效减少了空气预热器需要冲洗的次数，基本保证空气预热器的原有性能，不会危及锅炉的安全运行。

(3) 引风机改造

风机是电厂锅炉的主要辅机设备之一，其所消耗的电量约占总发电量的1.5%~2.5%，因此，采用高效率的风机型式及最佳的流量调节方式对于降低风机电耗意义重大。当对锅炉进行脱硝改造后，一方面脱硝剂的喷入量相对较少，对引风机风量的影响可忽略不计；但另一方面，因SCR的阻力增加约1000Pa，使引风机的风压相应提高，其功率也相应增加。

一般电厂为了提高风机运行效率高、降低电耗，风机的裕度都较小，因此根据脱硝工况，对引风机进行了增容改造。改造后的引风机在TB点及BMCR点效率都较高，满足系统改造要求。

(4) 烟道改造

装设SCR后，根据可能发生的最差运行条件（例如：温度、压力、流量）进行核算，对烟道进行了相应的改造。烟道改造后提供平滑和稳定的流动条件，与工艺要求相一致；在各种烟气温度、压力下和流层的不均匀条件下，均能提供满意的运行；确保在烟气系统中不会引起不利于运行的灰尘沉积。

尽可能优化设计了压降、烟道走向、形状和内部构件（如导流板和转弯处导向板）等。在所有烟道的转弯处以及其它根据供货商提供的烟气流动模型研究结果要求的地方，提供导向板，并且导向板和转弯处考虑了适当的防磨措施。

烟道外部充分加固和支撑，以防止过度的颤动和振动。烟道用足够强度的钢板制成，以保证其能承受所有荷重条件。焊接结构保证气密性，所有焊接接头在里外都进行连续焊。为了避免连接的设备承受其它作用力，特别注意烟道和钢支架的热膨胀。热膨胀将通过带有内部导向板的膨胀节进行调节，阻止飞灰进入膨胀节；根据要求提供滑动支架以承受烟道的热膨胀，这些支架高度应可以调节。所有烟道有外部加强筋，并且统一间隔排列。为了保持烟道系统结构的完整性，圆形烟道的外部加强筋也统一间隔排列。

4  结语
我国烟气脱硝工程以已建机组改造为主，普遍存在空间制约问题。苏源环保基于OI2理念开发的NH3/NOx混合技术，可显著提高混合强度，降低所需的混合距离，同时保证第一层催化剂上表面速度标准偏差小于8%，NH3/NOx摩尔比偏差小于4%。通过对空气预热器、引风机、烟道等主要设备的改造，很好地实现了锅炉系统与烟气脱硝系统的优化兼容。OI2-SCR烟气脱硝技术的成功开发，及其在太仓脱硝改造工程中的应用为我国已建火电机组的脱硝改造提供了技术保障，具有极强的示范和借鉴意义。