摘要：針對300MW機組運行現狀，提供了利用低溫氧化技術對鍋爐煙氣中氮氧化物進行脫除的改造方案，以滿足最新的環保排放要求，同時減輕選擇性催化還原(SCR)系統運行壓力和氨逃逸造成的空預器堵塞等疑難問題，為同類型機組進行深度減排改造提供借鑒和指導意義。

關鍵詞：低溫氧化脫硝;深度減排;氨逃逸;空預器堵塞;

火電行業超低排放是指火電廠燃煤鍋爐在發電運行、末端治理等過程中，采用多種污染物高效協同脫除集成系統技術，使其大氣污染物排放濃度達到天然氣燃氣輪機組標準的排放限值，即煙塵、二氧化硫和氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/Nm3。

本項目機組在現有SCR脫硝系統基礎上增設制氧-臭氧脫硝系統的改造方案，從運行安全角度考慮，增加臭氧噴射設備，通過減少噴氨量或減少現有催化劑數量等方式，適當調高SCR出口NOx濃度，既能實現NOx深度減排，符合國家節能減排政策，又能減輕現有脫硝系統的負荷出力和脫除氨逃逸造成的空預器堵塞等問題，并通過預留擴展空間為后續實現NOx近零排放做鋪墊。

1 改造方案設計

該項目采用在現有石灰石-石膏法脫硫塔前的入口煙道上布置臭氧噴射裝置，在SCR出口NOx排放濃度60mg/Nm3的工況下，通過臭氧氧化脫硝裝置將NOx排放濃度降至30mg/Nm3，達到深度減排的目的。圖1為臭氧低溫氧化脫硝系統的改造示意圖。

1.1 現有機組脫硝系統概況

本項目火電機組為亞臨界參數、自然循環、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、緊身封閉、全鋼構架的∏型汽包爐。采用中速磨配冷一次風機，正壓直吹式制粉系統，每臺鍋爐配5臺磨煤機，4臺運行，1臺備用。脫硝系統采用液氨工藝SCR脫硝技術，配以“2+1”模式布置蜂窩式催化劑，設計脫硝效率為80%。機組發電機功率隨全年運行小時數的變化分別參見圖2所示。

經計算，機組平均負荷為230MW，負荷率為70%，煙囪入口處凈煙NOx排放值約35mg/Nm3,SCR催化劑效率已經由設計值80%升高至88.30%,SCR入口NOx濃度超過300mg/Nm3時，SCR脫硝系統的運行壓力會更大。因此，催化劑的使用壽命受到了限制、效率已接近正常運行臨界點。從圖2-b可知，凈煙氣NOx排放值時常超過50mg/Nm3，表明SCR系統隨機組負荷或者煤種的波動自動調節響應滯后，嚴重影響機組人員的正常調控，導致噴氨調門忽大忽小，可能造成氨逃逸率過大。由于機組SCR脫硝系統備用層也裝配了催化劑，現場未預留空間來再次增加催化劑，因此無法通過加層來增加脫除NOx的潛力。


1.2 改造方案的設備配置

本工程在引風機出口至脫硫塔入口的煙道內設置墻式噴槍進行臭氧/氧氣混合氣體的噴射，并輔以高壓稀釋風克服煙道壓力。高價態的氮氧化物隨煙氣進入脫硫塔進行溶解和氧化，形成硝酸鈣，經脫硫廢水系統排出。具體布置一套采用吸附真空解吸法(VPSA)連續制取純度90%～95%的氧氣，為臭氧發生器提供氧源，兩套采用介質阻擋放電的技術原理的管式臭氧發生器來生產臭氧介質，臭氧介質通過一套活性分子反應器裝噴射裝置噴進脫硫塔前的煙道煙氣中進行氧化反應。

1.3 臭氧脫硝主要系統

1.3.1 制氧系統

采用VPSA連續制取純度90%～95%的氧氣，為臭氧發生器提供氧源。普通空氣經入口過濾器過濾后，由鼓風機送往吸附塔，在吸附塔內完成氧氣的制備，在緩沖罐內進行緩沖后，經一級壓縮氧壓機后進入儲氣罐待用。空氣制氧后的剩余產物經管道過濾器、真空泵排至排氮消聲器對外排空。

1.3.2 煙道反射噴射系統

臭氧噴射系統由流量調節控制系統，臭氧噴嘴以及煙氣分布器組成，該系統能夠滿足臭氧與煙氣充分均勻混合，臭氧流量數據可實現遠傳并時時可調。臭氧噴射位置選擇靜電除塵器后部煙道，煙氣溫度低于200℃，能保證臭氧與NOx高效反應的溫度區間及反應時間。

1.3.3 臭氧發生器

采用介質阻擋放電的技術原理，將氧氣電離后生成高濃度的臭氧、氧氣混合氣體，混合氣體氧化性強，由于部分氧氣也攜帶電子，能進一步增加氧化反應效率。

1.3.4 冷卻水循環系統

因臭氧發生器在工作中將產生大量熱量，而臭氧發生器的工作溫度應小于30℃，故需要設置冷卻水循環系統降溫。采用閉路循環冷卻系統，內循環為閉路循環，采用除鹽水注滿整個系統。外循環直接接入電廠循環水系統。

臭氧發生器冷卻水設計內循環冷卻水系統，通過板式換熱器換熱，為臭氧發生器提供冷卻水，可有效防止因外循環水質變化（尤其是氯離子與pH值）對臭氧發生器的腐蝕。

1.3.5 吸收塔系統

采用現有石灰石-石膏法脫硫系統，氧化反應產物進入脫硫塔與噴淋液反應。臭氧反應后生成的高價態NOx易溶于水，同時與石灰石漿液生成一定量的硝酸鹽，含有硝酸鹽的液體同石膏漿液通過石膏漿液泵排出，進入石膏脫水系統。脫水后的固體石膏外運使用，脫除液體溢流后進入濾液箱，最終返回到脫硫塔或當氯離子超標時隨脫硫廢水排出脫硫系統。

1.3.6 安全報警系統

系統根據相應規范設計，臭氧制備區內安裝臭氧泄漏報警儀、氧氣制備區或者儲存區內安裝氧氣泄漏報警儀，當這些區域內環境中臭氧/氧氣泄露超標時，系統輸出報警信號。

2 脫硝效果分析

2.1 臭氧脫硝系統投運效果

氧化脫硝系統是按照實際SCR后煙氣參數進行設計的，臭氧脫硝的效率可達95%以上，脫硝效率取決于臭氧的噴射量以及噴射濃度。本項目的脫硝效率設計值為不小于75%，即確保氮氧化物在SCR后不高于60mg/Nm3的條件下（這時氨逃逸率較低，有助于減輕空預器堵塞），出口氮氧化物不高于30mg/Nm3。本項目氧化脫硝系統主要參數見表1所示。



本項目增加臭氧脫硝系統后，需要對現有的脫硝系統和脫硫系統進行調節，以確保氨逃逸有效的控制以及氧化后的氮氧化物被吸收。詳細的系統分配如下：
(1) SCR系統由現有的氮氧化物50mg/Nm3以下，升高至60mg/Nm3，脫硝效率由88.33%(300mg/Nm3降低至35mg/Nm3）降低至80%(300mg/Nm3降低至60mg/Nm3）。機組SCR催化劑的設計效率為80%，在此效率下運行，SCR系統最為經濟安全高效。液氨的噴射量可減少約17.46kg/h，即全年節省液氨用量為87.31t。

(2)用臭氧氧化法來進行深度減排脫硝，將氮氧化物控制在30mg/Nm3以下，確保系統穩定達標。

2.2 臭氧脫硝技術應用的環境效益和社會效益

2.2.1 NOx深度減排

本機組煙氣系統目前采用SCR脫硝裝置控制NOx排放量，NOx排放濃度為50mg/Nm3，符合《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）中NOx排放限制要求，機組年有效利用按5000h計算，鍋爐NOx年排放總量約262.5t。本工程為了實現深度減排脫硝和減少氨逃逸，在脫硫塔入口前增加臭氧脫硝裝置，機組年減少NOx年排放總量約183.75t，這對改善當地的大氣環境質量起到積極作用。

2.2.2 氨逃逸治理

SCR脫硝系統在通常的設計是向催化劑上游的煙氣中噴入氨還原劑，首先使氨蒸發，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，利用噴氨格柵將其噴入SCR反應器上游的煙氣中，利用催化劑將煙氣中的NOx轉化為氮氣和水。SCR系統NOx脫除效率通常很高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOx反應。有一小部分氨不反應而是作為氨逃逸離開了反應器。一般來說，對于新的催化劑，氨逃逸量很低。但是，隨著催化劑失活或者表面被飛灰覆蓋或堵塞，氨逃逸量就會增加，為了維持需要的NOx脫除率，就必須增加反應器中NH3/NOx摩爾比。

機組煙氣NOx排放濃度約276～321mg/Nm3，經SCR脫硝裝置NOx排放濃度約30～50mg/Nm3，為維持NOx超低排放要求，實際運行中NH3/NOx摩爾比較高，在滿足NOx環保排放要求同時，也導致脫硝裝置出口的氨逃逸較高，加劇了尾部空預器的堵塞。

本工程通過在機組煙道增加臭氧脫硝裝置，降低了SCR脫硝NH3/NOx摩爾比，氨逃逸率可降低至2.3mg/Nm3以內，使NOx排放濃度降低至30mg/Nm3以內，本臭氧脫硝工程的實施，將進一步降低SCR運行壓力（也可適當的減少催化劑填充量）和NOx排放量，并解決氨逃逸疑難問題，而且不會對環境造成新的二次污染。

2.2.3 社會效益

火電廠排放的NOx除形成酸雨外，還會與碳氫化合物反應生成致癌物質，對人體造成嚴重影響。因此，通過臭氧脫硝工程的實施可適當的減少催化劑填充質量并可減少NOx排放量，將有助于改善當地大氣環境，具有良好的社會效益。

3 結論

本次改造工程的投產運行，在現有SCR脫硝系統基礎上增設制氧-臭氧氧化脫硝系統的改造方案，從運行安全角度考慮，增加臭氧噴射設備，通過減少噴氨量或減少現有催化劑數量等方式，適當調高SCR出口NOx濃度，既能實現NOx深度減排，又能減輕現有脫硝系統的負荷出力和脫除氨逃逸等問題。