工业锅炉加装SCR脱硝装置对锅炉结构的影响分析

工业锅炉加装 SCR脱硝装置对锅炉结构的影响分析

郭瑞倩

哈尔滨汇焓科技有限公司，黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：工业锅炉产生的烟气中含有NOx、粉尘等有害物质，随着国家对环境质量的要求，锅炉大气污染物的排放标准越来越严格。工业锅炉大部分会采用SCR选择性催化还原技术。新锅炉设计时必定需要考虑脱硝装置所需的催化剂反应温度区间、催化剂放置空间、催化剂支撑及检修空间等因素，确定催化剂的预留空间。本文简要分析加装SCR脱硝装置对锅炉结构的影响。

关键词：工业锅炉；NOx；脱硝装置；预留空间；

新《锅炉大气污染物排放标准》中规定了氮氧化物排放浓度不高于200mg/m³，个别重点地区排放标准更加严格。以北京为例，高污染燃料禁燃区内在用锅炉氮氧化物排放浓度限值80 mg/m³，新建锅炉氮氧化物限值30 mg/m³。未加装脱硝装置的工业锅炉，氮氧化物原始折算排放量约300~450 mg/m^{3 [1]}。工业锅炉多数安装脱硝效率较高的SCR脱硝设备，蜂窝状催化剂表面积大、活性高且催化剂体积小，占用空间小，同时也适用于高粉尘的烟气，适用范围广。

1、SCR脱硝系统

1.1氨发生系统

工业锅炉脱硝用的NH₃一般购买稀释氨水，氨水罐车运送浓度20-25%氨水，用卸氨泵将氨水输送至泵房内的氨水储罐。20%氨水溶液的结晶温度约为-36℃，氨罐本身可不做特殊的保温处理，但是需要遮阴、防晒；氨水管路一般需要进行保温处理。为了保证喷枪的雾化效果，一般会将氨水用除盐水进行稀释，同时配备压缩空气。通过调节除盐水量达到实时调节参与反应的氨水的量。部分工业锅炉会安装蒸发器，将氨水蒸发为NH₃后与压缩空气一起喷入炉内。

1.2氨喷射系统

喷枪安装在锅炉烟道的脱硝反应温度位置。氨水和除盐水经加压泵加压后，经静态混合器均匀混合，通过管路输送至喷枪。在锅炉平台或底面放置有稀释风机，通过软管将氨水、除盐水及压缩空气连接，通过调节三者的流量，达到良好的雾化效果。氨水经喷枪雾化后，喷入锅炉烟道内，利用锅炉烟气热量蒸发为气态，进行脱硝反应。尽可能控制氨喷射量及氨逃逸量是SCR脱硝系统安全运行的关键^[2]。

1.3反应器

SCR反应器包括外壳、催化剂、支撑钢架等部件。尾部烟道烟气自上向下流动，反应器支撑在锅炉钢架上，外壳可提供支撑反应器及密封烟道的作用；催化剂为多个单体模块组成的箱体，催化剂箱体有内部支撑结构，箱体间并不是完全密封，而是存在一定的空隙，箱体上下的空隙需用钢板满焊进行密封，以防止烟气短路；锅炉钢柱及横梁需考虑SCR反应器荷载，SCR反应器作用力作用于锅炉钢柱上，最终传递至锅炉基础。

1.4吹灰系统

混合后的高飞灰烟气流经蜂窝状催化剂，在催化剂作用下与烟气中的NOx反应。由于蜂窝状催化剂小孔尺寸较小，就标准尺寸催化剂的小孔为例，小孔内径边长为6.4mm，飞灰易在催化剂上层沉积，严重时会堵塞催化剂孔洞。因此反应器需安装吹灰系统，在每层催化剂入口安装声波吹灰器，以压缩空气为介质，防止飞灰沉积。

2、锅炉结构

以某一成熟的工业锅炉炉型为基础，对受热面结构进行分析及设计。原型锅炉为双锅筒横置式往复炉排。炉膛中的烟气经炉膛出口窗进入燃烬室后，折向90°流向下方，从下方转90度后水平进入对流管束。进入对流管束后，在隔烟墙的作用下，纵向冲刷对流管束，烟气从上方水平流出后，折向90°向下横向冲刷省煤器及空气预热器，最后经尾部烟道排出。

锅炉各受热面，除省煤器外，均为自然循环。锅炉本体热力系统是：热网回水一部分经过省煤器，一部分通省煤器旁通管，二者汇合进入上锅筒，从上锅筒流出，经过受热面进行换热后又回至上锅筒。

3、SCR系统对锅炉结构的影响

SCR脱硝系统对温度区间要求较严格，针对原始炉型，该温度区间致位于对流管束区域，对炉膛及燃烬室结构并无影响，因此锅炉受热面从对流管束起至空气预热器，受SCR系统影响较大。

3.1对流管束

原始结构烟气纵向冲刷对流管束，烟气流程为3流程，出口烟温约260℃。SCR脱硝要求烟气温度区间为320℃~420℃，且氨水喷入后需要一定高度的空间与烟气充分混合，达到浓度场和温度场的均匀。因此，原始结构对流管束需要删减受热面，同时尽量预留氨水和烟气充分混合空间。

原始结构对流管束烟气流程为3流程，考虑到满负荷计算时出口烟温就已偏低，因此计划将第三流程受热面取消，作为氨水与烟气充分混合的空间。工业锅炉主要是用于供暖，锅炉负荷并不是一直满负荷运行，负荷大小会根据天气温度的高低来调节。为了满足锅炉负荷变化时，SCR脱硝系统的烟温要求，适当缩减前两流程的管束受热面积，以达到锅炉60%~100%负荷变化时仍旧满足脱硝温度在320℃~420℃范围。

氨水喷枪安装在对流管束第三流程烟气入口位置，在锅炉宽度方向均匀布置，第三流程入口位置有落灰空间，可将因烟气流向变化分离出的飞灰排出炉外，避免炉内大面积积灰。

3.2尾部烟道

原结构锅炉烟气纵向冲刷最后一流程对流管束后，然后烟气从上方水平流出，折向90°进入尾部烟道空间。由于锅炉房及锅炉高度方向的限制，尾部烟道布置省煤器及空预器等受热面前，需布置SCR脱硝系统的部件：喷氨格栅，催化剂，催化剂支撑钢架及安装检修空间，因此尾部烟道空间利用紧张。为保证进入催化剂的烟气速度场的均匀，将尾部烟道整体向炉后移动一定距离，并安装喷氨格栅。

催化剂布置一般为一用一备双层布置。尾部烟道预留出两层催化剂及安装检修空间后，剩余的空间较为紧凑，因此考虑钢管省煤器更换为H型省煤器。相同的换热面积，H型省煤器的体积要远远小于钢管省煤器，有利于节省空间。空气预热器更换为较大管径，避免因氨逃逸生成的硫酸氢氨造成的积灰堵塞。

3.3钢架

SCR系统部件均作用于锅炉横梁，最终由钢柱传递至锅炉基础，加装脱硝系统会对锅炉钢结构产生影响^[3]。原有锅炉钢柱承载负荷不能满足增加SCR系统后的荷载，综合尾部受热面结构布置及SCR系统荷载，锅炉增加4根钢柱。SCR系统喷氨格栅及催化剂均需要钢架提供支撑，有的厂家直接将SCR反应器的钢架及横梁作为整体直接落到锅炉钢柱上；也可在锅炉钢柱上直接增添新横梁作为支撑梁。

3.4省煤器

工业锅炉常用钢管省煤器和铸铁省煤器。由于工业锅炉回水温度低，铸铁省煤器积灰和腐蚀情况比较严重，因此现常用钢管省煤器和空气预热器组合。尾部烟道空间已被压缩，现有的空间安装钢管省煤器和空预器不能满足检修空间要求，加之回水温度偏低，低温受热面易发生低温结露、积灰黏结的情况。考虑H型省煤器和钢管省煤器联合布置，保证受热面面积的同时减少受热面占用空间，预防H型省煤器低温积灰的情况。

3.5空气预热器

SCR系统会产生氨逃逸，逃逸的NH₃会与烟气中的SOx反应，生成粘结性较强的硫酸氢氨，硫酸氢氨易附着受热面表面，形成水泥状积灰，极难清理。小管径空预器管易发生堵塞，因此空预器管宜采用管径较大的管，防止空预器管堵塞，影响锅炉运行。

3.6平台

SCR系统管路阀门、氨逃逸装置及声波吹灰等装置一般均安装在反应器标高平台，锅炉检修平台宽度小，不能放置多种设备，因此一般会在两台炉中间安装连接大平台，放置脱硝附属设备，便于操作及检修。

4、结束语

随着排放标准越来越严格，工业锅炉的新设计锅炉必须预留SCR脱硝空间。工业锅炉加装SCR后，原成熟炉型锅炉结构的对流管束、尾部烟道及尾部受热面等结构需作一定调整，以满足脱硝温度区间及空间要求；同时满足尾部受热面受热面积及检修空间要求。

参考文献

[1] 栾积毅，高建民，等. 链条炉区段配风强化对NOx排放影响的工业试验研究[J]. 节能技术，2017，35(201)：2-6.

[2] 王伟，沈凯，黄亚继．定费用时尿素热解脱硝系统的可靠性研究[J]．环境工程，2012，30(1):135-138

[3] 匡国强，徐党旗．选择性催化还原(SCR)脱硝装置对锅炉结构的影响[J]．热力发电，2006，39(10):35-36．