基于氨逃逸的SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙宇明

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)環(huán)境的保護(hù)政策要求逐年提高，有些省市甚至把氨逃逸濃度作為考核條款，因此對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整越發(fā)重要。選擇性催化還原法（SCR）的煙氣脫硝技術(shù)具有高脫硝率、低氨氣逃逸率的特點(diǎn)，已成為應(yīng)用最廣的技術(shù)。該文根據(jù)SCR的脫硝反應(yīng)原理，分析出影響脫硝的因素，為脫硝反應(yīng)器內(nèi)噴氨的優(yōu)化調(diào)整提供對(duì)策，從而有效地減少氨氣的逃逸率。

關(guān)鍵詞：煙氣脫硝 SCR技術(shù) 氨逃逸 噴氨優(yōu)化

中圖分類號(hào)：X773 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）09（a）-0046-03

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長(zhǎng)，電力市場(chǎng)逐步開放，使得電力的需求量和火電企業(yè)的規(guī)模在不斷增加?；鹆Πl(fā)電廠是資源消耗型企業(yè)，在生產(chǎn)過程中消耗了大量的化石能源和其他資源，同時(shí)向周圍環(huán)境排放大量有害物質(zhì)。因此火電企業(yè)的大氣污染控制，在我國(guó)大氣污染防治中占有重要地位。

氮氧化物（NOx）是火電企業(yè)排放的主要污染物之一，有不同的組成形式，如，NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4和N2O5等，其中NO和NO2所占比例為90%以上，是導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧、霧霾、臭氧層空洞等環(huán)境問題的重要原因。近年來，國(guó)家對(duì)大氣中NOx的減排指標(biāo)日益嚴(yán)格，現(xiàn)有所有火電機(jī)組NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為100 mg/Nm3（特殊規(guī)定執(zhí)行200 mg/Nm3），有專家預(yù)測(cè)未來燃煤鍋爐的氮氧化物排放限值將會(huì)降低至50 mg/Nm3。因此，開發(fā)出高效可靠的NOx污染治理技術(shù)迫在眉睫。

1 脫硝技術(shù)

目前，在火電廠NOx污染物控制技術(shù)中，多用低 NOx燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)。低NOx燃燒技術(shù)根據(jù)燃煤鍋爐生成的NOx，主要由NO、NO2及微量N2O組成，采用燃燒優(yōu)化、空氣分級(jí)、燃料分級(jí)、煙氣再循環(huán)、低NOx燃燒器等技術(shù)來降低NOx排放濃度。煙氣脫硝首先采用低NOx燃燒技術(shù)，在此基礎(chǔ)上還不能滿足GB 13223-2011《火電廠大氣污染物棑放標(biāo)準(zhǔn)》要求（如表1），可以采用選擇性催化還原煙氣脫硝（SCR）、選擇性非催化還原煙氣脫硝（SNCR）或選擇性催化還原煙氣脫硝/選擇性非催化還原煙氣脫硝（SCR/SNCR）技術(shù)，以到達(dá)滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，而SCR煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用的最為廣泛[1]。

1.1 SCR脫硝反應(yīng)原理

國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠一般采用SCR同時(shí)輔助低氮燃燒技術(shù)，SCR的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜。主要是NH3在一定催化劑（常用催化劑活性成分為V2O5/W2O3，載體為TiO2）的作用下，煙氣溫度位于催化劑活性溫度300 ℃～400 ℃之間，有選擇地把煙氣中的NOx還原為N2，同時(shí)生成水[2]。具體脫硝反應(yīng)如下所示。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O （1）

NO+2NO2+2NH3→2N2+3H2O （2）

6NO2+8NH3→7N2+12H2O （3）

其中反應(yīng)（1）是主反應(yīng)。因?yàn)闊煔庵械拇蟛糠諲Ox均是以NO的形式存在的，在沒有催化劑的情況下，這些反應(yīng)只能在很窄的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行（980 ℃左右），通過選擇合適的催化劑，可以降低反應(yīng)溫度，并且可以擴(kuò)展到適合電廠實(shí)際工況的290 ℃～430 ℃范圍[3]。其主要反應(yīng)過程如圖1所示。

1.2 SCR的布置方式

選擇性催化還原（SCR）主要采用4類布置方式：高灰高溫型、低灰高溫型、低灰低溫型和煙道型[4]。每種SCR工藝均具有自己的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)目前火力發(fā)電廠主要采用高灰高溫型布置（如圖2）。

高灰型SCR反應(yīng)器布置在省煤器出口和空氣預(yù)熱器進(jìn)口之間，適用于相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，催化劑活性惰化較快，煙氣溫度合適（320 ℃～420 ℃），經(jīng)濟(jì)性最高[5]。但是該布置方式下，催化劑容易受到飛灰對(duì)其造成的污染、腐蝕、磨損和堵塞，使得催化劑壽命相應(yīng)減短。

2 影響SCR脫硝系統(tǒng)的因素

2.1 NOx/NH3混合度的影響

SCR煙氣脫硝反應(yīng)的脫硝效率直接取決于煙氣中NOx與NH3的混合度，從理論上講，l mol的NOx完全被還原需要l mol的NH3，因此若噴氨量不足就容易降低脫硝效率，若過量噴氨保證了脫硝效率卻又容易造成二次污染。因此當(dāng)氨氮混合達(dá)到合理當(dāng)量比，反應(yīng)則充分完全，定義氨氮比不均勻性系數(shù)為：

式中：為氧氮比不均勻性系數(shù)；為入口界面上氧氮比標(biāo)準(zhǔn)差；為人口界面上氨氮比均值。如果過低則將造成SCR反應(yīng)器局部區(qū)域脫硝效率降低或因NH3的過剩而形成氨逃逸，因此通過合理地布置煙道中導(dǎo)流板的位置、噴嘴格柵及噴嘴的流速，可以有效避免由于氨和煙氣的混合不均帶來的問題。保證系統(tǒng)內(nèi)良好的氨氮混合比對(duì)實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的超低排放及減少氨逃逸與硫酸氫銨（ABS）生成，具有重要意義[6]。

2.2 溫度的影響

在煙氣量和NOx/NH3恒定的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低溫段NOx脫除率相對(duì)較低，隨溫度上升NOx脫除率逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定溫度后保持相對(duì)穩(wěn)定，隨溫度的進(jìn)一步升高，NOx脫除率有所降低。 在各氨氮比下，脫硝效率均隨著溫度的升高先增大后減小，在380 ℃左右開始達(dá)到最大[7]。對(duì)于氨逃逸，隨著溫度的上升，反應(yīng)速率增大，氨逃逸逐漸減小。NOx脫除率及氨逃逸隨溫度變化趨勢(shì)如圖3和圖4所示。

產(chǎn)生這種情況的主要原因是，當(dāng)催化劑采用V2O5-WO3/TiO2時(shí)，煙氣溫度降低，催化劑活性隨之減弱，從而影響脫硝效率。煙氣溫度過低時(shí)，NH3與煙氣中的SO2或SO3會(huì)發(fā)生不良反應(yīng)，生成物銨鹽黏附在催化劑表面堵塞微孔或腐蝕后續(xù)設(shè)備空預(yù)器[8]。因此為了降低溫度對(duì)脫硝效率的影響，應(yīng)當(dāng)盡量保持鍋爐工況的穩(wěn)定或采取省煤器旁路來調(diào)整SCR脫硝系統(tǒng)煙氣的入口溫度。

3 SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 傳統(tǒng)方案

SCR脫硝裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行的關(guān)鍵在于如何盡可能保證反應(yīng)器內(nèi)煙氣的流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)及反應(yīng)物的濃度場(chǎng)（NH3/NOx）均勻分布，以確保達(dá)到要求的脫硝效率并降低氨氣逃逸量。由于多數(shù)電廠內(nèi)省煤器出口到SCR煙氣脫硝反應(yīng)器入口處之間的煙道的設(shè)計(jì)與布置都比較緊湊且有兩個(gè)直角拐彎，致使煙氣速度和溫度分部不均，難以保證煙氣與氨氣的均勻混合（如圖5）。因此，對(duì)SCR反應(yīng)器進(jìn)行改造十分必要。

目前SCR系統(tǒng)超低排放改造有3種較為常見的措施：第一種是增加催化劑的層數(shù)，這直接導(dǎo)致催化劑的利用率變低，并且催化劑后續(xù)處理工序麻煩，同時(shí)新增加催化劑可能導(dǎo)致SO3的升高及ABS的生成，這對(duì)于SCR系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行都是不利的；第二種是優(yōu)化SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過在SCR系統(tǒng)內(nèi)增加導(dǎo)流部件等改善系統(tǒng)內(nèi)煙氣的流動(dòng)特性，但是導(dǎo)流部件的制作安裝是一個(gè)龐大的工程，需要巨大的人力財(cái)力，因此該方法的應(yīng)用具有一定的局限性；最后一種是增加噴氨量的方式實(shí)現(xiàn)超低排放，“粗獷”式地增加噴氨量導(dǎo)致氨逃逸升高，這直接造成ABS生產(chǎn)量增大，下游設(shè)備壓阻升高，影響鍋爐正常運(yùn)行[9]。

由此可見，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)超低排放改造的3種措施均具有一定的應(yīng)用局限，找到一種切實(shí)可行的措施十分重要。

3.2 基于氨逃逸的SCR噴氨協(xié)調(diào)優(yōu)化

研究表明SCR煙氣脫硝反應(yīng)的脫硝效率直接取決于煙氣中NOx與NH3的混合匹配度，即氨氮混合匹配度高則反應(yīng)完全，否則將造成SCR反應(yīng)器局部區(qū)域脫硝效率降低或因NH3的過剩而形成氨逃逸，因此保證系統(tǒng)內(nèi)良好的氨氮混合比對(duì)實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的超低排放及減少氨逃逸具有重要意義[10]。

科學(xué)合理的噴氨控制方法對(duì)于降低氨氮混合當(dāng)量比的不均勻性尤為關(guān)鍵，當(dāng)前各噴氨支管均勻分配噴氨量的方法顯然是不合理的，而根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)/濃度場(chǎng)分布特性進(jìn)行非均勻噴氨可以保證相對(duì)較好的氨氮混合比。

此方案采用單層噴管布置方式，噴管縱向排列，噴管共有20根，且每根噴管上設(shè)置噴嘴15個(gè)，噴嘴總數(shù)為300個(gè)。噴嘴以不同速度噴出時(shí)，可以增加煙道煙氣的擾動(dòng)性，因此對(duì)噴嘴進(jìn)行簡(jiǎn)單的分區(qū)，靠近煙道壁面處Ⅰ區(qū)，中間的區(qū)域?yàn)棰騾^(qū)；提高Ⅰ區(qū)的噴射速度，降低Ⅱ區(qū)的噴氨速度，噴氨格柵的模型見圖6。

經(jīng)過多次模擬求解對(duì)噴氨速度的調(diào)整，最后選取I區(qū)的噴氨速度為15.2 m/s，Ⅱ區(qū)的噴氨速度為13.7 m/s。經(jīng)過流場(chǎng)模擬，發(fā)現(xiàn)經(jīng)調(diào)節(jié)后氨氣進(jìn)入催化劑入口處的濃度得到了較好的改善，濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.16%，滿足了實(shí)際工程應(yīng)用中反應(yīng)器入口氨氣濃度分布要求[11]。

但值得注意的是SCR脫硝系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行一段時(shí)間后其內(nèi)部流場(chǎng)特性及其隨負(fù)荷的波動(dòng)特性均會(huì)有所變動(dòng)[12]。因此有必要定期測(cè)試煙道內(nèi)的流場(chǎng)特性及NOx的濃度分布，及時(shí)調(diào)整各噴氨口閥門開度，以最大限度地保證SCR反應(yīng)器內(nèi)持續(xù)良好的氨氮混合當(dāng)量比，保證SCR系統(tǒng)高效率、低成本運(yùn)行及ABS的有效抑制。

4 結(jié)語

針對(duì)電廠燃煤機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)，綜合考慮催化劑進(jìn)出口濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等因素及其變化規(guī)律，進(jìn)行噴氨分布的優(yōu)化調(diào)整。結(jié)果表明，當(dāng)噴嘴數(shù)量為固定的情況下，將噴嘴分為邊緣區(qū)域和中心區(qū)域兩個(gè)區(qū)域，并分別采用不同的噴射速度，能夠有效改善煙氣的混合度，從而有效降低平均氨逃逸率，實(shí)現(xiàn)尾部煙道設(shè)備的安全運(yùn)行。

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