燃?xì)鈨?nèi)燃機分布式能源系統(tǒng)煙氣脫硝關(guān)鍵技術(shù)研究

劉曉立

(中國華電科工集團有限公司，北京 100070)

0 引言

天然氣分布式能源本質(zhì)上是通過多種方式對天然氣進(jìn)行綜合利用，以提高天然氣能源的利用率;同時大幅縮短能源供應(yīng)的輸送距離，以減少無效損耗。目前最常見的綜合利用模式即為冷、熱、電三聯(lián)供，在該模式下，天然氣的綜合利用率可超過70%［1－2］。

近年來我國開始重視分布式能源的發(fā)展，機組容量不斷增加，隨之而來的尾部煙氣污染物排放問題逐漸顯現(xiàn)，控制煙氣中的氮氧化物排放已經(jīng)成為一種趨勢。

1 氮氧化物及其危害影響

氮氧化物與空氣中的水結(jié)合最終會轉(zhuǎn)化成硝酸和硝酸鹽，硝酸是酸雨的成因之一。氮氧化物對人的健康也有很大的影響，使人的呼吸機能下降，呼吸器官發(fā)病率增高。氮氧化物與碳?xì)浠衔锝?jīng)太陽紫外線照射會生成一種有毒的光化學(xué)煙霧。這些光化學(xué)煙霧能使人眼睛紅痛、視力減弱、呼吸緊張、頭痛、胸痛、全身麻痹、肺水腫，甚至死亡［3］。

天然氣相較于其他化石能源具有低灰、少硫的性質(zhì)，其燃燒所產(chǎn)生的煙塵、二氧化硫甚少，但是受燃燒方式等影響，天然氣在燃燒過程中仍會產(chǎn)生大量的氮氧化物。目前國內(nèi)天然氣分布式能源都是通過低氮燃燒、稀薄燃燒技術(shù)控制氮氧化物的排放，而隨著全球特別是中國社會的快速發(fā)展，安全、環(huán)保和新能源成為主題，氣液固污染物排放和治理被提到了前所未有的高度。氮氧化物是造成大城市霧霾的主要原因之一，氮氧化物排放治理成為重中之重。面對日益嚴(yán)重的城市霧霾狀況，北京市提出了更為嚴(yán)格的要求，以天然氣、人工煤氣為燃料的內(nèi)燃機，氮氧化物最高允許排放質(zhì)量濃度75 mg/m3，前提條件是內(nèi)燃機煙囪高度及距周圍居民住宅的距離應(yīng)不低于15 m，且需高出周圍半徑200 m范圍內(nèi)的建筑物3 m以上，否則按相應(yīng)排放限制的50%執(zhí)行［4］。目前，天然氣分布式能源系統(tǒng)通過低氮燃燒、稀薄燃燒技術(shù)［5］控制氮氧化物的排放已經(jīng)不能滿足北京市對氮氧化物的排放限制要求。所以，對天然氣分布式能源系統(tǒng)煙氣脫硝技術(shù)研究及應(yīng)用迫在眉睫。

2 燃?xì)鈨?nèi)燃機的煙氣治理策略

2．1 技術(shù)路線的選擇

目前國內(nèi)外脫硝技術(shù)有很多，但適用于燃?xì)鈨?nèi)燃機(以下簡稱內(nèi)燃機)分布式能源系統(tǒng)的煙氣脫硝技術(shù)主要有低氮燃燒技術(shù)、稀薄燃燒技術(shù)、選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)、選擇性催化還原(SCR)技術(shù)及這幾種技術(shù)的聯(lián)合技術(shù)［6］。

目前國內(nèi)的內(nèi)燃機，無論是進(jìn)口的還是國產(chǎn)的，多數(shù)已經(jīng)采取了低氮燃燒、稀薄燃燒技術(shù)，目的是降低燃燒溫度，控制氮氧化物的生成量。但低氮燃燒、稀薄燃燒技術(shù)有其自身的缺點，在控制氮氧化物生成量的同時降低了內(nèi)燃機的效率，并且通過低氮燃燒、稀薄燃燒技術(shù)控制氮氧化物生成量能力有限，已經(jīng)不能滿足部分地區(qū)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。

內(nèi)燃機出口煙溫為300～600℃，SNCR技術(shù)適宜的溫度為850～1 100℃，由于煙氣溫度的限制，SNCR技術(shù)不適用基于內(nèi)燃機的天然氣分布式能源項目。

SCR技術(shù)適宜的溫度為290～700℃，包含了內(nèi)燃機出口煙溫區(qū)間，因此SCR技術(shù)適用于基于內(nèi)燃機的天然氣分布式能源站項目。經(jīng)過技術(shù)比選，目前采用SCR脫硝［7］技術(shù)控制氮氧化物排放為最佳選擇。

SCR脫硝還原劑分為液氨、氨水和尿素［8］。基于內(nèi)燃機的天然氣分布式能源項目一般建在工業(yè)園區(qū)、商業(yè)區(qū)或者辦公樓宇，對安全的要求較高。液氨作為重大危險源，不予采用。氨水具有一定的危險性，危險等級較低，具有較高的可控性，可以采用。尿素為常規(guī)化學(xué)物品，無危險性，可以采用。因此，可采用氨水或者尿素作為還原劑，優(yōu)先選擇尿素。

內(nèi)燃機出口溫度較高，傳統(tǒng)燃煤電廠釩鎢鈦催化劑若長期應(yīng)用于420℃以上工況，短期內(nèi)即發(fā)生燒結(jié)和失活等一系列問題［9］，因此內(nèi)燃機脫硝需選擇耐高溫的鐵基分子篩催化劑。

2．2 反應(yīng)機理

用軟化水和干尿素制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的尿素溶液，儲存在尿素溶液儲罐中;氨水儲存在氨水儲罐中。尿素溶液或氨水經(jīng)供應(yīng)泵、計量與分配模塊［10］、霧化噴嘴等噴入高溫?zé)煹乐?，分解產(chǎn)物NH3與NOx在催化劑的作用下生成N2與H2O［7］。

在煙道內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng)過程如下:

在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng)過程如下:

2．3 系統(tǒng)構(gòu)成

2．3．1 采用尿素作為還原劑

SCR脫硝系統(tǒng)如圖1所示，主要包括尿素溶液儲存與制備系統(tǒng)、尿素溶液輸送系統(tǒng)、尿素溶液計量分配系統(tǒng)、尿素溶液噴射系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、催化劑、控制系統(tǒng)及其附屬系統(tǒng)等。其主要設(shè)備有尿素溶解罐、尿素溶液儲罐、尿素溶液輸送泵、尿素高流量循環(huán)泵、尿素溶液計量分配裝置、尿素溶液噴射裝置［10］、空氣壓縮機、沖洗水系統(tǒng)、催化劑及控制裝置等。

2．3．2 采用氨水作為還原劑

圖1 系統(tǒng)流程(尿素法)Fig．1 System flow chart(urea method)

圖2 系統(tǒng)流程(氨水法)Fig．2 System flow chart(ammonium hydroxide method)

SCR脫硝系統(tǒng)如圖2所示，主要包括氨水儲存與供應(yīng)系統(tǒng)、氨水計量分配系統(tǒng)、氨水噴射系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、催化劑、控制系統(tǒng)及其附屬系統(tǒng)等。其主要設(shè)備有氨水儲罐、氨水供應(yīng)泵、氨水計量分配裝置、氨水噴射裝置、空氣壓縮機、催化劑及控制裝置等。

3 內(nèi)燃機煙氣脫硝技術(shù)分析

3．1 高效煙氣混合器技術(shù)

設(shè)置兩級混合器，第1級混合器布置在還原劑噴射區(qū)前，使還原劑與煙氣充分混合，提高還原劑熱解效率，第2級混合器布置在還原劑噴射區(qū)后，提高氨氮混合的均勻性，提高脫硝效率。

3．2 導(dǎo)流裝置

開發(fā)第2代導(dǎo)流裝置，探索導(dǎo)流裝置各特征尺寸對脫硝反應(yīng)器流場的影響，通過數(shù)值模擬及試驗手段掌握導(dǎo)流裝置的設(shè)計原則。通過高效混合器和導(dǎo)流裝置［11］的雙重作用，使煙氣偏差達(dá)到如下要求:速度最大偏差為±10%;溫度最大偏差為±10℃;NH3/NOx摩爾比最大偏差±5%;煙氣入射催化劑角度(與垂直方向的夾角)在±10°之間。

3．3 還原劑計量噴射系統(tǒng)

通過計量分配模塊將還原劑溶液均勻分配給每支噴槍，噴入煙道。同時，根據(jù)內(nèi)燃機負(fù)荷及溫度變化以及出口NOx質(zhì)量濃度變化情況，及時調(diào)整各分配裝置供應(yīng)的還原劑量，保證每支噴射器的還原劑霧化和噴射要求。

噴槍僅是還原劑計量噴射系統(tǒng)中的一個設(shè)備，但它的設(shè)計關(guān)系到整個還原劑計量噴射系統(tǒng)是否能夠安全運行，甚至是整個脫硝系統(tǒng)成功運行的關(guān)鍵。

3．4 催化劑的安裝方式

設(shè)計一種用于煙氣脫硝反應(yīng)器內(nèi)的催化劑模塊固定裝置及固定方法，要求操作簡便且尤其適用于小型脫硝反應(yīng)器，在工作人員無法進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行焊接的情況下，實現(xiàn)催化劑模塊與反應(yīng)器內(nèi)壁之間的密封，提高脫硝反應(yīng)器的穩(wěn)定性和安全性。

4 流場模擬

4．1 數(shù)值模擬目的

計算流體動力學(xué)(CFD)模擬研究的目的是評估不同運行工況下煙氣流場，使煙氣流速、溫度、氨氮摩爾比及煙氣入射催化劑角度偏差達(dá)到最小，最終優(yōu)化煙道混合器、導(dǎo)流板、煙道布置形式，降低系統(tǒng)壓力損失，保證脫硝效率。

4．2 數(shù)值模擬范圍

CFD模擬使用商用CFD軟件，使用熱煙氣、液/氣(不含固體)兩相流模型，邊界條件設(shè)置反映真實流場狀況。CFD模擬的范圍是內(nèi)燃機出口至溴化鋰余熱機入口(包括反應(yīng)器，不包括催化劑)。

4．3 CFD模擬試驗過程

建立脫硝系統(tǒng)SCR區(qū)結(jié)構(gòu)布置CFD模型如圖3所示。流體模型的CFD方案設(shè)計及優(yōu)化基于使出、入口截面速度分布均勻，氣液相流場分布合理，系統(tǒng)后力損失較小的原則。通過氣相湍流模型、多孔介質(zhì)模型和物質(zhì)輸運模型，進(jìn)行流場模擬［12－14］。

圖3 脫硝系統(tǒng)SCR區(qū)結(jié)構(gòu)布置Fig．3 Structural layout of SCR region in denitration system

4．4 模擬結(jié)果

模擬試驗對100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)、75%BMCR、50%BMCR工況進(jìn)行了模擬分析，不同工況下流速偏差、氨濃度偏差、溫度偏差的趨勢一致，因此選取100%BMCR工況進(jìn)行結(jié)果分析。

內(nèi)燃機機組SCR脫硝裝置的煙氣流線圖如圖4所示，從圖中可以看出:煙氣經(jīng)過兩個混合器，氣流發(fā)生強烈旋轉(zhuǎn)，還原劑溶液噴射進(jìn)入煙道后迅速蒸發(fā)在強烈旋轉(zhuǎn)氣流的作用下?lián)]發(fā)轉(zhuǎn)化成的氨氣與煙氣混合徹底。煙氣在擴口段經(jīng)過多孔板進(jìn)入反應(yīng)器后，煙氣在反應(yīng)器內(nèi)的充滿度增加，為脫硝效率提供了保證。

圖4 SCR脫硝裝置的煙氣流線圖Fig．4 Flue gas flow chart of SCR denitration device

催化劑上游速度分布云圖如圖5所示，從圖中可以看出:由于多孔板作用在反應(yīng)器中心區(qū)域出現(xiàn)局部低速區(qū)域，但截面整體氣流速度分布均勻，速度Cv值為9．32%。

圖5 催化劑上游速度分布云圖Fig．5 Upstream velocity distribution of catalyst

BMCR工況下SCR反應(yīng)器內(nèi)催化劑上游氨的濃度分布如圖6所示，求得標(biāo)準(zhǔn)偏差為4．03%，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

100%BMCR工況下SCR反應(yīng)器內(nèi)催化劑上游的溫度分布如圖7所示，該截面平均溫度為498℃，溫度最大偏差為±2℃，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

根據(jù)模擬結(jié)果分別計算一級混合器入口前截面、二級混合出口截面、SCR出口截面上總壓力的平均值，截面位置如圖8所示。由圖8可知裝置總壓力分布情況，加裝脫硝后系統(tǒng)(不包括催化劑)阻力為399 Pa，其中兩級混合器的阻力為170 Pa，均滿足阻力損失最小原則。

圖6 催化劑上游氨濃度分布Fig．6 Upstream ammonia concentration distribution of catalyst

圖7 催化劑上游溫度分布Fig．7 Upstream temperature distribution of catalyst

圖8 脫硝系統(tǒng)的壓力分布云圖Fig．8 Pressure distribution of denitration system

流場的均勻性是高效脫硝的關(guān)鍵因素，因此通過流場模擬分析，獲得最佳的混合器、導(dǎo)流裝置、煙道及反應(yīng)器的布置方式，可進(jìn)一步改善流場，降低系統(tǒng)壓力損失，提高脫硝效率。

5 結(jié)束語

本文對內(nèi)燃機SCR脫硝工藝進(jìn)行了分析，通過CFD進(jìn)行了流場模擬，為內(nèi)燃機分布式能源系統(tǒng)脫硝工藝路線進(jìn)行了探索，為后期系統(tǒng)優(yōu)化提供了參考。