選擇性催化還原SCR流場優(yōu)化淺析

詹清陽 劉曉杰 阮富城 歐鯉輝 李 穎 金立梅

（1.國能（泉州）熱電有限公司，福建 泉州 362801；2.深圳市安瑞昕電力科技有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引言

我國是世界上為數(shù)不多以煤炭為主要能源的國家，煤炭的大量開發(fā)和利用給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，其中氮氧化物（NOx）是煤炭燃燒產(chǎn)生的主要污染物之一，其對(duì)大氣環(huán)境造成的危害已成為影響生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，因其能夠產(chǎn)生酸雨、引起臭氧層破壞和光化學(xué)煙霧等嚴(yán)重問題，近年來受到人們廣泛的關(guān)注[1]。2015年國家三部委聯(lián)合印發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，要求各火電企業(yè)NOx的排放值不高于50mg/Nm3，給電力行業(yè)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，促成了各火電機(jī)組開始新一輪的氮氧化物超低排放改造。傳統(tǒng)的脫硝方法主要包括分級(jí)燃燒、再燃技術(shù)以及低NOx燃燒器技術(shù)。盡管這些方法在降低氮氧化物排放過程中發(fā)揮了巨大成效，但是在面對(duì)新的超低排放值NOx≤50mg/Nm3顯得乏力。

選擇性催化還原技術(shù)（SCR）以其成熟的技術(shù)、超高的脫硝效率以及超低熱損耗被廣泛用于燃煤電廠氮氧化物超低排放改造，但是我國的SCR技術(shù)起步相對(duì)較晚，而且由于國家政策的縮緊，大量的機(jī)組在新一輪的氮氧化物超低排放改造加裝SCR反應(yīng)器，缺少足夠的改造空間，煙道存在普遍特性：（1）SCR反應(yīng)器處存在多處呈90°的拐角；（2）入口煙道窄，存在拓寬性；（3）限于整個(gè)煙道的長度，氨還原劑與煙氣混合距離較短，不能充分混合?；谝陨咸卣鳎瑹煹懒鲌龅奈蓙y嚴(yán)重影響了SCR反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低了其對(duì)氮氧化物的脫除效率，限制了SCR技術(shù)的應(yīng)用，因此，本文著重分析煙道流場對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的影響，以期給燃煤電廠SCR技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 SCR技術(shù)簡介

1.1 SCR機(jī)理簡介

選擇性催化還原技術(shù)（SCR）是燃煤電廠煙氣排放中NOx的一項(xiàng)處理工藝，即在催化劑的作用下[2]，噴入還原劑氨或者尿素，與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和H2O。脫除氮氧化物主要過程：如圖1所示，煙氣從爐膛進(jìn)入煙道溫度降至300～500℃后，SCR系統(tǒng)中的噴氨格柵將還原劑氨噴入煙道并與煙氣充分混合，在催化劑的作用下生成N2和H2O，主要反應(yīng)過程如下：

圖1 SCR脫硝原理

1.2 SCR技術(shù)特點(diǎn)

SCR系統(tǒng)主要包括催化反應(yīng)器（噴氨格柵）、氨還原劑供應(yīng)系統(tǒng)（提供充足的氨還原劑，參與到NOx的還原當(dāng)中）、空氣和氨氣的噴射系統(tǒng)以及整套催化還原系統(tǒng)的控制器。使用催化劑可以降低上述還原NO反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)溫度降低，NO還原可以在較低溫度下進(jìn)行，節(jié)省熱損失。SCR反應(yīng)系統(tǒng)一般置于省煤器后、空氣預(yù)熱器之前（又稱高塵段布置），省煤器出來的煙溫一般在150℃左右，溫度較低，符合NO還原反應(yīng)的溫度，避免了煙氣再加熱消耗熱量。氨氣在空預(yù)器之前噴射進(jìn)入煙道，與煙氣進(jìn)行充分混合后進(jìn)入還原系統(tǒng)。

NO還原系統(tǒng)中的催化反應(yīng)是SCR工藝的核心，催化劑的設(shè)計(jì)和研制是有煙道系統(tǒng)的煙氣條件、成分來確定，NOx的脫除效率、NH3的逃逸率和催化劑體積是重要影響因素。現(xiàn)階段主要使用商業(yè)釩系催化劑，并且催化系統(tǒng)樣式有板式、蜂窩式和波紋板式三種類型。

SCR系統(tǒng)現(xiàn)在主要存在以下問題：（1）由于流場分布不均，導(dǎo)致煙氣煙速不均，從而NOx測量滯后性較大；（2）煙道流場由于其布置、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，導(dǎo)致流場分布不均勻；（3）動(dòng)態(tài)工況下，氨逃逸現(xiàn)象嚴(yán)重，傳統(tǒng)SCR噴氨控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果差，噴氨格柵的調(diào)平效果差；（4）由于煙氣流場不均，局部煙速不同，導(dǎo)致局部區(qū)域噴氨過多，局部欠噴。

1.3 氨逃逸現(xiàn)象及其危害

從SCR反應(yīng)器內(nèi)排出的未反應(yīng)完全的氨導(dǎo)致了所謂的“氨逃逸”問題，煙氣流速不均、流速過大、氨還原劑過多、催化劑失活以及煙氨混合均勻程度等都是導(dǎo)致氨逃逸問題的重要原因。氨還原劑在還原氮氧化物過程中，NH3逃逸是客觀存在的，它可能在空氣預(yù)熱器處與SO3形成硫酸氫銨，其反應(yīng)式：

硫酸氫銨在不同的溫度下分別呈現(xiàn)氣態(tài)、液態(tài)、顆粒狀。對(duì)于燃煤機(jī)組，煙氣中飛灰含量較高，硫酸氫銨在150℃～210℃溫度范圍內(nèi)為液態(tài)；液態(tài)硫酸氫銨捕捉飛灰能力極強(qiáng)，會(huì)與煙氣中的飛灰粒子相結(jié)合，附著于預(yù)熱器傳熱元件上形成融鹽狀的積灰，造成預(yù)熱器的腐蝕、堵灰等，進(jìn)而影響預(yù)熱器的換熱及機(jī)組的正常運(yùn)行，因此，氨泄漏必須小于5ppm，最好低于2～3ppm，以減少硫酸銨和硫酸氫銨的生成[3]。

2 流場優(yōu)化分析

SCR脫硝系統(tǒng)雖在設(shè)計(jì)階段就已根據(jù)煙道流場特性進(jìn)行了流場優(yōu)化，但機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常處于中甚至低負(fù)荷運(yùn)行，偏離設(shè)計(jì)工況，導(dǎo)致煙道中煙氣流紊亂不均，且煤種及其細(xì)度的改變，導(dǎo)致煙氣中飛灰含量增加，對(duì)煙道內(nèi)導(dǎo)流板、整流格柵等部件沖刷磨損加劇，擴(kuò)大流場不均程度的同時(shí)，造成催化劑局部堵塞，產(chǎn)生惡性循環(huán)。另外，機(jī)組隨著電網(wǎng)負(fù)荷大幅增減時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致燃燒工況的突變和煙氣流速的急劇變化，造成流場紊亂，降低對(duì)氮氧化物的脫除效率。

現(xiàn)階段計(jì)算流體力學(xué)（CFD）被廣泛運(yùn)用于流場分析。采用CFD技術(shù)模擬煙道壓力、煙氣速度、溫度和氨氮混合程度的分布情況，確定導(dǎo)流板、導(dǎo)流格柵以及噴氨格柵的大致形狀和安裝位置，在此基礎(chǔ)上[4]：（1）可以優(yōu)化煙道流場和反應(yīng)器的布置，確定導(dǎo)流板的最佳形狀、尺寸、數(shù)量以及位置，使氨還原劑與煙氣在SCR反應(yīng)器之前流動(dòng)均勻和混合均勻；（2）優(yōu)化流場的溫度和壓力分布，使反應(yīng)器入口的壓降和溫度偏差符合SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)工況；（3）優(yōu)化反應(yīng)器中整流器的設(shè)置，使催化劑表面煙氣的沖角降至最低，延長催化劑的使用壽命；（4）考慮導(dǎo)流板和導(dǎo)流格柵的剛度、強(qiáng)度以及耐磨性，考慮設(shè)備在煙道中易于支撐和方便安裝；（5）模擬飛灰沉積情況，確定積灰位置。

采用CFD仿真分析技術(shù)，基于煙道和SCR系統(tǒng)位置布置，建立煙氣流動(dòng)模型并進(jìn)行實(shí)際煙氣模擬實(shí)驗(yàn)，測試并驗(yàn)證煙氣流量分布，確定導(dǎo)流板和導(dǎo)流格柵的壓損減少位置，從而確定兩者的幾何形狀和安裝位置，最大限度減小流動(dòng)阻力并且保證流場壓降符合設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化反應(yīng)器前煙氣流速、溫度分布、壓力分布和氨氮摩爾比分布，使速度標(biāo)準(zhǔn)偏差、速度偏轉(zhuǎn)角、溫度偏差、濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差以及壓降等性能指標(biāo)都滿足機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷要求；優(yōu)化設(shè)計(jì)噴氨系統(tǒng)以使氨氮混合分布符合反應(yīng)器入口要求，合理設(shè)置噴氨格柵噴嘴位置、間距和數(shù)量，防止飛灰沉積造成噴嘴堵塞，模擬不同負(fù)荷下飛灰沉積情況，將積灰分布控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；給出導(dǎo)流板、噴氨格柵和整流器優(yōu)化后的幾何形狀設(shè)計(jì)。流場模型的最終結(jié)果以工程實(shí)際形式給出，實(shí)現(xiàn)煙道流場的優(yōu)化。最終優(yōu)化效果主要是提高SCR入口處煙氣流場的均勻性，較少了催化系統(tǒng)中的NOx濃度波動(dòng)，降低濃度偏差，減少了噴氨過量現(xiàn)象帶來的氨逃逸嚴(yán)重的問題，減少氨耗量。煙道流場優(yōu)化范圍主要是從省煤器出口到空預(yù)器入口的煙氣系統(tǒng)，主要部件包括導(dǎo)流板、導(dǎo)流格柵、噴氨格柵、整流器和催化劑反應(yīng)器。

3 流場優(yōu)化設(shè)計(jì)常見問題

（1）在初步設(shè)計(jì)工況下，增加混合煙道長度對(duì)改善NH3/NOx摩爾比混合效果不大，同時(shí)也不能有效提高第一層催化劑表面上速度的均勻性；

（2）AIG上游煙氣流場對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣速度的分布及氨氣與煙氣的有效混合有重要影響。因此在具體設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮在某一處轉(zhuǎn)角處增設(shè)導(dǎo)流板，并且調(diào)整導(dǎo)流板的位置直至實(shí)現(xiàn)首層催化劑表面入口處的煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差7.2%，方能滿足技術(shù)要求；

（3）在3#轉(zhuǎn)角處設(shè)置導(dǎo)流板，對(duì)NH3/NOx摩爾比的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)影響不大，但對(duì)系統(tǒng)內(nèi)煙氣速度標(biāo)準(zhǔn)偏 差系數(shù)影響較大，故具體設(shè)計(jì)時(shí)，在3#轉(zhuǎn)角處設(shè)置導(dǎo)流板，可提高SCR反應(yīng)器入口速度的均勻性；

（4）將1#轉(zhuǎn)角的折斜彎道改為圓彎道，同時(shí)將3#轉(zhuǎn)角處的彎道半徑由1.5m改為2.5m，對(duì)提高NH3與NOx的混合程度以及SCR反應(yīng)器入口速度（第一層催化劑表面）的均勻性效果不明顯；

（5）在1#轉(zhuǎn)角處設(shè)置導(dǎo)流板對(duì)提高SCR反應(yīng)器入口溫度的均勻性效果最為明顯，而增加混合煙道長度、在3#轉(zhuǎn)角處設(shè)置導(dǎo)流板及修改1#、3#轉(zhuǎn)角形狀或改變轉(zhuǎn)彎半徑，對(duì)SCR反應(yīng)器入口溫度影響不大；

（6）煙氣經(jīng)過煙道轉(zhuǎn)角時(shí)方向發(fā)生改變，需要將煙氣流向調(diào)整成豎直向下，不然進(jìn)入催化劑后，煙氣氣流會(huì)對(duì)催化劑入口噴氨格柵表面和內(nèi)壁沖刷，從而降低催化劑的使用壽命；

（7）SCR噴氨控制具有延遲性，因此在優(yōu)化流場時(shí)應(yīng)充分考慮，不然會(huì)導(dǎo)致噴氨控制品質(zhì)差，噴氨量波動(dòng)極大，過量噴氨會(huì)降低催化劑使用壽命[5]，對(duì)煙道也具有極強(qiáng)的腐蝕。從而加大流場的不均勻度，導(dǎo)致流場優(yōu)化設(shè)計(jì)失敗，煙道積灰現(xiàn)象嚴(yán)重。

通過數(shù)值模擬分析，在進(jìn)行該工程施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)SCR反應(yīng)器的入口煙道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并按比例縮小制成物理模型，在實(shí)驗(yàn)室通過物理模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn) 行了測試、分析、驗(yàn)證，再據(jù)測試結(jié)果微調(diào)了SCR反應(yīng)器入口煙道的相關(guān)尺寸，使最終確定的反應(yīng)器入口煙道設(shè)計(jì)方案滿足了工程的實(shí)際需要，使工程設(shè)計(jì)真正做到經(jīng)濟(jì)、高效、安全可靠。

4 結(jié)語

通過對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)煙道流場的紊亂是造成氨逃逸以及降低脫硝效率的根本原因，本文結(jié)合SCR流場優(yōu)化的相關(guān)研究，總結(jié)出了優(yōu)化流場的主要手段和目的：（1）CFD建模仿真分析技術(shù)是SCR流場優(yōu)化的主要分析方法；（2）優(yōu)化煙道流場和反應(yīng)器的布置，確定導(dǎo)流板的最佳形狀、尺寸、數(shù)量以及位置；（3）優(yōu)化反應(yīng)器前煙氣流速、溫度分布、壓力分布和氨氮摩爾比分布，使速度標(biāo)準(zhǔn)偏差、速度偏轉(zhuǎn)角、溫度偏差、濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差以及壓降等性能指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求；（4）優(yōu)化反應(yīng)器中整流器的設(shè)置，使催化劑表面煙氣的沖角降至最低；（5）考慮導(dǎo)流板和導(dǎo)流格柵的剛度、強(qiáng)度以及耐磨性，考慮設(shè)備在煙道中易于支撐和方便安裝；（6）模擬飛灰沉積情況，確定積灰位置以及控制積灰高度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。