摘要

新《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行對(duì)電力行業(yè)氮氧化物排放提出了嚴(yán)格的限制，SCR煙氣脫硝技術(shù)成為火電廠控制氮氧化合物的必然選擇，還原劑氨是影響SCR煙氣脫硝系統(tǒng)脫硝效率的關(guān)鍵因素，國(guó)內(nèi)許多SCR脫硝裝置為電廠后期改造項(xiàng)目，對(duì)SCR系統(tǒng)噴氨混合裝置進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要意義，本文提出了新型噴氨混合單元設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)控制氨逃逸的優(yōu)化調(diào)整方法，根據(jù)脫硝系統(tǒng)出口NO分布情況調(diào)整噴氨系統(tǒng)，其優(yōu)化調(diào)整后效果有差異，分區(qū)控制噴氨格柵技術(shù)效果最顯著。

火電廠生產(chǎn)排放的NOx總量不斷上升，NOx在煙氣中主要以不穩(wěn)定的NO形式存在，NOx危害很多，會(huì)引發(fā)空氣細(xì)粒子污染，與大氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成對(duì)人體有害的臭氧。國(guó)內(nèi)已安裝脫硝系統(tǒng)燃煤機(jī)組有548臺(tái)，采用選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)的機(jī)組有433臺(tái)，SCR煙氣脫硝技術(shù)以其實(shí)用性等方面展示出強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)火電廠脫硝工程中得到了廣泛的應(yīng)用。SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行狀況重要依據(jù)是脫硝效率，SCR脫硝系統(tǒng)出口的NOx濃度是指標(biāo)決定性的影響因素。

1SCR技術(shù)

1.1SCR系統(tǒng)布置方式

高灰塵布置的反應(yīng)器位于鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間，投資運(yùn)行費(fèi)用低。催化劑耐高溫能力有限，煙氣溫度過(guò)高會(huì)縮短催化劑使用壽命，未經(jīng)處理的煙氣中含有大量灰塵，催化劑長(zhǎng)期運(yùn)行于高塵環(huán)境會(huì)出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，灰塵顆粒造成催化劑的堵塞等問(wèn)題。為減少催化劑的磨損，SCR系統(tǒng)催化劑采用豎直布置，使用蜂窩狀催化劑開(kāi)孔較大，其幾何表面積比低飛灰段布置所用催化劑小。高灰布置是經(jīng)濟(jì)有效的布置方式。低灰布置反應(yīng)器位于高溫靜電除塵器后，次方法的優(yōu)點(diǎn)是煙氣中飛灰含量大幅減少，不易發(fā)生催化劑磨損。缺點(diǎn)是需要使用耐高溫除塵器，我國(guó)電廠沒(méi)有高溫除塵布置形式。低溫低灰布置反應(yīng)器位于除塵器與脫硫系統(tǒng)后，不會(huì)造成催化劑堵塞。脫硫系統(tǒng)可大幅降低煙氣中的SO2濃度，可以使用高活性催化劑減少催化劑的消耗量。

1.2SCR脫硝系統(tǒng)流程

SCR脫硝系統(tǒng)是火電廠發(fā)電新增的煙氣處理環(huán)節(jié)，老電廠最初不具備脫硝系統(tǒng)，改造脫硝系統(tǒng)首先要解決脫硝系統(tǒng)布置問(wèn)題，燃?xì)廨啓C(jī)的SCR脫硝系統(tǒng)布置不同，某電廠SCR脫硝系統(tǒng)按照高溫飛灰方式布置。高溫飛灰布置是目前火電廠最常見(jiàn)的SCR脫硝系統(tǒng)布置工藝，SCR脫硝反應(yīng)器處于省煤器與空氣預(yù)熱器中間位置，在噴氨柵格部位與經(jīng)稀釋后的氨氣相遇，煙氣經(jīng)空氣預(yù)熱器與引風(fēng)機(jī)進(jìn)入到脫硫系統(tǒng)。液氨是物色的液體，易溶于水，具有一定的腐蝕性，液氨儲(chǔ)存系統(tǒng)必須具備極高的可靠性。其構(gòu)成包括兩個(gè)液氨臥式儲(chǔ)存罐，氨氣吹掃系統(tǒng)等。工業(yè)生產(chǎn)中氨氣制備方法主要有液氨法、尿素法。尿素法安全性高于液氨法，液氨法經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于氨水法。電廠采用也案發(fā)氨氣制備系統(tǒng)，構(gòu)成主要包括三臺(tái)蒸氣加熱水浴式液氨蒸發(fā)罐及相應(yīng)管道。SCR脫硝反應(yīng)系統(tǒng)是脫硝系統(tǒng)中的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要包括稀釋風(fēng)機(jī)、兩套噴氨格柵、一套吹灰系統(tǒng)。SCR脫硝工藝中發(fā)生的反應(yīng)是催化還原反應(yīng)，煙氣中的NOx與NH3催化劑作用下反應(yīng)生成無(wú)害的N2與H2O。降低煙氣中NOx濃度。

1.3SCR系統(tǒng)運(yùn)行特性參數(shù)

影響SCR系統(tǒng)運(yùn)行特性的參數(shù)主要有溫度、還原劑與煙氣混合情況、NOx濃度等。NOx還原反應(yīng)只有在其催化劑有最佳活性溫度范圍才能維持很高的脫硝率，過(guò)高溫度會(huì)降低催化劑壽命。大多數(shù)燃煤電站使用商業(yè)催化劑，SCR反應(yīng)最佳溫度范圍為250～450℃。停留時(shí)間是反應(yīng)物在反應(yīng)器中的時(shí)間，溫度會(huì)影響停留時(shí)間，停留時(shí)間通常按其導(dǎo)數(shù)值空速表達(dá)，可用反應(yīng)器體積與煙氣流速比值估算空速。還原劑必須與煙氣充分均勻混合才能確保與反應(yīng)物充分結(jié)合，氨噴射系統(tǒng)將氨氣與空氣混合物均勻混入煙氣，許多SCR系統(tǒng)將NH3一起噴入煙氣防止事故出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬可達(dá)到優(yōu)化氨噴射工況的目的。未完全反應(yīng)NH3通過(guò)反應(yīng)器進(jìn)入下游設(shè)備使其發(fā)生銨鹽腐蝕，可采用調(diào)節(jié)氨的噴入量為SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助設(shè)備方法降低NH3逃逸。NH3逃逸率并非穩(wěn)定不變，催化劑活性下降時(shí)，還原反應(yīng)特性下降，量化氨逃逸的方法是測(cè)量飛灰上的氨濃度。

1.4SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)

優(yōu)化SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，反應(yīng)器設(shè)計(jì)直接影響SCR系統(tǒng)運(yùn)行特性，反應(yīng)器設(shè)計(jì)不佳時(shí)，SCR工藝系統(tǒng)運(yùn)行特性也不理想。反應(yīng)器設(shè)計(jì)中主要解決速度分布、飛灰顆粒分布問(wèn)題。在SCR技術(shù)商業(yè)化后模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)被系統(tǒng)工藝商用來(lái)模擬SCR反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)特性，一般將實(shí)驗(yàn)臺(tái)按實(shí)際反應(yīng)器的1/20-1/10縮小，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)優(yōu)化可以在AIG入口速度分布，最小系統(tǒng)降壓，最下化飛灰顆粒在反應(yīng)器內(nèi)沉積。所有涉及流體流通、分子運(yùn)輸?shù)痊F(xiàn)象問(wèn)題，可借助CFD得到解決。采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算是國(guó)內(nèi)研究者普遍采用的手段，國(guó)外很多SCR系統(tǒng)工藝商運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)SCR反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬可以得到與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)相同標(biāo)準(zhǔn)的流動(dòng)特性、經(jīng)濟(jì)的預(yù)測(cè)煙氣溫度分布及飛灰顆粒濃度分布等。數(shù)值模擬的靈活性較好，其結(jié)果的保存引用較容易，數(shù)值模擬的入口邊界條件可靈活地改變，隨著SCR裝置需求量增大，其安裝時(shí)間日益減少，大多數(shù)系統(tǒng)工藝商結(jié)合使用兩種手段設(shè)計(jì)改進(jìn)SCR反應(yīng)器。

2煙氣脫硝系統(tǒng)氨逃逸問(wèn)題

隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，NOx產(chǎn)生的污染問(wèn)題引起了人們的關(guān)注，新建發(fā)電機(jī)組要求安裝選擇性催化還原煙氣脫硝裝置，未安裝SCR煙氣脫硝裝置的投產(chǎn)機(jī)組逐步改造安裝SCR煙氣脫硝裝置。SCR煙氣脫硝原理是煙氣噴入氨將NOx催化還原成Nx與H2O，噴入的氨氣與煙氣不能完全均勻混合，煙氣中的水蒸氣與逃逸氨在一定條件下反應(yīng)生成硫酸氫銨，在液態(tài)下是腐蝕性物質(zhì)，硫酸氫銨初始生成溫度是SO3與氨濃度的函數(shù)，對(duì)典型的低碳煤硫酸氫氨初始生成溫度為200～220℃。大型燃煤發(fā)電機(jī)組多采用容克式空氣預(yù)熱器進(jìn)行加熱，低溫段傳熱元件表面粘結(jié)，導(dǎo)致空預(yù)器出現(xiàn)壓降上升等現(xiàn)象。空預(yù)器壓損率是運(yùn)行一段時(shí)間后的壓損與開(kāi)始投運(yùn)壓損比。由于硫酸氫銨導(dǎo)致空預(yù)器堵塞，空預(yù)器壓損上升慢，同噴氨優(yōu)化實(shí)驗(yàn)可調(diào)整脫硝系統(tǒng)氨分布，對(duì)其機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行具有重要意義。

3優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)方法

目前應(yīng)用于燃煤電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的氨噴射技術(shù)主要有分區(qū)控制式噴射格柵噴氨技術(shù)，線性控制式噴射格柵噴氨技術(shù)。渦流式靜態(tài)混合噴射技術(shù)特點(diǎn)是噴氨嘴個(gè)稅與靜態(tài)混合器片數(shù)一樣，利用煙氣流過(guò)的混合器片產(chǎn)生渦流使煙氣與所噴入氨氣混合。線性控制式噴射格柵噴氨技術(shù)特點(diǎn)是引入若干根管，每根管流量可單獨(dú)調(diào)節(jié)，分布控制式噴射格柵噴氨技術(shù)是將煙氣截面分成20～50個(gè)相同區(qū)域。降低SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸量，需使噴入脫硝系統(tǒng)氨氣與煙氣NO呈對(duì)應(yīng)分布，獲得可用于不同噴氨技術(shù)的噴氨優(yōu)化調(diào)整方法。

3.2優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果分析

寧海發(fā)電廠4號(hào)爐脫硝系統(tǒng)噴氨采用線性控制式噴射格柵，優(yōu)化調(diào)整前，脫硝系統(tǒng)AB側(cè)出口NO分布不均度為38%、31%，AB兩側(cè)靠近鍋爐中心區(qū)域NO含量較低，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后脫硝系統(tǒng)AB側(cè)出口NO分布不均度小于30%，測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)化前后氨逃逸情況，脫硝系統(tǒng)氨逃逸體積分?jǐn)?shù)為1.8μL/L，氨逃逸量響應(yīng)降低33%。浙江北侖發(fā)電廠6號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)采用渦流混合技術(shù)，AB反應(yīng)器設(shè)置5渦流混合器，需要較長(zhǎng)的混合距離實(shí)現(xiàn)均勻混合。較難通過(guò)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)煙氣與噴氨的均勻混合。優(yōu)化調(diào)整前AB側(cè)分布不均度為67%、51%，反應(yīng)器A中部偏左區(qū)域與B中部偏右區(qū)域存在NO測(cè)試值很低的情況，表明區(qū)域噴氨量相對(duì)過(guò)量。優(yōu)化調(diào)整前AB脫硝反應(yīng)器出口NO分布測(cè)試結(jié)果，調(diào)整反應(yīng)器渦流混合器氨氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，使氨氣分布更好地參與NO分布匹配，AB脫硝反應(yīng)器出口分布不均度為27%、26%，由于只能在煙道一個(gè)方向進(jìn)行噴氨量調(diào)整，難以降低脫硝系統(tǒng)出口NO分布不均度，測(cè)試脫硝系統(tǒng)優(yōu)化前后氨逃逸情況，優(yōu)化后脫硝氨逃逸體積分?jǐn)?shù)為14μL/L，氨逃逸量降低17%。寧海電廠6號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)采用分區(qū)控制方式布置噴氨閥門，AB側(cè)噴氨截面有48個(gè)噴氨分區(qū)，噴氨閥門控制噴氨分區(qū)，在煙氣橫縱向進(jìn)行噴氨量調(diào)整。優(yōu)化調(diào)整前脫硝反應(yīng)器出口NO分布不均度為22%，反應(yīng)器A側(cè)爐前NO濃度明顯平均偏高。A側(cè)爐后NO濃度明顯較平均值偏低。需要對(duì)區(qū)域噴氨量進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)化調(diào)整后NO分布不均度較優(yōu)化前有所降低。使反應(yīng)器前氨氣濃度分布與NO濃度更匹配，優(yōu)化前脫硝系統(tǒng)氨逃逸體積分?jǐn)?shù)為1.9μL/L，優(yōu)化后氨逃逸量響應(yīng)降低59%。

4結(jié)語(yǔ)

將SCR脫硝系統(tǒng)出口NO分布不均度30%作為優(yōu)化調(diào)整指標(biāo)，調(diào)整氨的分布，可實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)優(yōu)化。采用不同噴氨技術(shù)的脫硝系統(tǒng)，優(yōu)化調(diào)整結(jié)果有差別，分區(qū)控制噴氨格柵技術(shù)效果最顯著，效果一般的為渦流混合技術(shù)。SCR脫硝系統(tǒng)出口NO的均勻性對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行起到重要作用。經(jīng)過(guò)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，氨氣量能與煙道內(nèi)煙氣中NO濃度充分反應(yīng)，減少硫酸氫氨的生成，使空預(yù)器清洗周期延長(zhǎng)。