燃?xì)庥酂徨仩tSCR脫硝系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

胡 松

(武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢430071)

0 前言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展氮氧化物(NOx)排放量迅速增加，研究表明NOx是形成霧霾天氣的重要原因，已成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素之一。因此，國家將NOx列為“十二五”期間大氣污染物總量控制對象[1-2]。目前SCR脫硝因技術(shù)成熟在燃煤機(jī)組中已應(yīng)用廣泛，但在燃?xì)鈾C(jī)組中應(yīng)用還不多。隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，燃?xì)庥酂徨仩t建設(shè)脫硝裝置是今后的必然趨勢。燃?xì)廨啓C(jī)組因燃料較為清潔，并結(jié)合最新的NOx排放控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)更低濃度的排放，滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。

本文介紹了燃?xì)庥酂徨仩tSCR脫硝的工藝流程，比較了與燃煤機(jī)組在設(shè)計(jì)上的不同，對SCR脫硝技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，以期對該類工程的實(shí)施起到參考作用。

1 工藝流程

燃?xì)庥酂徨仩tSCR法脫硝工藝系統(tǒng)主要分為二個部分，即氨儲存及供應(yīng)系統(tǒng)和SCR反應(yīng)器系統(tǒng)。

圖1 余熱鍋爐SCR脫硝工藝流程圖

該工藝流程可簡述為：

在氨儲存和供應(yīng)區(qū)，液氨通過卸料壓縮機(jī)由液氨槽車進(jìn)入液氨儲罐，利用自身壓力經(jīng)出料管送至氨汽化器，液氨在氨汽化器內(nèi)吸熱氣化，氣化后的氨氣進(jìn)入氨緩沖槽，進(jìn)一步被送往SCR反應(yīng)器區(qū)以供使用。

在SCR反應(yīng)器區(qū)，自氨供應(yīng)區(qū)來的氨氣與稀釋風(fēng)機(jī)來的空氣在氨/空氣混合器內(nèi)充分混合。氨和空氣混合氣體進(jìn)入位于煙道內(nèi)的氨噴射格柵，噴入煙道后與煙氣充分混合，然后進(jìn)入SCR反應(yīng)器。SCR反應(yīng)器合適的溫度窗口在300℃～420℃范圍內(nèi)，反應(yīng)器根據(jù)該溫度窗口在鍋爐本體煙道中布置。氨與NOx在反應(yīng)器內(nèi)，在催化劑的作用下反應(yīng)生成無污染的N2和H2O，凈煙氣進(jìn)入余熱鍋爐后部受熱面，并通過煙囪排出。

燃?xì)庥酂徨仩tSCR脫硝的設(shè)計(jì)與常規(guī)燃煤鍋爐SCR脫硝原理基本相同，但由于燃?xì)馀艢獬煞旨坝酂徨仩t結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，在SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)上差別較大，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）反應(yīng)器水平布置，布置與鍋爐煙道本體之中。入口煙氣條件良好，主要污染物為NOx，粉塵，SO2所占比例極少，催化劑可選用波紋式或蜂窩式小節(jié)距產(chǎn)品，不需設(shè)置吹灰系統(tǒng)；

2）噴氨系統(tǒng)、催化劑的布置受到鍋爐的限制較大，需要在有限的空間內(nèi)使氨氮摩爾比等偏差滿足催化劑入口設(shè)計(jì)條件，同時還需嚴(yán)格控制系統(tǒng)阻力的增加，因而對流場性能高要求較高。根據(jù)脫硝效率的需要確定在噴氨格柵后是否設(shè)置靜態(tài)混合器及整流格柵；

3）燃?xì)庥酂徨仩t脫硝系統(tǒng)氨逃逸控制值與燃煤鍋爐相同，一般控制在3ppm以下。但由于燃?xì)庥酂徨仩t無SOx，即使氨逃逸略微超標(biāo)，也無燃煤鍋爐空預(yù)器堵塞和腐蝕問題。

2 關(guān)鍵技術(shù)的研究

2．1 提高流場數(shù)模擬與真實(shí)工況的相似性

流場數(shù)值模擬工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義重大，但由于在建模中會簡化和忽略一些實(shí)際因素以便于運(yùn)算的開展，導(dǎo)致流場模擬與實(shí)際工況會有一定差異。為提高數(shù)值模擬結(jié)果的相似性，有以下措施：

2．1．1 冷模試驗(yàn)校正數(shù)值模擬結(jié)果

實(shí)體模型對實(shí)際工程的合適比例通常在1/12到1/15，在該比例下能較好地近似反映煙氣的真實(shí)流動情況，將冷模試驗(yàn)的結(jié)果作為數(shù)值模擬收斂的判據(jù)，可大幅提升數(shù)值模擬結(jié)果的可信度。

2．1．2 引入合理數(shù)學(xué)模型

比如在SCR化學(xué)反應(yīng)中的流動介質(zhì)有煙氣和氨氣，這就涉及到考慮流動中物質(zhì)的混合情況，可采用混合物的物質(zhì)輸運(yùn)模型來模擬通過求解描述每種組成物質(zhì)的對流、擴(kuò)散和反應(yīng)源的守恒方程來模擬混合和輸運(yùn)，可以模擬多種同時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

2．1．3 先簡化后校正

例如如受熱面螺旋鰭片在網(wǎng)格劃分時較為困難，對傳熱、強(qiáng)化可將鰭片對傳熱及強(qiáng)化混合的作用視為一個增強(qiáng)因子，通過冷模試驗(yàn)中測算增強(qiáng)因子的大小。

2.2 催化劑選型

SCR脫硝催化劑分板式、蜂窩式、波紋式三種，不同類型的催化劑具有各自的特點(diǎn)。對于燃?xì)庥酂徨仩t，因煙氣條件良好，可選用節(jié)距小于4mm的蜂窩高比表面積高活性的催化劑產(chǎn)品，以降低催化劑用量，節(jié)省成本。但節(jié)距越小，催化劑阻力越大，綜合比較催化劑可優(yōu)先選用蜂窩式或波紋式。因煙氣中不存在SOx，催化劑正常連續(xù)運(yùn)行溫度可以比通常下限要低，可在250℃或更低的溫度下運(yùn)行，但應(yīng)注意溫度降低之后催化劑活性也會有所降低，可根據(jù)催化劑供貨廠家提供的催化劑隨溫度變化曲線確定保證脫硝效率的最低連續(xù)運(yùn)行溫度。

燃?xì)庥酂徨仩t脫硝催化劑目前主要采用進(jìn)口產(chǎn)品，隨著國產(chǎn)催化劑性能不斷突破，對于新建工程，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮，并在鍋爐結(jié)構(gòu)及荷載設(shè)計(jì)時應(yīng)有所考慮。隨著國家對危廢處理要求日益嚴(yán)格，在催化劑選型時還應(yīng)考慮催化劑化學(xué)壽命到期后的處理措施。

2.3 噴氨格柵分區(qū)控制（圖2）

圖2 噴氨格柵分區(qū)控制

氨噴射格柵(AIG)主要是提供均勻的氨噴射分布，良好的噴氨格柵設(shè)計(jì)可減少混合區(qū)段。在噴氨格柵設(shè)計(jì)時可采用獨(dú)立的可調(diào)節(jié)單元，每個單元上裝有閥門及流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)煙道截面噴氨的分區(qū)控制。以某聯(lián)合循環(huán)機(jī)組工程數(shù)值模擬為例，由于受鍋爐布置的影響，在煙道截面存在一個“邊界層”，在各噴氨單元噴氨量一致的條件下，氨氮摩爾比為20%，遠(yuǎn)達(dá)不到第一層催化劑入口設(shè)計(jì)條件。通過加大壁面噴氨位點(diǎn)（A區(qū)）的噴氨量后，氨氮摩爾達(dá)到目標(biāo)值5%。需指出的是，噴氨格柵分區(qū)控制在方案設(shè)計(jì)時主要通過數(shù)值模擬的結(jié)果不斷調(diào)整逐步優(yōu)化最終達(dá)標(biāo)。在脫硝系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行時，考慮到數(shù)值模擬與實(shí)際工況之間的偏差，需通過現(xiàn)場性能測試對分區(qū)控制方案進(jìn)行校正。

2．4 氨逃逸精確檢測

保證達(dá)標(biāo)的脫硝效率同時實(shí)現(xiàn)較低的氨逃逸是SCR脫硝技術(shù)的難點(diǎn)，目前SCR脫硝使用的原位氨逃逸分析儀普遍存在增大或調(diào)小噴氨量后氨逃逸數(shù)據(jù)無變化的情況，二者無趨勢缺少相關(guān)性，無法為控制噴氨流量提供依據(jù)。若改為采用激光氨逃逸在線分析儀，可實(shí)時監(jiān)測氨逃逸量并將信號反饋至控制系統(tǒng)對噴氨量進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。激光分析儀的技術(shù)原理為：激光發(fā)射的光通過光纖傳輸?shù)礁邷貧怏w室中的激光發(fā)射單元，激光穿過氣體室中流過的被測氣體，高溫氣體室中的接收傳感器電路檢測到被被測氣體吸收過的激光束，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送到電氣控制單元中的信號處理單元，信號處理單元經(jīng)過信號處理經(jīng)過光譜計(jì)算后得到被測氣體的濃度。激光光程可達(dá)30m，測量精度可達(dá)0.1ppm。

圖3 氨逃逸激光分析儀原理

2．5 煙氣防短路密封

余熱鍋爐為內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，脫硝反應(yīng)器與內(nèi)保溫層之間因膨脹量不同，為保證煙氣100%通過催化劑不發(fā)生煙氣“短路”現(xiàn)象，需要在催化劑外殼與鍋爐內(nèi)保溫護(hù)板之間采取可靠的彈性密封裝置，催化劑模塊之間、模塊與支撐梁之間也應(yīng)良好密封。

圖4 余熱鍋爐脫硝密封裝置

3 建議與展望

在國家不斷調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和落實(shí)節(jié)能減排的背景下，燃?xì)廨啓C(jī)組具有熱效率高、污染物排放濃度低、調(diào)峰性能好被逐漸推廣。未來相當(dāng)長一段時間，我國將在發(fā)達(dá)地區(qū)大量建設(shè)燃?xì)?，且會同步?shí)施SCR脫硝裝置。因此，開展燃?xì)庥酂徨仩tSCR脫硝技術(shù)的研究非常必要，綜合目前燃?xì)庥酂徨仩tSCR脫硝技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為還可從以下方向優(yōu)化：

1）應(yīng)最大限度利用鍋爐現(xiàn)有布置自然強(qiáng)化NH3與NOx的混合效果，無需配置強(qiáng)化混合及整流裝置，使系統(tǒng)布置緊湊同時降低阻力；

2）脫硝還原劑如采用氨水或尿素，可考慮直接利用燃機(jī)排氣作為還原劑熱解汽化的熱源，在入口喇叭段直接噴入還原劑，使煙氣與還原劑在高速區(qū)劇烈混合，可省去噴氨格柵，使系統(tǒng)簡化，同時降低系統(tǒng)能耗減少運(yùn)行成本。盡管抽氣比例很小，但還是會使鍋爐產(chǎn)氣量下降，在技術(shù)方案選擇時應(yīng)進(jìn)行核算比選；

3）在進(jìn)行數(shù)值模擬時可引入脫硝化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對脫硝效率的預(yù)測及優(yōu)化，亦可對催化劑的用量進(jìn)行核算。

［1］夏懷祥，段傳和，等．選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝[M]．北京：中國電力出版社，2012，1：2－3．

［2］蘇亞欣，毛玉如，徐璋．燃煤氮氧化物控制排放技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005，2：43－45．