SCR煙氣脫硝工藝噴氨混合裝置研究進(jìn)展

韓發(fā)年，閆志勇

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江 杭州 310018）

SCR煙氣脫硝工藝噴氨混合裝置研究進(jìn)展

韓發(fā)年，閆志勇

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江 杭州 310018）

氨法選擇性催化還原技術(shù)（SCR）因其優(yōu)良的綜合性能而成為工程應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝工藝，而反應(yīng)器橫截面上混合氣體流場(chǎng)均勻性優(yōu)劣是高效煙氣脫硝的重要影響因素。本文簡(jiǎn)述了SCR煙氣脫硝系統(tǒng)基本原理和 NH3/NOx混合效率指標(biāo)；綜述了線性控制式、分區(qū)控制式和混合型噴氨格柵等幾種工程應(yīng)用上主流技術(shù)及其最新研究成果，并分析了各氣體流場(chǎng)均勻性調(diào)節(jié)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)；最后指出氨噴射混合裝置未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)：①優(yōu)先選用混合型噴氨格柵，分區(qū)控制式噴氨格柵和線性控制式噴氨格柵分別次之；②噴氨混合裝置設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)尋求降低濃度不均勻系數(shù)的可行性；③研發(fā)簡(jiǎn)易、高能和穩(wěn)定的靜態(tài)混合結(jié)構(gòu)，降低建設(shè)和運(yùn)行成本，提高操作彈性；④完善還原劑氨噴射效應(yīng)和噴氨量現(xiàn)代控制理論。

氮氧化物；煙氣脫硝；選擇性催化還原；噴射混合；均勻分布

全球各地不約而同地已將氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）列為主要大氣污染物，破壞自然環(huán)境和危及身體機(jī)能是NOx的主要危害[1-2]。目前，我國(guó)是世界第一大NOx排放國(guó)，能源消耗占世界的8%～9%，但NOx排放量卻達(dá)約10%。據(jù)環(huán)保部統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)工業(yè)NOx排放量為1545.6萬(wàn)噸[3]，環(huán)比下降6.8%，NOx排放量快速增長(zhǎng)勢(shì)頭得到了有效控制，但比2000年同期（近470萬(wàn)噸）猛增了370%。NOx污染治理任務(wù)仍然艱巨，若不持續(xù)施行有效的對(duì)策，到 2020年NOx排放量或?qū)⑼黄?000萬(wàn)噸[4]。中國(guó)是以煤炭為主的能源和發(fā)電結(jié)構(gòu)，燃煤釋放的 NOx占全國(guó)NOx總排放量69.4%，燃煤鍋爐已成為大氣環(huán)境的重要污染源。隨著居民賴以生存的空氣質(zhì)量每況愈下，我國(guó)近年來(lái)對(duì)火電廠 NOx減排控制日益重視，但從表 1可看出，放眼全球，中國(guó)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)施行較晚，脫硝工藝亟需完善。

表1 美國(guó)、歐盟和中國(guó)NOx首部與現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)今，工商業(yè)已成熟運(yùn)用的主導(dǎo)DeNOx控制技術(shù)有煙氣脫硝工藝和低氮燃燒工藝兩類(lèi)[5-6]。低氮燃燒工藝是基于燃燒原理來(lái)實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程中抑制 NOx的產(chǎn)生，而前者則是燃燒后煙氣除NOx技術(shù)。根據(jù)是否使用催化劑煙氣脫硝工藝，又可進(jìn)一步細(xì)分為選擇性非催化還原工藝（selective non-catalytic reduction，SNCR）和選擇性催化還原工藝（selective catalytic reduction，SCR）。當(dāng)今，氨法選擇性催化還原工藝（NH3-SCR）因其優(yōu)良的綜合性能已成為工程應(yīng)用最為成熟的脫硝技術(shù)[7]。

本文首先簡(jiǎn)述了NH3-SCR煙氣脫硝機(jī)理與氣體混合評(píng)價(jià)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上綜述分析了線性控制式、分區(qū)控制式和混合型噴氨格柵等NH3噴射混合技術(shù)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的一些研究成果，指出了氨噴射混合技術(shù)研究進(jìn)展及將來(lái)可能的一些發(fā)展趨勢(shì)。

1 NH3-SCR基本原理及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 基本原理

NH3-SCR煙氣脫硝系統(tǒng)主要由NH3噴射混合模塊、反應(yīng)器模塊、NH3儲(chǔ)存模塊和NOx監(jiān)測(cè)模塊等部分組成，其中，工藝的最核心部分應(yīng)屬前兩個(gè)模塊。在特定工況條件下（溫度和催化劑作用），NH3作為還原劑有選擇地和NOx反應(yīng)生成清潔產(chǎn)物N2和H2O，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體去除NOx的目的[8-9]。一般來(lái)說(shuō)，脫硝后的煙氣排大氣前還需經(jīng)過(guò)除塵和脫硫等工藝進(jìn)行更深層次環(huán)保凈化。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

煙氣脫硝效率和NH3逃逸率是NH3-SCR技術(shù)的兩個(gè)首要性能指標(biāo)[10]。研究表明，SCR反應(yīng)器內(nèi)橫截面上混合氣體的均勻性優(yōu)劣對(duì)NH3-SCR脫硝效率高低影響很大[11]?；旌蠠煔饬鲌?chǎng)均勻性包括氣體速度分布均勻和還原劑NH3濃度分布均勻兩方面， NH3與煙氣混合程度的好壞（通常用不均勻系數(shù)σ表示[12]）直接影響著脫硝效率的高低，同時(shí)也決定著氨逃逸情況的大小。NH3的均勻分布在一定程度上決定著建設(shè)和運(yùn)行管理投資，尤其是影響了催化劑的更換周期。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為保證良好的氣體流場(chǎng)均勻性，反應(yīng)器入口處速度偏差σv和濃度偏差σc上限值應(yīng)至少分別控制在10%～20%和5%～15%范圍內(nèi)，且極限值越小對(duì)于提高脫硝效率越有利[13-14]。

目前，行業(yè)內(nèi)調(diào)節(jié)SCR催化劑層入口混合氣流流場(chǎng)均勻性的主流技術(shù)手段是依靠煙氣管道內(nèi)布置的噴氨混合裝置及其下游的導(dǎo)流板（直線形或弧形）和整流柵等設(shè)備[15-16]。其中，導(dǎo)流板和整流柵主要用于速度大小均勻分布和速度矢量方向調(diào)節(jié)，對(duì)于濃度場(chǎng)調(diào)節(jié)作用有限[17]；噴氨混合裝置則對(duì)氣體流場(chǎng)兩方面均勻性調(diào)節(jié)都有理想的效果[18]。而往往濃度分布均勻調(diào)節(jié)是SCR工藝的難點(diǎn)和重點(diǎn)，噴氨混合裝置研究和優(yōu)化是近年來(lái)的一項(xiàng)科研熱點(diǎn)。

2 NH3噴射混合裝置

國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用上習(xí)慣將NH3噴射混合裝置簡(jiǎn)稱為噴氨格柵（ammonia injection grid，AIG ），通常它的功能包括兩部分：一是稀釋的NH3噴入煙道；二是噴入的NH3和含NOx煙氣均勻混合[19-20]。文獻(xiàn)[21]根據(jù)布置方式和結(jié)構(gòu)類(lèi)型將AIG分為三大類(lèi)，即線性控制式AIG、分區(qū)控制式AIG和混合型AIG。此外，下文還綜述了OI2-SCR型和動(dòng)態(tài)混合型等幾種新型NH3噴射混合裝置。

2.1 線性控制式AIG

線性控制式AIG是基于噴氨管直通型的最傳統(tǒng)噴氨方式，其結(jié)構(gòu)如圖1。它由一個(gè)供NH3母管段和多根支管段組成，配有噴嘴的噴管和分配管、連接管相聯(lián)，利用分配管和調(diào)節(jié)閥各支管段供氨量可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，以匹配煙氣中 NOx，利用噴射效應(yīng)提高了NH3/NOx混合程度[22-23]。需要說(shuō)明的是，連接在同一分配管上的各根噴管流量相同，無(wú)法進(jìn)行有差別式氨量調(diào)節(jié)。線性控制式AIG噴管通常有沿一個(gè)方向和相互垂直兩個(gè)方向兩種布置方式，后者在工程上又稱為噴氨管網(wǎng)狀布置，這種布置方式適用于噴氨處煙道斷面較大、催化劑層處NOx或煙氣速度不均勻的情況；而煙道長(zhǎng)度較長(zhǎng)或煙道斷面積較小、NOx和煙氣速度均勻分布較好時(shí)，噴氨管選擇沿?zé)煹酪粋€(gè)方向布置即可。

圖1 線性控制式原理示意圖[23]

線性控制式 AIG[21，24-26]的主要優(yōu)點(diǎn)有：①容易獲取均勻分布的混合氣體流場(chǎng)；②混合距離短，系統(tǒng)壓阻?。虎劢ㄔO(shè)費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)成本相對(duì)較低，操控穩(wěn)定。其主要缺點(diǎn)為：①系統(tǒng)噴嘴較多，制造成本高；②系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，噴嘴容易堵塞；③煙氣速度分布均勻性調(diào)節(jié)效果有限，對(duì)煙道下游的導(dǎo)流板依賴程度高；④由于設(shè)備制作和施工精度不夠等因素，存在噴管位置無(wú)法精確定位、噴射角度逆向等問(wèn)題。

線性控制式AIG可保證一定的NH3/NOx混合效率[27]，通常催化劑入口處σv和σc可分別達(dá)到15%和10%，若要提高效率，則需延長(zhǎng)氨氣與煙氣混合距離或增加噴氨點(diǎn)數(shù)量，但這也即意味著需加長(zhǎng)煙道，提高了建設(shè)投資，這些顯然都不是人們所希望的，提高性能指標(biāo)的最經(jīng)濟(jì)方向還是在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增強(qiáng)噴射效應(yīng)[28]。Lei等[21]通過(guò)有差別地調(diào)整噴氨孔徑來(lái)增強(qiáng)NH3/NOx混合效果，可最優(yōu)化至SCR反應(yīng)器入口截面σv和σc分別達(dá)到7.37%和4.22%，遠(yuǎn)小于工程應(yīng)用的不均勻系數(shù)σ上限值，然而其忽視了通過(guò)噴嘴減小直徑、增加數(shù)量來(lái)提高噴射效應(yīng)的同時(shí)也會(huì)更容易引起噴嘴堵塞現(xiàn)象。Buzanowski等[29]發(fā)明了方形噴氨管式噴射裝置，煙氣流經(jīng)方形噴氨管邊緣形成的渦流促使還原劑氨和煙氣高效率混合，結(jié)果表明此噴氨裝置可有效縮短混合距離50%以上。除此之外，方形噴氨裝置還具有容易實(shí)現(xiàn)噴孔精確定位的優(yōu)點(diǎn)。研究表明，比起噴氨管開(kāi)單孔噴射，多孔噴射效應(yīng)區(qū)域更廣，也即 NH3/NOx混合愈發(fā)均勻[30]。Eiteneer[31]發(fā)明了一種由數(shù)根水平布置噴氨管組成的耦合型噴氨格柵，每根噴氨管兩側(cè)錯(cuò)排式等間距開(kāi)孔，相鄰噴氨管相向、噴氨孔對(duì)齊布置，當(dāng)煙氣流經(jīng)相鄰噴氨孔相互作用的耦合噴射效應(yīng)處，形成旋轉(zhuǎn)氣流，并快速與還原劑NH3混合，實(shí)現(xiàn)了NH3/NOx在小尺度上的均勻混合。金保昇等[32]發(fā)明了切圓布置式耦合型噴氨格柵，其噴氨管截面如圖2所示，利用了類(lèi)似的耦合噴射效應(yīng)原理，有利于實(shí)現(xiàn)在較小距離內(nèi)NH3與煙氣的充分混合，但多孔噴氨管裝置對(duì)加工和安裝精度要求相對(duì)較高。

圖2 耦合型噴氨格柵[32]

2.2 分區(qū)控制式AIG

分區(qū)控制式AIG由線性控制式AIG優(yōu)化而來(lái)。為匹配煙氣中不均勻分布的NOx。首先，煙道橫截面被均勻分成若干個(gè)區(qū)域；其次， NH3以分區(qū)控制式通過(guò)噴射孔噴入，各個(gè)區(qū)域的噴氨量單獨(dú)可調(diào)；最終，每個(gè)區(qū)域都噴有適量的還原劑氨。這種噴氨混合裝置常適用于煙氣管道橫截面大、進(jìn)口 NOx分布嚴(yán)重不均、煙氣流量特別高、或需要高效脫硝等幾種常見(jiàn)工況[33]。

分區(qū)控制式 AIG系統(tǒng)的噴嘴管徑增大、數(shù)量減少，堵塞概率隨之降低，且當(dāng)NOx分布不均勻時(shí)，區(qū)域整體調(diào)整相應(yīng)速度快，而且有更好的NH3/NOx混合效率，催化劑層混合氣體流場(chǎng)均勻性的σv和σc可分別達(dá)到10%和5%，系統(tǒng)布置也較線性控制式AIG簡(jiǎn)化，這些都是分區(qū)控制式 AIG的優(yōu)點(diǎn)[21,34]。分區(qū)控制式AIG混合效率的提高方法與前文2.1節(jié)改進(jìn)線性控制式AIG相似，在此不再贅述。

分區(qū)控制式 AIG的最大缺點(diǎn)在于系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)和操作要求高，特別是噴氨量的精確而又經(jīng)濟(jì)控制較為復(fù)雜[35]。NH3噴量過(guò)多不僅導(dǎo)致氨的浪費(fèi)，而且高氨逃逸率容易引起二次污染，過(guò)少則難以保證脫硝達(dá)標(biāo)。當(dāng)前，現(xiàn)代控制理論已被充分應(yīng)用于噴氨量的控制。噴氨量邏輯控制系統(tǒng)[36]如圖3所示，運(yùn)算完成后由比例積分微分控制器（proportion integration differentiation，PID）發(fā)出控制信號(hào)調(diào)節(jié)氨氣流量控制閥開(kāi)度，最終實(shí)現(xiàn)固定 NH3/NOx摩爾比控制或出口NOx定值控制。NH3-SCR脫硝工藝采用傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)噴氨量，當(dāng)機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，可獲得理想的調(diào)節(jié)效果；但在實(shí)際的非穩(wěn)運(yùn)行工況下，調(diào)節(jié)系統(tǒng)則涌現(xiàn)出延遲性和發(fā)散性，很難保證最優(yōu)氨氣流量控制。鑒于此，優(yōu)化傳統(tǒng)PID控制器已成為新研究熱點(diǎn)。Peng等[37]運(yùn)用混合結(jié)構(gòu)RBF-ARX進(jìn)行非平穩(wěn)線性信號(hào)建模，模型通過(guò)有效工況參數(shù)創(chuàng)建，并采用離線參數(shù)訓(xùn)練模型來(lái)調(diào)節(jié)供氨量。RBF-ARX可有效避免在線誤差信號(hào)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，但離線數(shù)據(jù)庫(kù)由于不斷儲(chǔ)存新工況參數(shù)而越來(lái)越龐大。Bortman等[38]提出一種廣義增長(zhǎng)和修剪（GGAP-RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練判別神經(jīng)元的顯著性，適時(shí)增加或刪減神經(jīng)元數(shù)量、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可選取較好的方案用于實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)控制。GGAP-RBF的缺陷在于需要有效地判斷顯著性指標(biāo)，參數(shù)設(shè)置繁瑣。Zhou等[39]運(yùn)用輸出敏感度分析法優(yōu)化GGAP-RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免檢測(cè)誤差過(guò)大和訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，構(gòu)造出緊湊的動(dòng)態(tài)控制器；綜合PID和煙氣初始數(shù)據(jù)，克服了系統(tǒng)變工況下的延遲性和發(fā)散性，達(dá)到了精密控制噴氨量和氨逃逸率的目的。

圖3 典型噴氨量控制系統(tǒng)[36]

2.3 混合型AIG

混合型 AIG又稱為配合混合元件式噴氨混合裝置，由傳統(tǒng)AIG演變而來(lái)，與傳統(tǒng)AIG結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在于噴氨管下游布置了混合元件、每根噴氨管上僅安裝了數(shù)個(gè)或很少的幾個(gè)大孔徑噴嘴。工程應(yīng)用上習(xí)慣稱混合元件為SCR靜態(tài)混合器（static mixer），噴嘴和混合器的擾流葉片相對(duì)應(yīng)布置，NH3/NOx混合氣體在混合元件誘導(dǎo)下形成穩(wěn)定的渦街或旋流，加強(qiáng)擾動(dòng)、強(qiáng)化湍流擴(kuò)散[40]。數(shù)量有限的氨氣管均勻伸入煙道，由于混合范圍較大的SCR靜態(tài)混合器布置于噴嘴后面，混合氣體經(jīng)足夠長(zhǎng)混合段后可在下游煙道內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的NH3均勻分布。

配合 SCR靜態(tài)混合器式噴氨混合裝置[41-42]的主要優(yōu)點(diǎn)為：①噴嘴數(shù)量較少、孔徑較大，噴嘴堵塞概率大大降低，使用壽命大幅提高；②噴嘴加工容易，制作成本較低；③系統(tǒng)綜合效果更好，擁有較好的操作彈性。主要缺點(diǎn)是：①靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)壓降較大，初期建設(shè)成本高；②無(wú)法對(duì)局部單獨(dú)調(diào)節(jié)噴氨量，氨逃逸峰值控制較難；③煙氣混合距離較長(zhǎng)。

配合混合元件式噴氨裝置雖然在NH3噴入的初始處噴氨效果較差，但是后置的靜態(tài)混合器可保證還原劑NH3與煙氣混合均勻程度達(dá)到工程需求。它的混合效果介于線性控制式AIG和分區(qū)控制式AIG之間（表2），僅僅從NH3濃度均勻分布單方面來(lái)說(shuō)，其混合效率最高，可使入口催化劑層處σc小于5%[43]，還需說(shuō)明的是，聯(lián)合使用分區(qū)控制式AIG和靜態(tài)混合器可獲得更高的NH3/NOx混合效率。配合混合元件式噴氨裝置需要相當(dāng)長(zhǎng)的煙氣混合段，當(dāng)然也預(yù)示著所需建設(shè)成本較高，國(guó)內(nèi)外針對(duì)用于煙氣脫硝系統(tǒng)噴氨的靜態(tài)混合器進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，致力于開(kāi)發(fā)高效低阻擾流裝置，保證高混合效率前提下縮短混合段距離。德國(guó)巴克-杜爾公司（BALCKE DURR）的“三角翼”式混合器[44]（delta wing）是一種結(jié)合不敏感噴射和旋渦感應(yīng)混合器的混合系統(tǒng)，NH3/NOx混合氣體流經(jīng)三角盤(pán)，由于盤(pán)與煙氣流呈一定夾角，流體在盤(pán)的前端分散、滾動(dòng)形成廣延恒溫態(tài)的雙向旋渦，從盤(pán)剝離后旋渦逐漸長(zhǎng)大、強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)，迫使渦尾區(qū)NH3/NOx的強(qiáng)烈高效混合，且系統(tǒng)壓阻較小。奧地利ENVIRGY公司的旋流混合裝置[45]（vortex mixer）當(dāng)NH3/NOx混合氣體流經(jīng)花瓣形混合單元時(shí)，斜置的混合元件導(dǎo)流各股氣流均產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)混合的同時(shí)呈現(xiàn)旋流卷形狀向花瓣周向邊緣擴(kuò)散，相鄰花瓣葉片誘導(dǎo)形成旋流相互作用，強(qiáng)化湍流擴(kuò)散，NH3/NOx得到強(qiáng)制高效混合。vortex mixer具有操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同樣也存在不容小覷的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所需湍流擴(kuò)散距離長(zhǎng)的特性。美國(guó)Babcock & Wilcox公司的Roger等[46-47]基于數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)出配合噴氨格柵的板式混合器，通過(guò)錯(cuò)綜交叉的傾斜板狀擾流元件改變氣體流向?qū)崿F(xiàn)高效混合，分析還指出不同湍流強(qiáng)度下預(yù)留混合距離所需的噴嘴布置率。

表2 各類(lèi)噴氨格柵（AIG）性能比較

目前，還有一些嘗試簡(jiǎn)化靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)、降低加工成本的技術(shù)研究。瑞士Sulzer Brothers Limited 公司的Streiff等[48]發(fā)明了一種兼有偏轉(zhuǎn)和旋流的導(dǎo)流板型混合裝置，如圖4所示，依托于煙道橫截面特點(diǎn)利用傾斜、卷曲的大量導(dǎo)向板誘導(dǎo)混合氣體的偏轉(zhuǎn)和多方向漩渦，同時(shí)相鄰導(dǎo)向板產(chǎn)生的渦旋相互作用，能實(shí)現(xiàn)煙道整個(gè)橫截面和各種負(fù)荷下高質(zhì)量的混合。Streiff等還指出，根據(jù)煙道尺寸特性和混合效果要求可將導(dǎo)流板設(shè)計(jì)成矩形、三角形和梯形等形狀；導(dǎo)流板夾角和扭曲度的優(yōu)化可降低阻降、縮短混合距離。美國(guó)Callidus公司的Writ等[49]設(shè)計(jì)出波紋型湍流混合裝置，數(shù)根噴氨管平行均勻布置于煙道橫截面內(nèi)，噴射孔相對(duì)于煙氣流向形成一個(gè)上游角，波紋板緊鄰噴氨管的下游側(cè)。當(dāng)煙氣流經(jīng)波紋板時(shí)，在其尾端流體速度小于周?chē)鷧^(qū)域的速度，由此產(chǎn)生的氣動(dòng)壓差迫使混合氣流生成一組旋渦，旋向相反，縱向渦向下游移動(dòng)時(shí)旋吸周?chē)鷼饬?，?qiáng)化高、低氣壓區(qū)的物質(zhì)傳遞，高效混合NH3/NOx。波紋型湍流混合裝置具有系統(tǒng)穩(wěn)定、操作彈性大等特點(diǎn)，但波紋板加工質(zhì)量、安裝精度有一定要求。國(guó)內(nèi)，曾慶等[50]設(shè)計(jì)出用于燃煤鍋爐SCR系統(tǒng)的帶凹槽半球形凹面混合元件，結(jié)構(gòu)如圖5所示，這種簡(jiǎn)易的多點(diǎn)凹槽提高氨氣均勻擴(kuò)散效率，不光滑凸面可強(qiáng)化對(duì)煙氣流擾動(dòng)，從而可保證充分混合NH3/NOx，但并未說(shuō)明系統(tǒng)壓降情況。

2.4 其他噴氨裝置

除了上述幾種國(guó)內(nèi)外工程上應(yīng)用的主流技術(shù)外，還有采用OI2-SCR噴氨格柵[51]和動(dòng)態(tài)混合型裝置[52-53]來(lái)噴射混合還原劑NH3。這些新型噴氨裝置因設(shè)計(jì)起步較晚，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少，尚處于大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段。OI2-SCR噴氨格柵的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，創(chuàng)造性地將鋸齒狀防磨擾流元件布置于噴射孔上游，有效地解決了由于煙氣攜帶大量飛灰引起的噴氨管束磨損問(wèn)題。根據(jù)各區(qū)域煙氣流速噴氨管相應(yīng)位置開(kāi)設(shè)直徑不同的噴氨孔，再結(jié)合煙道內(nèi)NOx的分布情況，調(diào)節(jié)各管的噴氨量，利用橫截面差別式的方法獲得相對(duì)均勻的混合煙氣流，可使催化劑層處NOx濃度偏差系數(shù)控制在5%左右、脫硝效率高達(dá)85%的同時(shí)氨逃逸率停留在極小范圍內(nèi)。動(dòng)態(tài)混合型裝置是在煙道內(nèi)沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向水平布置噴嘴和擾流風(fēng)車(chē)，作為混合單元部分的擾流風(fēng)車(chē)由風(fēng)車(chē)軸和開(kāi)式葉輪組成，風(fēng)車(chē)軸固定于煙道體，葉輪迎向煙氣氣流，由氣流帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)氣流起到擾流作用，使氨氣和煙氣均勻混合。按文獻(xiàn)[52-53]所述，風(fēng)車(chē)不需要任何外力驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣的擾流。采用此動(dòng)態(tài)混合裝置噴氨方式比現(xiàn)有的噴氨格柵工藝簡(jiǎn)單，但混合效率、操作穩(wěn)定性和使用壽命有待工程實(shí)例檢驗(yàn)。

圖6 OI2-SCR噴氨格柵[51]

3 結(jié) 語(yǔ)

SCR反應(yīng)器催化劑層處混合氣體流場(chǎng)均勻性優(yōu)劣是高效煙氣脫硝的重要影響因素，優(yōu)化氣體流場(chǎng)均勻程度難點(diǎn)在如何盡可能降低濃度不均勻系數(shù)σc。根據(jù)上述各類(lèi)主流技術(shù)的原理、特點(diǎn)及目前存在的問(wèn)題，認(rèn)為噴氨混合裝置應(yīng)沿以下方向發(fā)展。

（1）在混合均勻性指標(biāo)滿足工程需求條件下，混合型AIG綜合性能最好，分區(qū)控制式AIG次之，線性控制式AIG最次。

（2）研發(fā)混合效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易和運(yùn)行穩(wěn)定的靜態(tài)混合器；降低建設(shè)投資、運(yùn)行管理成本，提高操作彈性。

（3）協(xié)調(diào)改善反應(yīng)器催化劑層處混合氣體的速度偏差和濃度偏差上限值，重點(diǎn)突出降低NH3濃度不均勻系數(shù)。

（4）引入現(xiàn)代控制理論，按出口NOx定值精確又經(jīng)濟(jì)控制噴氨量；在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增強(qiáng)噴射效應(yīng)，提高噴氨管定位水平。

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Advances in ammonia injection and mixing device of SCR-DeNOxsystem

HAN Fanian，YAN Zhiyong
（China Jiliang University，Hangzhou 310018，Zhejiang，China）

Selective catalytic reduction (SCR) by ammonia process has been the most extensive engineering application of denitrification technology due to its excellent comprehensive performance. The uniformity of the mixed gas flow field ratio on the lateral section of the SCR reactor is a key factor affecting denitrification efficiency. This review represents the basic principle of SCR as well as the mixing efficiency index of NH3/NOx. The methods and recent work on mainstream technology of the engineering application were reviewed，such as linear controlled injection grid，divisional controlled injection grid，and mixed element type of injection grid. The advantages and disadvantages of different methods were analyzed. Further studies on the ammonia injection and mixing involve：①The mixed element type of injection grid is preferred，the divisional controlled and linear controlled type of injection grid take second place. ②Focus on the feasibility of the lower concentration of non-uniform coefficient in the design of the mixing device. ③Development of high efficiency，simple and stable hybrid element structure，reducing construction and operating costs，improving operational flexibility. ④Perfection of the ammonia injection effect and modern control theory of amount.

nitrogen oxides；flue gas denitrification(DeNOx)；selective catalytic reduction (SCR)；injection and mixing；uniform distribution

TQ 534.9

A

1000-6613（2015）12-4151-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.12.004

2015-05-29；修改稿日期：2015-06-26。

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Y14E060025）。

韓發(fā)年（1987—），男，碩士研究生，主要從事污染物排放控制研究。E-mail fanianh@163.com。聯(lián)系人：閆志勇，教授，研究方向?yàn)殄仩t燃燒和污染物排放控制技術(shù)。E-mail yanzy@cjlu.edu.cn。