摘    要：選擇性催化還原技術(shù)是燃煤鍋爐最有效的煙氣脫硝技術(shù)，NH3/NOx混合效果是該技術(shù)工程設(shè)計(jì)時(shí)遇到的難點(diǎn)之一。OI2-SCR技術(shù)在“主動(dòng)利用不均”理念的指導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)了關(guān)于噴氨格柵的專利技術(shù)，其特點(diǎn)是：針對(duì)NOx在催化劑表層的不均勻特性，有計(jì)劃、有步驟地控制不同區(qū)域的噴氨量，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同的NH3/NOx摩爾比，從而充分發(fā)揮有限體積的催化劑的性能，在較小氨逃逸率前提下，實(shí)現(xiàn)較高的脫硝效率。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；煙氣脫硝；選擇性催化還原；噴氨格柵

NOx是大氣主要污染物之一，其危害主要有：酸雨作用、誘發(fā)光化學(xué)煙霧、對(duì)植物有損害作用、對(duì)人體有致毒作用等。燃煤鍋爐是NOx最主要的污染源之一，國(guó)家環(huán)保總局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2004年我國(guó)燃煤鍋爐NOx排放量為665.7萬(wàn)噸[1]，預(yù)計(jì)到2010年，該值將達(dá)850萬(wàn)噸左右。為此，國(guó)家出臺(tái)了一系列控制火電廠NOx排放的法律、法規(guī)和政策，促使我國(guó)必須加快火電機(jī)組煙氣脫硝設(shè)施的建設(shè)。然而，我國(guó)脫硝工程商業(yè)建設(shè)起步較晚，為了擺脫目前脫硝市場(chǎng)對(duì)國(guó)外技術(shù)與設(shè)備的依賴，江蘇蘇源環(huán)保工程股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“蘇源環(huán)保公司”）運(yùn)用原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)、消化、再創(chuàng)新相結(jié)合的方法，開(kāi)發(fā)出具有精準(zhǔn)優(yōu)化（Optimization）、個(gè)性化（Individuation）和集成化（Integration）為特點(diǎn)的大型火電機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)技術(shù)，簡(jiǎn)稱“OI2-SCR煙氣脫硝技術(shù)”。目前，該技術(shù)已經(jīng)通過(guò)江蘇省科技廳鑒定，依托該技術(shù)工藝包建設(shè)的國(guó)華太倉(cāng)發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)華太電”）2×600MW機(jī)組煙氣脫硝工程，于2006年1月20日完成168小時(shí)考核運(yùn)行，順利實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電、同步脫硫與同步脫硝的目標(biāo)，從而創(chuàng)下我國(guó)新建大型火電機(jī)組“三同步”的歷史記錄，同時(shí)標(biāo)志著我國(guó)真正擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煙氣脫硝技術(shù)。

1. 工程簡(jiǎn)介

蘇源環(huán)保公司為國(guó)華太電2×600MW機(jī)組提供2套100%煙氣處理量的選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝裝置，該裝置采用高塵布置方式，將SCR布置在省煤器與空預(yù)器之間，脫硝裝置的設(shè)計(jì)效率≥90%，SO2的氧化率<1.0%，氨逃逸率小于3×10-6，脫硝設(shè)備與對(duì)應(yīng)的主機(jī)壽命一致，設(shè)計(jì)壽命為30年，系統(tǒng)可用率≥95%[2]。脫硝反應(yīng)劑采用外購(gòu)液氨，煙氣中的NOx與來(lái)自“液氨/空氣混合器”的NH3在催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)，生成無(wú)害的N2和H2O，處理后的煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器。設(shè)計(jì)范圍主要包括氨系統(tǒng)、SCR系統(tǒng)、反應(yīng)器支撐框架、空預(yù)器的改造、引風(fēng)機(jī)的改造、煙道的改造設(shè)計(jì)、爐后鋼架的改造設(shè)計(jì)。

2. OI2-SCR核心技術(shù)研發(fā)

SCR煙氣脫硝技術(shù)包括催化劑、SCR反應(yīng)器、氨儲(chǔ)存系統(tǒng)、噴氨系統(tǒng)、連接煙道設(shè)計(jì)、導(dǎo)流板設(shè)計(jì)、以及對(duì)鍋爐及其輔助設(shè)備的改造等，其中，催化劑是為核心技術(shù)之一。目前，蘇源環(huán)保公司的OI2-SCR核心技術(shù)的催化劑仍處于小試階段，其他技術(shù)則已完成了研發(fā)和工程應(yīng)用。OI2-SCR煙氣脫硝技術(shù)的研發(fā)內(nèi)容主要包括系統(tǒng)配置模型、關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化模型、系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)CAE/CAD分析和系統(tǒng)仿真等[3]。本文將針對(duì)SCR煙氣脫硝領(lǐng)域的難點(diǎn)之一（NOx/NH3混合），以O(shè)I2思想為指導(dǎo)，提出主動(dòng)利用不均的理念，并在該理念的指導(dǎo)下進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，最終應(yīng)用于工程。

2.1 脫硝效率的影響因素

當(dāng)前脫硝效率是衡量SCR裝置性能的重要指標(biāo)，它與SCR裝置的造價(jià)成本等密切相關(guān)（見(jiàn)圖1）。國(guó)華太電SCR煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的脫硝效率為90%，這對(duì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了很高的要求。制約脫硝效率的因素有：①最大允許氨逃逸率。為了防止空氣預(yù)熱器的積灰堵塞與腐蝕，國(guó)華太電設(shè)計(jì)的氨逃逸率很低（低于3×10-6）；②SCR反應(yīng)器入口煙氣流的分布狀態(tài)。SCR反應(yīng)器入口煙氣流的分布狀態(tài)需要通過(guò)合理的煙道設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整；③NOx/NH3混合效果。NOx/NH3混合效果是這三個(gè)因素中最難克服的問(wèn)題。

圖1 脫硝效率、氨逃逸率與催化劑體積的制約關(guān)系

2.2 氨的分布

氨的分布對(duì)SCR系統(tǒng)運(yùn)行的最佳性能非常重要。假設(shè)煙氣流為理想均勻分布，則氨分布不均是造成SCR系統(tǒng)性能差的常見(jiàn)原因，并且可能會(huì)被誤解成催化劑活性低。如果氨在煙氣中分布不均，即某些區(qū)域過(guò)量，會(huì)導(dǎo)致氨逃逸率升高；相反，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)域脫硝效果差。

當(dāng)脫硝效率較高時(shí)，如果氨分布稍有不均，就會(huì)出現(xiàn)局部逃逸峰值和較高的逃逸平均值。如果要求氨逃逸平均值必須保持在3×10-6以內(nèi)，那么應(yīng)經(jīng)常更換催化劑。實(shí)際上，即使分布不均程度較輕，氨逃逸峰值也足以引發(fā)問(wèn)題。這是因?yàn)槊撓跣瘦^高時(shí)，如果系統(tǒng)沒(méi)有調(diào)節(jié)氨分布不均的能力，當(dāng)部分煙氣含氨量超過(guò)NOx反應(yīng)量時(shí)，多余的氨流經(jīng)系統(tǒng)時(shí)就會(huì)逃逸[4]。

2.3 OI2思想下NOx/NH3混合的理念。

假設(shè)氨為理想均勻分布，煙氣分布的不均勻性同樣會(huì)造成SCR系統(tǒng)性能的下降。如果不計(jì)較SCR裝置的造價(jià)成本，就可以采取充分的措施，先將SCR反應(yīng)器入口煙氣流處理到均勻分布的狀態(tài)；然后再采取措施，噴入均勻分布的氨，達(dá)到理想的NOx/NH3混合效果。或通過(guò)采取措施，在催化劑層前將NOx/NH3混合到理想的分布狀態(tài)。如德國(guó)巴克•杜爾公司提出的“三角翼”專利技術(shù)，就是在噴氨前后對(duì)煙氣進(jìn)行混合處理，其效果比較明顯。但是，過(guò)多的措施，增加了系統(tǒng)的阻力和SCR裝置的造價(jià)成本，而且容易受?chē)?guó)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制約。所以在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要探尋一種更加經(jīng)濟(jì)的、適合我國(guó)國(guó)情的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的NOx/NH3混合效果。

在此背景下，蘇源環(huán)保公司充分發(fā)揮OI2研發(fā)、設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理三大平臺(tái)平行開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)[3]，提出“主動(dòng)利用不均”的理念，即以較小代價(jià)獲得相對(duì)均勻（或稱“近均勻”）的煙氣流，然后根據(jù)煙氣中NOx在不同空間位置的分布情況，有計(jì)劃、有步驟地控制不同區(qū)域的噴氨量，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同的NOx/NH3配比。為了充分實(shí)現(xiàn)該理念，蘇源環(huán)保公司開(kāi)發(fā)了專利技術(shù)“噴氨格柵”，并依托國(guó)華太電煙氣脫硝工程，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的SCR裝置。

3. SCR系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

OI2-SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：基于經(jīng)驗(yàn)的初步設(shè)計(jì)（包括SCR反應(yīng)器及連接煙道[3]、導(dǎo)流板等設(shè)計(jì)）、計(jì)算機(jī)模擬、基于計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計(jì)、噴氨格柵(AIG)設(shè)計(jì)等，見(jiàn)圖2。其中計(jì)算機(jī)模擬和初步設(shè)計(jì)是不斷調(diào)整和優(yōu)化的完善過(guò)程。

圖2 OI2-SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

3.1 NOx濃度數(shù)值模擬

國(guó)華太電SCR裝置布置于鍋爐省煤器與空預(yù)器之間，煙氣溫度較高，常規(guī)的冷態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ碗m可依據(jù)相似原理獲取一定準(zhǔn)則數(shù)相同下的煙氣速度分布規(guī)律，但對(duì)氨的擴(kuò)散和分布以及噴氨格柵數(shù)量巨大的噴嘴與下游催化劑上方氨分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系卻無(wú)能為力。本研究采用有限體積法對(duì)SCR反應(yīng)器及其連接煙道內(nèi)的流體流動(dòng)及氨擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律并給出一系列的定性定量分析結(jié)果，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，建立SCR反應(yīng)器及其連接煙道的設(shè)計(jì)理論和方法[5, 6]。

通過(guò)改進(jìn)煙道形狀、布置及加設(shè)導(dǎo)流葉片等措施，使得第一層催化劑上表面NOx濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差(Cv)小于8%，而國(guó)外公司一般要求為15%（見(jiàn)圖3）。對(duì)100%、75%和50%負(fù)荷等不同工況下進(jìn)行分析，NOx濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差都保持在8%以內(nèi)。

圖3 BMCR工況下第一層催化劑上表面NOx的濃度分布（標(biāo)準(zhǔn)偏差=3.88）

3.2 噴氨格柵設(shè)計(jì)

OI2-SCR技術(shù)通過(guò)對(duì)氨稀釋空氣與煙氣的流速比、噴出角度、管束布置、AIG支撐等因素的影響進(jìn)行了綜合分析，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，獲取噴氨格柵上每一位置的開(kāi)孔噴出的氨的流動(dòng)軌跡及遷徙規(guī)律，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)國(guó)華太電煙氣脫硝工程設(shè)計(jì)的噴氨格柵實(shí)物照片見(jiàn)圖4，噴氨格柵分若干個(gè)支管，每根管子上開(kāi)一定數(shù)量及尺寸的孔，氨稀釋空氣由此處噴 入煙道與煙氣混合；同時(shí)，整個(gè)煙道截面被分成若干個(gè)控制區(qū)域，每個(gè)控制區(qū)域由一定數(shù)量的噴氨管道組成，并設(shè)有閥門(mén)控制對(duì)應(yīng)區(qū)域的流量，以匹配煙道截面各處NOx分布的不均衡。該技術(shù)的實(shí)施，使得氨擴(kuò)散及混合距離變得盡可能的短，同時(shí)又能保證第一層催化劑上表面的NH3/NOx摩爾比偏差小于5%，從而極大地降低了投資和運(yùn)行費(fèi)用。

圖4 噴氨格柵實(shí)物圖

4. SCR系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行

國(guó)華太電7號(hào)機(jī)組煙氣脫硝裝置于2006年1月20日完成168小時(shí)考核運(yùn)行后，投運(yùn)率達(dá)100%。試運(yùn)時(shí)的脫硝效率為60%，后經(jīng)初步調(diào)試，脫硝效率達(dá)到80%。氨逃逸率則一直控制在1.2×10-6以內(nèi)。目前正進(jìn)行AIG精調(diào)。

4.1 調(diào)試背景

主要測(cè)試儀器：Testo 350煙氣組份分析儀兩套（能夠測(cè)量的信息包括氧量、煙氣速度、NOx濃度等）。在600MW電負(fù)荷下，調(diào)整甲側(cè)SCR反應(yīng)器的噴氨控制閥，使DCS顯示脫硝效率為80%左右。在工況確認(rèn)后，開(kāi)始同時(shí)對(duì)鍋爐甲側(cè)SCR反應(yīng)器第一層催化劑上側(cè)和第二層催化劑下側(cè)兩個(gè)斷面分布的測(cè)點(diǎn)，用網(wǎng)格法對(duì)煙氣中的氧量、NOx、CO2等煙氣成份進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，氨逃逸率控制在1.2×10-6左右，最大不超過(guò)2×10-6。

4.2 調(diào)試結(jié)果

表1 第一層催化劑上側(cè)NOx濃度      （2006年6月21日 8：30）

表1中，NOx濃度的平均值為197.73×10-6，平面各處NOx濃度分布可見(jiàn)圖5。由表1和圖5可見(jiàn)，第一層催化劑上側(cè)NOx 濃度峰值出現(xiàn)在點(diǎn)C5、C6附近的I區(qū)，以及K4、K5為核心的II區(qū)。

在對(duì)AIG進(jìn)行粗調(diào)后（相當(dāng)于均勻噴氨），第二層催化劑下側(cè)NOx濃度見(jiàn)圖6，其平均值為39.59×10-6，此時(shí)實(shí)測(cè)脫硝效率為79.98%，氨逃逸率為1.2×10-6。

以I、II區(qū)域?yàn)楹诵?，增?0~15%的噴氨量（其他區(qū)域維持不變），開(kāi)始AIG精調(diào)試驗(yàn)，其效果如圖7?？梢?jiàn)，在增加噴氨量后，原來(lái)的峰值區(qū)變成了谷值區(qū)。這時(shí)第二層催化劑下側(cè)NOx濃度的平均值為35.1×10-6，此時(shí)實(shí)測(cè)脫硝效率為82.24%，氨逃逸率為1.2~1.3×10-6。AIG的精調(diào)試驗(yàn)和運(yùn)行工作正在進(jìn)行中，可以預(yù)見(jiàn)，在AIG精調(diào)工作完成后，國(guó)華太電OI2-SCR裝置的脫硝效率將達(dá)到90%以上。

5. 結(jié)論

國(guó)華太電2×600MW脫硝裝置為已建機(jī)組脫硝改造工程，其反應(yīng)器進(jìn)口段空間十分有限，蘇源環(huán)保公司采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的OI2-SCR煙氣脫硝技術(shù)，主動(dòng)利用不均理念下開(kāi)發(fā)了專利技術(shù)“噴氨格柵”，在有限體積催化劑和較小氨逃逸率前提下，實(shí)現(xiàn)了較高的脫硝效率。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了SCR裝置的設(shè)計(jì)方法，充分體現(xiàn)了自主OI2-SCR煙氣脫硝核心技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)及應(yīng)用為我國(guó)大型火電煙氣脫硝技術(shù)自主化、裝備國(guó)產(chǎn)化探索了一條有效途徑。
 

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