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、對植物有損害作用、對人體有致毒作用等。燃煤鍋爐是NOx最主要的污染源之一，國家環(huán)?？偩纸y(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2004年我國燃煤鍋爐NOx排放量為665.7萬噸[1]，預(yù)計到2010年，該值將達850萬噸左右。為此，國家出臺了一系列控制火電廠NOx排放的法律、法規(guī)和政策，促使我國必須加快火電機組煙氣脫硝設(shè)施的建設(shè)。然而，我國脫硝工程商業(yè)建設(shè)起步較晚，為了擺脫目前脫硝市場對國外技術(shù)與設(shè)備的依賴，江蘇蘇源環(huán)保工程股份有限公司(以下簡稱“蘇源環(huán)保公司”)運用原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進、消化、再創(chuàng)新相結(jié)合的方法，開發(fā)出具有精準(zhǔn)優(yōu)化(Optimization)、個性化(Individuation)和集成化(Integration)為特點的大型火電機組煙氣脫硝系統(tǒng)技術(shù)，簡稱“OI2-SCR煙氣脫硝技術(shù)”。目前，該技術(shù)已經(jīng)通過江蘇省科技廳鑒定，依托該技術(shù)工藝包建設(shè)的國華太倉發(fā)電有限公司(以下簡稱“國華太電”)2×600MW機組煙氣脫硝工程，于2006年1月20日完成168小時考核運行，順利實現(xiàn)同步發(fā)電、同步脫硫與同步脫硝的目標(biāo)，從而創(chuàng)下我國新建大型火電機組“三同步”的歷史記錄，同時標(biāo)志著我國真正擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的煙氣脫硝技術(shù)。

1.工程簡介

蘇源環(huán)保公司為國華太電2×600MW機組提供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)備與對應(yīng)的主機壽命一致，設(shè)計壽命為30年，系統(tǒng)可用率≥95%[2]。脫硝反應(yīng)劑采用外購液氨，煙氣中的NOx與來自“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)，生成無害的N2和H2O，處理后的煙氣進入空氣預(yù)熱器。設(shè)計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)機的改造、煙道的改造設(shè)計、爐后鋼架的改造設(shè)計。

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、氨儲存系統(tǒng)、噴氨系統(tǒng)、連接煙道設(shè)計、導(dǎo)流板設(shè)計、以及對鍋爐及其輔助設(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CAE/CAD分析和系統(tǒng)仿真等[3]。本文將針對SCR煙氣脫硝領(lǐng)域的難點之一(NOx/NH3混合)，以O(shè)I2思想為指導(dǎo)，提出主動利用不均的理念，并在該理念的指導(dǎo)下進行技術(shù)開發(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裝置的造價成本等密切相關(guān)(見圖1)。國華太電SCR煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計的脫硝效率為90%，這對的系統(tǒng)設(shè)計提出了很高的要求。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，國華太電設(shè)計的氨逃逸率很低(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)需要通過合理的煙道設(shè)計來調(diào)整；③NOx/NH3混合效果。NOx/NH3混合效果是這三個因素中最難克服的問題。

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SCR系統(tǒng)運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)性能差的常見原因，并且可能會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)域過量，會導(dǎo)致氨逃逸率升高；相反，會導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)域脫硝效果差。

當(dāng)脫硝效率較高時，如果氨分布稍有不均，就會出現(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。實際上，即使分布不均程度較輕，氨逃逸峰值也足以引發(fā)問題。這是因為脫硝效率較高時，如果系統(tǒng)沒有調(diào)節(jié)氨分布不均的能力，當(dāng)部分煙氣含氨量超過NOx反應(yīng)量時，多余的氨流經(jīng)系統(tǒng)時就會逃逸[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造成SCR系統(tǒng)性能的下降。如果不計較SCR裝置的造價成本，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，達到理想的NOx/NH3混合效果。或通過采取措施，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)，就是在噴氨前后對煙氣進行混合處理，其效果比較明顯。但是，過多的措施，增加了系統(tǒng)的阻力和SCR裝置的造價成本，而且容易受國外知識產(chǎn)權(quán)的制約。所以在實際工程應(yīng)用中，需要探尋一種更加經(jīng)濟的、適合我國國情的方式來實現(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)計和項目管理三大平臺平行開發(fā)的經(jīng)驗[3]，提出“主動利用不均”的理念，即以較小代價獲得相對均勻(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，有計劃、有步驟地控制不同區(qū)域的噴氨量，實現(xiàn)不同區(qū)域不同的NOx/NH3配比。為了充分實現(xiàn)該理念，蘇源環(huán)保公司開發(fā)了專利技術(shù)“噴氨格柵”，并依托國華太電煙氣脫硝工程，實現(xiàn)高效率、低成本的SCR裝置。

3. SCR系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

OI2-SCR系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容包括：基于經(jīng)驗的初步設(shè)計(包括SCR反應(yīng)器及連接煙道[3]、導(dǎo)流板等設(shè)計)、計算機模擬、基于計算機模擬結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計、噴氨格柵(AIG)設(shè)計等，見圖2。其中計算機模擬和初步設(shè)計是不斷調(diào)整和優(yōu)化的完善過程。

圖2 OI2-SCR系統(tǒng)設(shè)計流程

3.1 NOx濃度數(shù)值模擬

國華太電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?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，但對氨的擴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應(yīng)關(guān)系卻無能為力。本研究采用有限體積法對SCR反應(yīng)器及其連接煙道內(nèi)的流體流動及氨擴散過程進行數(shù)值模擬，揭示了其內(nèi)部流動規(guī)律并給出一系列的定性定量分析結(jié)果，同時結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果，對數(shù)值計算結(jié)果進行驗證和修正，建立SCR反應(yīng)器及其連接煙道的設(shè)計理論和方法[5, 6]。

通過改進煙道形狀、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%，而國外公司一般要求為15%(見圖3)。對100%、75%和50%負荷等不同工況下進行分析，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

OI2-SCR技術(shù)通過對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行了綜合分析，通過數(shù)值計算，獲取噴氨格柵上每一位置的開孔噴出的氨的流動軌跡及遷徙規(guī)律，以此為基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)計。針對國華太電煙氣脫硝工程設(shè)計的噴氨格柵實物照片見圖4，噴氨格柵分若干個支管，每根管子上開一定數(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，整個煙道截面被分成若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域由一定數(shù)量的噴氨管道組成，并設(shè)有閥門控制對應(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)的實施，使得氨擴散及混合距離變得盡可能的短，同時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行費用。

圖4噴氨格柵實物圖

4. SCR系統(tǒng)的調(diào)試和運行

國華太電7號機組煙氣脫硝裝置于2006年1月20日完成168小時考核運行后，投運率達100%。試運時的脫硝效率為60%，后經(jīng)初步調(diào)試，脫硝效率達到80%。氨逃逸率則一直控制在1.2×10-6以內(nèi)。目前正進行AIG精調(diào)。

4.1調(diào)試背景

主要測試儀器：Testo 350煙氣組份分析儀兩套(能夠測量的信息包括氧量、煙氣速度、NOx濃度等)。在600MW電負荷下，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。在工況確認后，開始同時對鍋爐甲側(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)兩個斷面分布的測點，用網(wǎng)格法對煙氣中的氧量、NOx、CO2等煙氣成份進行測量。測量過程中，氨逃逸率控制在1.2×10-6左右，最大不超過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濃度分布可見圖5。由表1和圖5可見，第一層催化劑上側(cè)NOx濃度峰值出現(xiàn)在點C5、C6附近的I區(qū)，以及K4、K5為核心的II區(qū)。

在對AIG進行粗調(diào)后(相當(dāng)于均勻噴氨)，第二層催化劑下側(cè)NOx濃度見圖6，其平均值為39.59×10-6，此時實測脫硝效率為79.98%，氨逃逸率為1.2×10-6。

以I、II區(qū)域為核心，增加10~15%的噴氨量(其他區(qū)域維持不變)，開始AIG精調(diào)試驗，其效果如圖7?？梢?，在增加噴氨量后，原來的峰值區(qū)變成了谷值區(qū)。這時第二層催化劑下側(cè)NOx濃度的平均值為35.1×10-6，此時實測脫硝效率為82.24%，氨逃逸率為1.2~1.3×10-6。AIG的精調(diào)試驗和運行工作正在進行中，可以預(yù)見，在AIG精調(diào)工作完成后，國華太電OI2-SCR裝置的脫硝效率將達到90%以上。

5.結(jié)論

國華太電2×600MW脫硝裝置為已建機組脫硝改造工程，其反應(yīng)器進口段空間十分有限，蘇源環(huán)保公司采用自主知識產(chǎn)權(quán)的OI2-SCR煙氣脫硝技術(shù)，主動利用不均理念下開發(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)計方法，充分體現(xiàn)了自主OI2-SCR煙氣脫硝核心技術(shù)的競爭優(yōu)勢。該技術(shù)的成功開發(fā)及應(yīng)用為我國大型火電煙氣脫硝技術(shù)自主化、裝備國產(chǎn)化探索了一條有效途徑。

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