摘要：基于日益嚴(yán)峻的大氣污染形勢(shì)，針對(duì)低濃度瓦斯燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組排放NOx污染物的特點(diǎn)，對(duì)其煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。研究結(jié)果表明，根據(jù)煙氣排放的測(cè)試數(shù)據(jù)，采用SCR（選擇性催化還原）脫硝技術(shù)控制低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的排放是最佳途徑。為了保證高脫硝效率，對(duì)其煙氣脫硝裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

目前，中國是瓦斯排放量較高的國家之一，且大部分是從煤礦中排放出來，排放量約占世界的45%。煤礦瓦斯的來源主要包括：

a)從礦井的抽采系統(tǒng)中排放出來的瓦斯；

b)從鉆井過程中排放出來的瓦斯；

c)從礦井通風(fēng)系統(tǒng)中回風(fēng)排放出來的瓦斯，其中包括通風(fēng)系統(tǒng)中2/3以上的低濃度瓦斯（體積分?jǐn)?shù)小于30%）。

近年來，國內(nèi)的低濃度瓦斯（體積分?jǐn)?shù)約10%左右）更多是應(yīng)用于發(fā)電行業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)其資源化利用。如果瓦斯不加以利用直接排放到大氣中，其引發(fā)的溫室效應(yīng)是CO2的數(shù)倍。因此，瓦斯發(fā)電既可以有效地解決瓦斯事故、改善安全生產(chǎn)條件，又有利于增加潔凈能源供應(yīng)、減少溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)保護(hù)生命、保護(hù)資源、保護(hù)環(huán)境的多重目標(biāo)。

在低濃度瓦斯發(fā)電的燃燒利用過程中，產(chǎn)生的污染物主要是大量的NO和少量的NO2等。鑒于瓦斯內(nèi)燃發(fā)電設(shè)備的特點(diǎn)，排放的NOx濃度比燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t要高。近些年，雖然中國大氣污染防治工作取得了一定成效，但大氣污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻，不容樂觀，因此，低濃度瓦斯燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組的煙氣治理也顯得十分必要。基于此，針對(duì)瓦斯發(fā)電燃燒利用過程排放的NOx進(jìn)行煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

A公司三期（低濃）工程以煤業(yè)井下抽放的低濃度瓦斯為燃料，采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。礦井日抽放低濃度瓦斯1.0×105Nm3，抽放瓦斯體積分?jǐn)?shù)為9%～30%，平均12%左右。工程總裝機(jī)容量為16.5MW，其中，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量為15MW，凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量為1.5MW。低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組尾氣排放數(shù)據(jù)：NOx排放值（5%O2）為1165～1630mg/Nm3，CO排放值（5%O2）為1.79g/(kW·h)，HC排放值（5%O2）為0.39g/(kW·h)，排放氣中O2的體積分?jǐn)?shù)為11%。基于國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，以該工程為例對(duì)低濃度瓦斯燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

01煙氣脫硝方案的確定

低濃度瓦斯發(fā)電是內(nèi)燃機(jī)利用瓦斯在氣缸內(nèi)燃燒，所產(chǎn)生的燃?xì)庵苯油苿?dòng)活塞作功。采用試驗(yàn)儀器對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電內(nèi)燃機(jī)組產(chǎn)生高溫?zé)煔膺M(jìn)行了測(cè)量，其質(zhì)量濃度為1000～2000mg/Nm3，主要成分是NO，煙氣排放溫度為300～600℃。如果采用燃燒中控制技術(shù)治理NOx，需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行較大技術(shù)改造，且實(shí)施技術(shù)難度較大，成本較高。如果采用燃燒后控制技術(shù)，由于SCR相對(duì)成熟，溫度窗口合適（SCR脫硝的溫度窗口為290～700℃），因此，SCR脫硝技術(shù)適用于低濃度瓦斯燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝項(xiàng)目。

圖1給出了煙氣SCR脫硝系統(tǒng)圖。尿素還原劑供給系統(tǒng)（SCR還原劑采用尿素）、噴槍系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器（含2層蜂窩狀催化劑）、電氣控制系統(tǒng)和煙道等共同組成了低濃度瓦斯燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)。

高溫?zé)煔鈴牡蜐舛韧咚箖?nèi)燃機(jī)排出后進(jìn)入到SCR脫硝裝置內(nèi)，尿素溶液通過霧化噴嘴噴入煙道內(nèi)，尿素在高溫條件下生成還原劑NH3。為了保證還原劑與高溫?zé)煔獾某浞謴氐谆旌�，考慮在煙道內(nèi)設(shè)計(jì)混合器�；旌虾髿怏w在SCR反應(yīng)器催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)NOx的高效脫除。尿素噴射量則根據(jù)檢測(cè)控制系統(tǒng)反饋出來的煙氣流量和NOx含量決定。

02煙氣脫硝系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

尿素還原劑制備系統(tǒng)按三期（低濃）工程一臺(tái)9t/h余熱鍋爐設(shè)計(jì)。還原劑制備車間布置在三期工程場地內(nèi)，與余熱蒸汽鍋爐相鄰布置。單臺(tái)余熱鍋爐入口煙氣量64590Nm3/h，入口煙氣溫度正常500℃，最高560℃，采用SCR脫硝技術(shù)，還原劑制備工藝為尿素?zé)峤夥�，催化劑為國產(chǎn)中溫型蜂窩式催化劑，催化劑水平布置，脫硝裝置進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度（運(yùn)行工況）為1165～1630mg/Nm3（5%O2），脫硝裝置進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度為611.25mg/Nm3（15%O2），脫硝裝置出口NOx質(zhì)量濃度＜50mg/Nm3（15%O2，全部折算到NO2），脫硝裝置設(shè)計(jì)效率≥92%。

03煙氣脫硝裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

為了保證高脫硝效率，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其煙氣脫硝裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。圖2給出了CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）煙氣脫硝裝置模型示意圖。模擬邊界從低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)煙氣排口開始，包括系統(tǒng)入口煙道、導(dǎo)流板、SCR反應(yīng)器、出口煙道等，通過脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究保證系統(tǒng)的高效性。

首先確定研究目的，然后根據(jù)脫硝裝置的初始設(shè)計(jì)方案建立數(shù)學(xué)模型，假定邊界條件，最后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。研究目的是，通過對(duì)不同工況下煙氣流場分布特性的研究，依據(jù)關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)（速度分布、溫度、NOx/NH3以及系統(tǒng)壓降等），通過優(yōu)化設(shè)計(jì)研究導(dǎo)流板和煙道布置形式等，保證高脫硝效率及較低的系統(tǒng)壓損。

圖3給出了低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)煙氣脫硝裝置的煙氣流線圖。從圖3中可以看出，高溫?zé)煔庠跓煹罃U(kuò)口段經(jīng)過5塊直型導(dǎo)流板進(jìn)入SCR反應(yīng)器后，煙氣充滿整個(gè)SCR反應(yīng)器內(nèi)，可以充分利用催化劑實(shí)現(xiàn)高效脫硝反應(yīng)，且入射角較小，保證還原劑NH3和NOx順利通過催化劑發(fā)生還原反應(yīng)。

圖4給出了第一層催化劑上游速度分布云圖。從圖4中看出，該截面外側(cè)速度相對(duì)較快，上下底部相對(duì)較慢，但是整體速度分布相對(duì)均勻。通過計(jì)算可知，該截面的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv值為9.34%，達(dá)到了技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)要求。

圖5給出了第一層催化劑上游速度入射角的余弦值分布圖，即x方向速度值與y方向速度值比值。該圖反映了混合氣體是否能順利通過催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。其中，入射角最大變化為±8.7℃，達(dá)到了技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)要求。

圖6給出了SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑上游游氨濃度分布圖。通過計(jì)算可知，該截面的氨濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.15%，達(dá)到了技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)要求。

圖7給出了第一層催化劑上游的溫度分布圖。通過計(jì)算可知，該截面平均溫度為499℃，溫度在第一層催化劑上游截面分布相對(duì)均勻，溫度分布的最大偏差為±2.6℃，達(dá)到了技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)要求。

煙氣流經(jīng)轉(zhuǎn)彎段、漸擴(kuò)段和漸縮段等煙道時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流、加速或減速等引起能量損失，從而造成壓力損失。所以，為同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和低壓損，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)流裝置和整流裝置的形式和布置方式，使煙氣流動(dòng)平穩(wěn)過渡，分布均勻，避免產(chǎn)生渦流。圖8為SCR脫硝系統(tǒng)的壓力分布云圖，加裝脫硝系統(tǒng)（包括催化劑）后阻力為613Pa，達(dá)到了技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)要求。

04結(jié)語

基于國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)低濃度瓦斯燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

a)在SCR脫硝反應(yīng)器入段設(shè)計(jì)3組導(dǎo)流板，以保證內(nèi)燃機(jī)組脫硝反應(yīng)器的流場分布均勻。

b)催化劑上游截面整體氣流速度分布均勻，速度Cv值為9.34%；入射角最大變化為±8.7℃；氨濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.15%；溫度最大偏差為±2.6℃，脫硝系統(tǒng)阻力為613Pa。

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