燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用
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“主動利用不均”理念的指導(dǎo)下，開發(fā)了關(guān)于噴氨格柵的專利技術(shù),，其特點(diǎn)是：針對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(jì)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(jì)到2010年,，該值將達(dá)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(jī)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(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(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(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(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),，提出主動利用不均的理念，并在該理念的指導(dǎo)下進(jìn)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(jià)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(jì)的脫硝效率為90%,，這對的系統(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)需要通過合理的煙道設(shè)計(jì)來調(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題。
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| 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(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(shí),，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(shí)際上,，即使分布不均程度較輕,，氨逃逸峰值也足以引發(fā)問題。這是因?yàn)槊撓跣瘦^高時(shí),，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(shí)，多余的氨流經(jīng)系統(tǒng)時(shí)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(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(jìn)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(jià)成本,，而且容易受國外知識產(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,、適合我國國情的方式來實(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)目管理三大平臺平行開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)[3],，提出“主動利用不均”的理念，即以較小代價(jià)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(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(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)化的完善過程,。
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| 圖2 OI2-SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(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(kuò)散過程進(jìn)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(shí)結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果，對數(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%,，而國外公司一般要求為15%（見圖3）,。對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),。
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| 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(jìn)行了綜合分析，通過數(shù)值計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對國華太電煙氣脫硝工程設(shè)計(jì)的噴氨格柵實(shí)物照片見圖4,，噴氨格柵分若干個(gè)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(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(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,。
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| 圖4 噴氨格柵實(shí)物圖 |
4. SCR系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行
國華太電7號機(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(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，開始同時(shí)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(gè)斷面分布的測點(diǎn),，用網(wǎng)格法對煙氣中的氧量、NOx,、CO2等煙氣成份進(jìn)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） |
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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(diǎn)C5,、C6附近的I區(qū),，以及K4、K5為核心的II區(qū),。
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在對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濃度見圖6,，其平均值為39.59×10-6,，此時(shí)實(shí)測脫硝效率為79.98%,，氨逃逸率為1.2×10-6,。
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以I、II區(qū)域?yàn)楹诵模黾?0~15%的噴氨量（其他區(qū)域維持不變），開始AIG精調(diào)試驗(yàn)，其效果如圖7?？梢姡谠黾訃姲绷亢?，原來的峰值區(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,，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(dá)到90%以上,。
5. 結(jié)論
國華太電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(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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