低濃度瓦斯燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組煙氣脫硝裝置優(yōu)化設(shè)計研究

更新時間：2020-07-15 15:24 來源：能源與節(jié)能作者: 閱讀：2701

摘要：基于日益嚴峻的大氣污染形勢,，針對低濃度瓦斯燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組排放NOx污染物的特點，對其煙氣脫硝系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計研究,。研究結(jié)果表明,，根據(jù)煙氣排放的測試數(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)燃機發(fā)電機組的排放是最佳途徑,。為了保證高脫硝效率,，對其煙氣脫硝裝置進行了優(yōu)化設(shè)計研究。

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

近年來,，國內(nèi)的低濃度瓦斯（體積分數(shù)約10%左右）更多是應用于發(fā)電行業(yè)，從而實現(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,、減少溫室氣體排放,，實現(xiàn)保護生命、保護資源,、保護環(huán)境的多重目標,。

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,，排放的NOx濃度比燃氣輪機和燃氣鍋爐要高,。近些年,，雖然中國大氣污染防治工作取得了一定成效，但大氣污染形勢依然嚴峻,，不容樂觀,，因此，低濃度瓦斯燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組的煙氣治理也顯得十分必要,?；诖耍槍ν咚拱l(fā)電燃燒利用過程排放的NOx進行煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究,。

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,，采用燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組。礦井日抽放低濃度瓦斯1.0×105Nm3,，抽放瓦斯體積分數(shù)為9%～30%,，平均12%左右。工程總裝機容量為16.5MW,，其中,，燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組裝機容量為15MW,，凝汽式汽輪發(fā)電機組裝機容量為1.5MW。低濃度瓦斯發(fā)電機組尾氣排放數(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的體積分數(shù)為11%,?；趪噎h(huán)保排放標準，以該工程為例對低濃度瓦斯燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進行了研究,。

01煙氣脫硝方案的確定

低濃度瓦斯發(fā)電是內(nèi)燃機利用瓦斯在氣缸內(nèi)燃燒,，所產(chǎn)生的燃氣直接推動活塞作功。采用試驗儀器對低濃度瓦斯發(fā)電內(nèi)燃機組產(chǎn)生高溫煙氣進行了測量,，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,，需要對內(nèi)燃機進行較大技術(shù)改造，且實施技術(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氣內(nèi)燃發(fā)電機組煙氣脫硝項目,。

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氣內(nèi)燃發(fā)電機組煙氣脫硝系統(tǒng)。

高溫煙氣從低濃度瓦斯內(nèi)燃機排出后進入到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煙氣的充分徹底混合,，考慮在煙道內(nèi)設(shè)計混合器,。混合后氣體在SCR反應器催化劑的作用下發(fā)生還原反應,，實現(xiàn)NOx的高效脫除,。尿素噴射量則根據(jù)檢測控制系統(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9t/h余熱鍋爐設(shè)計。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熱解法,，催化劑為國產(chǎn)中溫型蜂窩式催化劑,，催化劑水平布置，脫硝裝置進口NOx質(zhì)量濃度（運行工況）為1165～1630mg/Nm3（5%O2）,，脫硝裝置進口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)計效率≥92%,。

03煙氣脫硝裝置優(yōu)化設(shè)計研究

為了保證高脫硝效率，采用數(shù)值模擬的方法對其煙氣脫硝裝置進行了優(yōu)化設(shè)計研究,。圖2給出了CFD（計算流體動力學）煙氣脫硝裝置模型示意圖,。模擬邊界從低濃度瓦斯內(nèi)燃機煙氣排口開始，包括系統(tǒng)入口煙道,、導流板,、SCR反應器、出口煙道等,，通過脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究保證系統(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)計方案建立數(shù)學模型,，假定邊界條件,，最后進行優(yōu)化設(shè)計研究。研究目的是,，通過對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)計研究導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)燃機煙氣脫硝裝置的煙氣流線圖。從圖3中可以看出,，高溫煙氣在煙道擴口段經(jīng)過5塊直型導流板進入SCR反應器后,，煙氣充滿整個SCR反應器內(nèi)，可以充分利用催化劑實現(xiàn)高效脫硝反應,，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,。

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)速度相對較快,，上下底部相對較慢，但是整體速度分布相對均勻,。通過計算可知,，該截面的速度標準偏差Cv值為9.34%，達到了技術(shù)參數(shù)的指標要求,。

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)生化學反應,。其中,，入射角最大變化為±8.7℃，達到了技術(shù)參數(shù)的指標要求,。

圖6給出了SCR脫硝反應器內(nèi)第一層催化劑上游游氨濃度分布圖,。通過計算可知，該截面的氨濃度標準偏差為4.15%,，達到了技術(shù)參數(shù)的指標要求,。

圖7給出了第一層催化劑上游的溫度分布圖。通過計算可知,，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均勻，溫度分布的最大偏差為±2.6℃,，達到了技術(shù)參數(shù)的指標要求,。

煙氣流經(jīng)轉(zhuǎn)彎段、漸擴段和漸縮段等煙道時會產(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,，為同時實現(xiàn)高效率和低壓損,，通過優(yōu)化設(shè)計導流裝置和整流裝置的形式和布置方式，使煙氣流動平穩(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,，達到了技術(shù)參數(shù)的指標要求。