SCR反應器短直進口段混氨技術研究
NH3/NOx 混合效果是SCR工程中的難點之一，OI2-SCR技術根據流場適應型設計理論設計了噴氨裝置；以“主動利用不均”代替傳統的“單一尺度的平均化”的理念進行噴氨操作，在SCR反應器短直進口段內實現了良好的NH3/NOx混合效果，進而解決了改造工程中常見的空間制約問題。同時，充分發揮有限體積的催化劑的效能，在較低氨逃逸率前提下，實現了較高的脫硝效率。該技術的成功開發及應用為我國大型火電廠煙氣脫硝技術自主化、裝備國產化探索了一條有效途徑。
引言
選擇性催化還原技術(Selective Catalytic Reduction, SCR)是最有效的火電廠煙氣脫硝技術，該技術的基本原理是在催化劑作用下，以NH3等作為還原劑，將煙氣中的NOx還原生成N2和H2O。其主要化學反應為[1]：
4NO+4NH3+O2→4N2 +6H2O
火電廠SCR煙氣脫硝技術經歷了30多年的研發與工程實踐已發展成熟，日本、德國、美國等相繼在火電廠安裝了SCR裝置，而我國在SCR煙氣脫硝技術應用方面剛剛起步。國華太倉發電有限公司（以下簡稱“國華太電”）2×600MW機組依托江蘇蘇源環保工程股份有限公司（以下簡稱“蘇源環保”）OI2-SCR技術，實現了我國第一個擁有自主知識產權的SCR脫硝工程[2,3]。該工程為已建機組改造工程，設計范圍主要包括液氨儲存及供應系統、脫硝反應系統和鍋爐主輔系統改造。脫硝裝置采用高塵布置方式，安裝在省煤器與空氣預熱器之間，裝置的設計脫硝效率≥90%，SO2的氧化率<1.0%，氨逃逸率小于3×10-6[4]。
根據煙氣中NOx的總量調節噴氨量，在較低氨逃逸率前提下，實現了較高的脫硝效率是SCR設計與運行中的難點之一。為了解決這個問題，蘇源環保公司在大尺度、短直SCR進口段內的混氨技術方面開展了大量的研究工作，本文將結合國華太電脫硝改造工程，介紹該工作的主要內容。
1、高效SCR裝置的設計要求
當前，脫硝市場要求提供的脫硝裝置有兩個重要指標：①高脫硝效率；②低投資成本。通常脫硝效率與催化劑的體積密切相關，而催化劑成本是脫硝裝置投資成本的重要組成部分，所以說，這兩個指標是互相制約的一對矛盾。正因為如此，充分發揮有限體積的催化劑的效能，在較低氨逃逸率前提下，實現了較高的脫硝效率成為SCR設計與運行中的重要課題[5]。
根據圖1可知，當催化劑的體積確定后，脫硝效率隨著NH3/NOX摩爾比的增加而增加，當NH3/NOX摩爾比達到0.95時，脫硝效率接近90%；當NH3/NOX摩爾比繼續增加時，脫硝效率增加趨于緩慢，直至95%，該值幾乎不再增加，也就是說，此時氨逃逸率迅速增加。
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圖1 脫硝效率、氨逃逸率與NH3/NOX摩爾比的函數關系[6]
圖1顯示的是相對理想狀態下的關系曲線，在實際工程中，與大型火電機組相匹配的SCR反應器的尺度通常很大，其進口段內的物理參數很難達到均勻，當脫硝裝置要求較高的脫硝效率時（如90%以上），氨逃逸率迅速增加的可能性大增[7]。而氨逃逸對SCR下游設備影響很大，工程上必須將該值控制在較低的范圍內[8,9]，這對大尺度SCR反應器進口段內的物理參數的設計提出了嚴格的要求。這些參數包括煙氣速度場、溫度場以及催化劑表面NH3/NOX的混合效果。
一般而言，經過簡單調整，煙氣速度場就能夠滿足要求。但如果考慮其對NH3/NOX的混合效果的影響，在噴氨截面上煙氣速度場的分布就較難滿足要求卻又非常關鍵。
當機組高負荷運行時，溫度場一般能夠滿足要求；在低負荷運行時，可以通過減少噴氨量、停止噴氨或者通過旁路煙道來避免較高的氨逃逸率。如果在低負荷工況下需要實現較高的脫硝效率，溫度場就很難滿足要求。
NH3/NOX的混合效果是SCR裝置設計和運行中的重點和難點，當裝置設計脫硝效率較高時，其難度更大。在噴氨前后采取適當的策略，都可以不同程度地提高NH3/NOX的混合效果。以較低代價實現良好的NH3/NOX的混合效果是混氨技術研究的主要目標。
2、混氨技術研究
2.1 混合距離、混合強度和噴氨點數量
液氨經過空氣稀釋后注入省煤器與SCR反應器的連接煙道內，與煙氣中NOX混合后進入SCR反應器進行催化還原反應。從噴氨截面至催化劑表層的距離稱為混合距離，它直接影響了布置在噴氨截面上的噴氨點數量[10]，其關系見圖2。圖中混合強度為在SCR反應器進口段內為NH3/NOX混合提供的條件，包括煙道布置、導流板和篩板設計、氨噴射系統設計和其他提高混合強度的策略等。由圖2可見，在同等的混合強度下，混合距離越小，單位面積內所需的噴氨點就越多；當混合距離遞減到一定程度時，所需的噴氨點數據迅速增加。在工程設計時，混合距離是根據SCR裝置的可用空間、煙道結構等來確定的，在已建機組進行脫硝改造的工程中，常常因為預留空間不足而影響混合距離的設計；混合強度則一般受系統壓降、煙道結構和設計理念限制；噴氨點數量則受設備成本和運行成本限制。為了在成本控制的條件下實現良好的NH3/NOX的混合效果，應當合理利用裝置的可用空間，盡量提高NH3/NOX的混合強度。
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圖2 噴氨點數量、混合距離與混合強度的關系
2.2 提高混合強度的策略
氨被噴入煙道后開始擴散，與煙氣中NOX發生混合，根據煙道的尺寸和煙氣的參數可以確定，煙道內流體的雷諾數遠大于4000，所以氨發生渦流擴散。在工程中，由于混合距離和噴氨點數量都受到限制，僅由氨擴散一般都不能滿足NH3/NOX的混合效果，需要采用一定的策略來提高混合強度，如靜態混合器、動態混合器和噴氨格柵(Ammonia Injection Grid, AIG)。靜態混合器需要足夠的混合距離，而且系統壓降較大，也不容易得到理想的效果[11,12]；動態混合器效果明顯，系統壓降略小，所需要的噴氨點少，但是也需要足夠的混合距離，而且該技術一般受國外知識產權保護，例如德國巴克•杜爾公司提出的“三角翼”專利技術；AIG則可以根據混合距離靈活調節噴氨點的數量，根據各單位NOX的濃度調節相應的NH3的濃度，因此該方法被廣泛應用。
蘇源環保公司以數值模擬為主要手段，開發了具有渦街強混功能的AIG技術，在此基礎上，以“主動利用不均”代替傳統的“單一尺度的平均化”的混氨理念，根據煙氣中NOX在不同空間位置的分布情況，有計劃、有步驟地控制不同小區內的噴氨量，在不同小區實現不同的NOX/NH3摩爾比，進而降低可能出現的局部氨逃逸峰值和較高的氨逃逸平均值。
2.3 OI2-SCR混氨技術
在普通噴氨格柵的基礎上，蘇源環保公司發明了一種具有防磨、渦街強混的噴氨裝置。該裝置能夠減輕噴氨格柵的磨損問題，并能在防磨擾流元件的下游形成穩定的渦街，由渦街的特性可知[13-16]，其存在可以促進NH3/NOX的混合。
根據噴氨格柵的結構，取兩個相鄰噴嘴作為單元進行數值模擬，氨隨著煙氣在噴嘴下游的有限空間進行湍流擴散，在有無渦街強混的條件下其擴散效果見圖3，其中，圖(a)為無擾流元件時，氨在噴嘴下游的擴散效果；圖(b)為有擾流元件時，氨在噴嘴下游的擴散效果。由圖3可知，在相同條件下，采用OI2-SCR噴氨格柵，其擴散效果大約是普通噴氨格柵的一倍；也就是說，公司專利技術利用渦街強混，只需1/2的距離就可以達到普通技術的混合效果。所以，該專利技術可以縮短混氨所需的從AIG 到催化劑表層的距離，為脫硝裝置節省了空間；相應地，如果是混合距離確定，那噴嘴的數量則可以相對減少。
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圖3 有無渦街強混的氨擴散效果
為了獲得較高的脫硝效率，傳統的理念是采取不同的措施，以期在整個煙道內實現NOX的均勻分布，然后實現氨的均勻分布，從而實現良好的NH3/NOX混合效果。蘇源環保公司將整個煙道截面被分成若干個控制小區，各小區布置若干根管子，每根管子上布置一定數量的噴嘴，各管內的氨流量可通過閥門單獨調節，以匹配各小區NOX的濃度分布。自主開發的噴氨技術更好地遵循了氨的流動軌跡及遷徙規律，實現了針對各區不同的NOX濃度來調節噴氨流量。這樣在煙道整流的設計（如導流板、篩板等）時，只需要以較小代價獲得相對均勻的煙氣流，就能達到較高的脫硝效率，同時減少了NH3/NOX的混合距離。該設計理念已應用于國華太電2×600MW機組脫硝裝置。
3、工程測試
國華太電SCR煙氣脫硝裝置于2006年處正式投入運行，該工程采用了具有渦街強混功能的AIG技術；在工程測試過程中，主動利用不均，對不同NOX濃度的小區噴入不同氨流量。
3.1 測試背景
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，調整SCR反應器的噴氨控制閥，使DCS顯示脫硝效率穩定在80%左右。在工況確認后，同時在鍋爐SCR反應器第一層催化劑上側（反應器入口）和第二層催化劑下側（反應器出口）兩個截面分布的測點，用網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。
3.2 測試結果
圖4為SCR反應器催化劑表層NOX濃度分布情況，其中圖(a)為根據現場測試結果得出的NOX濃度分布情況；而圖(b)為通過數值模擬的方法得到的NOX濃度分布情況。模型預測的NOX平均濃度為217×10-6，偏差系數Cv為3.88，為高效脫硝裝置提供了保障[17]；而實測的NOX平均濃度為223.3×10-6，偏差系數Cv為6.74，如果忽略邊界層的影響，只計算91.5%面積內NOX的濃度，則平均濃度為232.1×10-6，Cv為。根據模型預測和實測值的比較可以知道：在催化劑表層的平面內，邊界區域內NOX的略低于邊界濃度，而實測的NOX濃度梯度大于預測值，也就是說，模擬時采用的數學模型未能充分考慮邊界層的影響因素。由圖可見，除邊界層以外，NOX的濃度在其他區域也存在不同程度的峰谷差別，這是高效脫硝裝置設計和運行時需要重點考慮的問題。
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圖4 反應器入口NOX濃度分布
圖5為SCR裝置噴氨投運后，在第二層催化劑下面所測的NOX的濃度分布情況（國華太電脫硝反應器可布置三層催化劑，正常情況下安裝兩層催化劑，第三層為催化劑更換作預留）。
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圖5 反應器出口NOx濃度分布
首先控制噴氨流量的總閥門，而各噴嘴的閥門均保持同樣開度，當DCS顯示脫硝效率為80%時，在第二層催化劑下端所測NOX的濃度分布情況見圖(a)，這時NOX的平均濃度45.1×10-6，反應器的脫硝效率為79.8%，局部小區內NOX的濃度在60×10-6以上。這時，采用主動利用不均的噴氨理念，在濃度大于50×10-6的小區，根據氨的流動軌跡及遷徙規律，確定相應的噴嘴位置，調節其控制閥門，將噴氨量增加5~15%，這時在反應器出口NOX濃度分布見圖(b)，根據測試數據可以確定出口NOX平均濃度32.9，脫硝效率為85.3%，而此時局部小區NOX的最大濃度仍然達到49×10-6，如果對局部NOX濃度過大的小區繼續增加噴氨量，脫硝效率繼續提高。在測試過程中，氨逃逸率為控制在1.5×10-6的范圍內。
4、結論
1) 性能良好的SCR裝置需要將催化劑設計、系統設計和運行操作有機結合起來，統籌安排。對于改造工程而言，空間制約是普遍存在的問題，需要對省煤器與SCR反應器、SCR反應器與空氣預熱器的連接煙道進行優化設計。
2) 以數值模擬為基礎進行氨的流動軌跡及遷徙規律研究，以實測數據作為校正手段， 根據煙氣中NOX在不同空間位置的分布情況，主動利用不均，有計劃、有步驟地控制不同小區內的噴氨量，在不同小區實現不同的NOX/NH3摩爾比，進而降低可能出現的局部氨逃逸峰值，就能實現高脫硝效率和低逃逸率雙贏的目的。
3) OI2-SCR利用渦街強混原理開發的混氨技術，比傳統技術的NH3/NOX混合效果提高了一倍，為脫硝裝置節省了空間。
4) OI2-SCR技術通過設計和運行操作，實現了不均勻噴氨，充分發揮有限體積的催化劑的效能，在較低氨逃逸率前提下，實現了較高的脫硝效率。
參考文獻
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