燃煤鍋爐煙氣脫硝技術的研發與應用
摘 要：選擇性催化還原技術是燃煤鍋爐最有效的煙氣脫硝技術，NH3/NOx混合效果是該技術工程設計時遇到的難點之一。OI2-SCR技術在“主動利用不均”理念的指導下，開發了關于噴氨格柵的專利技術，其特點是：針對NOx在催化劑表層的不均勻特性，有計劃、有步驟地控制不同區域的噴氨量，實現不同區域不同的NH3/NOx摩爾比，從而充分發揮有限體積的催化劑的性能，在較小氨逃逸率前提下，實現較高的脫硝效率。
關鍵詞：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、誘發光化學煙霧、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，國家環保總局統計數據顯示，2004年我國燃煤鍋爐NOx排放量為665.7萬噸[1]，預計到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、法規和政策，促使我國必須加快火電機組煙氣脫硝設施的建設。然而，我國脫硝工程商業建設起步較晚，為了擺脫目前脫硝市場對國外技術與設備的依賴，江蘇蘇源環保工程股份有限公司（以下簡稱“蘇源環保公司”）運用原始創新、集成創新和引進、消化、再創新相結合的方法，開發出具有精準優化（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技術，簡稱“OI2-SCR煙氣脫硝技術”。目前，該技術已經通過江蘇省科技廳鑒定，依托該技術工藝包建設的國華太倉發電有限公司（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，順利實現同步發電、同步脫硫與同步脫硝的目標，從而創下我國新建大型火電機組“三同步”的歷史記錄，同時標志著我國真正擁有自主知識產權的煙氣脫硝技術。
1. 工程簡介
蘇源環保公司為國華太電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器之間，脫硝裝置的設計效率≥90%，SO2的氧化率<1.0%，氨逃逸率小于3×10-6，脫硝設備與對應的主機壽命一致，設計壽命為30年，系統可用率≥95%[2]。脫硝反應劑采用外購液氨，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生還原反應，生成無害的N2和H2O，處理后的煙氣進入空氣預熱器。設計范圍主要包括氨系統、SCR系統、反應器支撐框架、空預器的改造、引風機的改造、煙道的改造設計、爐后鋼架的改造設計。
2. OI2-SCR核心技術研發
SCR煙氣脫硝技術包括催化劑、SCR反應器、氨儲存系統、噴氨系統、連接煙道設計、導流板設計、以及對鍋爐及其輔助設備的改造等，其中，催化劑是為核心技術之一。目前，蘇源環保公司的OI2-SCR核心技術的催化劑仍處于小試階段，其他技術則已完成了研發和工程應用。OI2-SCR煙氣脫硝技術的研發內容主要包括系統配置模型、關鍵參數優化模型、系統關鍵點CAE/CAD分析和系統仿真等[3]。本文將針對SCR煙氣脫硝領域的難點之一（NOx/NH3混合），以OI2思想為指導，提出主動利用不均的理念，并在該理念的指導下進行技術開發，最終應用于工程。
2.1 脫硝效率的影響因素
當前脫硝效率是衡量SCR裝置性能的重要指標，它與SCR裝置的造價成本等密切相關（見圖1）。國華太電SCR煙氣脫硝系統設計的脫硝效率為90%，這對的系統設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。為了防止空氣預熱器的積灰堵塞與腐蝕，國華太電設計的氨逃逸率很低（低于3×10-6）；②SCR反應器入口煙氣流的分布狀態。SCR反應器入口煙氣流的分布狀態需要通過合理的煙道設計來調整；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。
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| 圖1 脫硝效率、氨逃逸率與催化劑體積的制約關系 |
2.2 氨的分布
氨的分布對SCR系統運行的最佳性能非常重要。假設煙氣流為理想均勻分布，則氨分布不均是造成SCR系統性能差的常見原因，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，即某些區域過量，會導致氨逃逸率升高；相反，會導致反應區域脫硝效果差。
當脫硝效率較高時，如果氨分布稍有不均，就會出現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，那么應經常更換催化劑。實際上，即使分布不均程度較輕，氨逃逸峰值也足以引發問題。這是因為脫硝效率較高時，如果系統沒有調節氨分布不均的能力，當部分煙氣含氨量超過NOx反應量時，多余的氨流經系統時就會逃逸[4]。
2.3 OI2思想下NOx/NH3混合的理念。
假設氨為理想均勻分布，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反應器入口煙氣流處理到均勻分布的狀態；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。如德國巴克•杜爾公司提出的“三角翼”專利技術，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，增加了系統的阻力和SCR裝置的造價成本，而且容易受國外知識產權的制約。所以在實際工程應用中，需要探尋一種更加經濟的、適合我國國情的方式來實現較好的NOx/NH3混合效果。
在此背景下，蘇源環保公司充分發揮OI2研發、設計和項目管理三大平臺平行開發的經驗[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域的噴氨量，實現不同區域不同的NOx/NH3配比。為了充分實現該理念，蘇源環保公司開發了專利技術“噴氨格柵”，并依托國華太電煙氣脫硝工程，實現高效率、低成本的SCR裝置。
3. SCR系統的優化設計
OI2-SCR系統設計的主要內容包括：基于經驗的初步設計（包括SCR反應器及連接煙道[3]、導流板等設計）、計算機模擬、基于計算機模擬結果的優化設計、噴氨格柵(AIG)設計等，見圖2。其中計算機模擬和初步設計是不斷調整和優化的完善過程。
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| 圖2 OI2-SCR系統設計流程 |
3.1 NOx濃度數值模擬
國華太電SCR裝置布置于鍋爐省煤器與空預器之間，煙氣溫度較高，常規的冷態試驗模型雖可依據相似原理獲取一定準則數相同下的煙氣速度分布規律，但對氨的擴散和分布以及噴氨格柵數量巨大的噴嘴與下游催化劑上方氨分布的對應關系卻無能為力。本研究采用有限體積法對SCR反應器及其連接煙道內的流體流動及氨擴散過程進行數值模擬，揭示了其內部流動規律并給出一系列的定性定量分析結果，同時結合現場測試結果，對數值計算結果進行驗證和修正，建立SCR反應器及其連接煙道的設計理論和方法[5, 6]。
通過改進煙道形狀、布置及加設導流葉片等措施，使得第一層催化劑上表面NOx濃度標準偏差(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濃度標準偏差都保持在8%以內。
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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（標準偏差=3.88） |
3.2 噴氨格柵設計
OI2-SCR技術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律，以此為基礎進行優化設計。針對國華太電煙氣脫硝工程設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域，每個控制區域由一定數量的噴氨管道組成，并設有閥門控制對應區域的流量，以匹配煙道截面各處NOx分布的不均衡。該技術的實施，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。
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| 圖4 噴氨格柵實物圖 |
4. SCR系統的調試和運行
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%，后經初步調試，脫硝效率達到80%。氨逃逸率則一直控制在1.2×10-6以內。目前正進行AIG精調。
4.1 調試背景
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，調整甲側SCR反應器的噴氨控制閥，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SCR反應器第一層催化劑上側和第二層催化劑下側兩個斷面分布的測點，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。
4.2 調試結果
| 表1 第一層催化劑上側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NOx 濃度峰值出現在點C5、C6附近的I區，以及K4、K5為核心的II區。
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在對AIG進行粗調后（相當于均勻噴氨），第二層催化劑下側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。
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以I、II區域為核心，增加10~15%的噴氨量（其他區域維持不變），開始AIG精調試驗，其效果如圖7。可見，在增加噴氨量后，原來的峰值區變成了谷值區。這時第二層催化劑下側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的精調試驗和運行工作正在進行中，可以預見，在AIG精調工作完成后，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，其反應器進口段空間十分有限，蘇源環保公司采用自主知識產權的OI2-SCR煙氣脫硝技術，主動利用不均理念下開發了專利技術“噴氨格柵”，在有限體積催化劑和較小氨逃逸率前提下，實現了較高的脫硝效率。在此基礎上，優化了SCR裝置的設計方法，充分體現了自主OI2-SCR煙氣脫硝核心技術的競爭優勢。該技術的成功開發及應用為我國大型火電煙氣脫硝技術自主化、裝備國產化探索了一條有效途徑。
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