低濃度瓦斯燃氣內燃發電機組煙氣脫硝裝置優化設計研究

更新時間：2020-07-15 15:24 來源：能源與節能作者: 閱讀：2507

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燃發電機組排放NOx污染物的特點，對其煙氣脫硝系統進行優化設計研究。研究結果表明，根據煙氣排放的測試數據，采用SCR（選擇性催化還原）脫硝技術控制低濃度瓦斯內燃機發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化設計研究。

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

近年來，國內的低濃度瓦斯（體積分數約10%左右）更多是應用于發電行業，從而實現其資源化利用。如果瓦斯不加以利用直接排放到大氣中，其引發的溫室效應是CO2的數倍。因此，瓦斯發電既可以有效地解決瓦斯事故、改善安全生產條件，又有利于增加潔凈能源供應、減少溫室氣體排放，實現保護生命、保護資源、保護環境的多重目標。

在低濃度瓦斯發電的燃燒利用過程中，產生的污染物主要是大量的NO和少量的NO2等。鑒于瓦斯內燃發電設備的特點，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，低濃度瓦斯燃氣內燃發電機組的煙氣治理也顯得十分必要。基于此，針對瓦斯發電燃燒利用過程排放的NOx進行煙氣脫硝系統的優化設計研究。

A公司三期（低濃）工程以煤業井下抽放的低濃度瓦斯為燃料，采用燃氣內燃機發電機組。礦井日抽放低濃度瓦斯1.0×105Nm3，抽放瓦斯體積分數為9%～30%，平均12%左右。工程總裝機容量為16.5MW，其中，燃氣內燃發電機組裝機容量為15MW，凝汽式汽輪發電機組裝機容量為1.5MW。低濃度瓦斯發電機組尾氣排放數據：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的體積分數為11%�；趪噎h保排放標準，以該工程為例對低濃度瓦斯燃氣內燃發電機組煙氣脫硝系統的優化設計進行了研究。

01煙氣脫硝方案的確定

低濃度瓦斯發電是內燃機利用瓦斯在氣缸內燃燒，所產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電內燃機組產生高溫煙氣進行了測量，其質量濃度為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治理NOx，需要對內燃機進行較大技術改造，且實施技術難度較大，成本較高。如果采用燃燒后控制技術，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脫硝技術適用于低濃度瓦斯燃氣內燃發電機組煙氣脫硝項目。

圖1給出了煙氣SCR脫硝系統圖。尿素還原劑供給系統（SCR還原劑采用尿素）、噴槍系統、SCR反應器（含2層蜂窩狀催化劑）、電氣控制系統和煙道等共同組成了低濃度瓦斯燃氣內燃發電機組煙氣脫硝系統。

高溫煙氣從低濃度瓦斯內燃機排出后進入到SCR脫硝裝置內，尿素溶液通過霧化噴嘴噴入煙道內，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，考慮在煙道內設計混合器�；旌虾髿怏w在SCR反應器催化劑的作用下發生還原反應，實現NOx的高效脫除。尿素噴射量則根據檢測控制系統反饋出來的煙氣流量和NOx含量決定。

02煙氣脫硝系統關鍵技術參數

尿素還原劑制備系統按三期（低濃）工程一臺9t/h余熱鍋爐設計。還原劑制備車間布置在三期工程場地內，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，還原劑制備工藝為尿素熱解法，催化劑為國產中溫型蜂窩式催化劑，催化劑水平布置，脫硝裝置進口NOx質量濃度（運行工況）為1165～1630mg/Nm3（5%O2），脫硝裝置進口NOx質量濃度為611.25mg/Nm3（15%O2），脫硝裝置出口NOx質量濃度＜50mg/Nm3（15%O2，全部折算到NO2），脫硝裝置設計效率≥92%。

03煙氣脫硝裝置優化設計研究

為了保證高脫硝效率，采用數值模擬的方法對其煙氣脫硝裝置進行了優化設計研究。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燃機煙氣排口開始，包括系統入口煙道、導流板、SCR反應器、出口煙道等，通過脫硝系統的優化設計研究保證系統的高效性。

首先確定研究目的，然后根據脫硝裝置的初始設計方案建立數學模型，假定邊界條件，最后進行優化設計研究。研究目的是，通過對不同工況下煙氣流場分布特性的研究，依據關鍵的技術參數（速度分布、溫度、NOx/NH3以及系統壓降等），通過優化設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壓損。

圖3給出了低濃度瓦斯內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，可以充分利用催化劑實現高效脫硝反應，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%，達到了技術參數的指標要求。

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生化學反應。其中，入射角最大變化為±8.7℃，達到了技術參數的指標要求。

圖6給出了SCR脫硝反應器內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%，達到了技術參數的指標要求。

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℃，達到了技術參數的指標要求。

煙氣流經轉彎段、漸擴段和漸縮段等煙道時會產生渦流、加速或減速等引起能量損失，從而造成壓力損失。所以，為同時實現高效率和低壓損，通過優化設計導流裝置和整流裝置的形式和布置方式，使煙氣流動平穩過渡，分布均勻，避免產生渦流。圖8為SCR脫硝系統的壓力分布云圖，加裝脫硝系統（包括催化劑）后阻力為613Pa，達到了技術參數的指標要求。