通訊作者：莊燁(1969—)，男，上海人，國家千人計劃專家，博士，主要研究方向為環(huán)境工程與科學，E-mail：zhuangy@lyhb.cn

火電廠NOx“超低排放”技術(shù)探索與展望

褚玥，莊燁，劉科偉，松鵬，張東輝，楊建輝

(北京國電龍源環(huán)保工程有限公司， 北京100039)

摘要：火電行業(yè)是NOx等大氣污染物減排的重點行業(yè)，通過爐內(nèi)低氮燃燒結(jié)合尾部煙氣脫硝技術(shù)對NOx排放進行控制，是實現(xiàn)“超低排放”的可行路徑。對選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)進行改進，包括催化劑熱態(tài)活性評價、冷態(tài)流場和濃度場模型試驗以及全SCR脫硝系統(tǒng)的計算流體力學(CFD)模擬等。通過對現(xiàn)有催化劑全反應器尺度的數(shù)值模擬，認為脫硝系統(tǒng)要達到“超低排放”(NOx低于50 mg/m3)，SCR入口NOx濃度上限為200 mg/m3。脫硝效率的主要影響因素包括催化劑活性、流場和濃度場均勻度、氣體與催化劑間的氣-固相傳質(zhì)速率，其中氣-固相傳質(zhì)速率是整個脫硝過程的決速步驟，是下一步研究工作關(guān)注的重點。

關(guān)鍵詞：火電廠；煙氣脫硝；超低排放

作者簡介：褚玥(1987—)，女，河南人，工程師，博士，主要研究方向為化學工程與技術(shù)，E-mail：chuy@lyhb.cn

中圖分類號：X701

收稿日期：2015-05-13

基金項目：江蘇省環(huán)保科研課題(2014037)

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.006

NOx是大氣主要污染物，不僅危害人體健康，還會造成多種二次污染。據(jù)統(tǒng)計，我國NOx排放量高達2 200萬噸/年，為世界第一大NOx排放國[1-3]?；痣姀S、機動車和工業(yè)鍋爐是NOx的主要來源，其中火電廠排放量占NOx排放總量的46%。因此，進一步降低煙氣中NOx的濃度，對于控制NOx的排放具有重要意義。國家也在逐步推出更為嚴格的排放標準，以推動火電脫硝行業(yè)的發(fā)展。2012年開始實施的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)規(guī)定，重點地區(qū)NOx特別排放限值為100 mg/m3。與此同時，江浙地區(qū)已提出了比國家標準更加嚴格的地方排放標準。在如此嚴峻的環(huán)保形勢下，火電廠“超低排放”的概念應運而生。國家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》(發(fā)改能源[2014]2093號)中提出，NOx“超低排放”限值為50 mg/m3。

選擇性催化還原脫硝(SCR)技術(shù)是目前世界上煙氣脫硝效率最高、應用最多、最為成熟的尾部煙氣脫硝技術(shù)。在對該技術(shù)進行優(yōu)化和改進的基礎上，與爐內(nèi)低氮燃燒相結(jié)合，是實現(xiàn)“超低排放”的可行路徑[4-6]。SCR中多使用V2O5-WO3/TiO2催化劑，催化劑的活性是決定脫硝效率的關(guān)鍵因素。此外，NH3等反應物分布的均勻性、反應物與催化劑的質(zhì)量傳遞等，也會對NOx的脫除造成影響，而這些又與速度場的分布情況密切相關(guān)。因此，為對已有SCR技術(shù)進行改進，以滿足“超低排放”，在催化劑熱態(tài)活性評價、流場和濃度場模型試驗以及全SCR脫硝系統(tǒng)的計算流體力學模擬等方面進行了研究，并通過全反應器尺度的數(shù)值模擬，對NOx“超低排放”研究中的關(guān)鍵問題，如進口濃度上限和決速步驟等做出初步判斷。

1SCR技術(shù)創(chuàng)新探索

高活性的催化劑、流場和濃度場的均勻分布等是SCR技術(shù)中決定NOx脫除效率的關(guān)鍵因素，為了達到“超低排放”要求，在實驗室規(guī)模的SCR小試熱態(tài)試驗、冷態(tài)模型試驗和SCR系統(tǒng)的CFD模擬等方面進行了探索，對不同實驗條件下催化劑的脫硝活性進行了評價，并對煙道結(jié)構(gòu)、導流構(gòu)件和渦流混合器的設計進行了優(yōu)化，提高了催化劑入口截面速度場和濃度場的均勻性。

1.1　SCR小試熱態(tài)實驗

高活性的SCR催化劑是實現(xiàn)“超低排放”的基礎。由于在實際生產(chǎn)中，總體脫硝效率還受到流場、溫度場、濃度場分布等的影響，在實驗室搭建了小型熱態(tài)催化活性評價實驗平臺，用于催化劑本征催化性能的測試和新催化劑的開發(fā)。該小試實驗平臺由供氣、汽化和反應3部分組成。使用質(zhì)量流量計控制流量，汽化部分提供定量的水蒸氣進料，反應器內(nèi)可放置3孔×3孔×30 cm的蜂窩狀催化劑。由于反應器尺寸較小，且在供氣部分設置有氣體混合器，可認為在催化劑進口處的流場和氨氮比均勻。

(t=350℃，p=101 325 Pa，NH 3/NO=0.8， w NO-in=210 mg/m 3，w O 2 =2%，w H 2O =10%) 圖1　不同體積空速下出口NO x含量 Fig.1　Concentration of NO x at SCR outlet under different GHSVs

為測試現(xiàn)有V2O5-WO3/TiO2催化劑實現(xiàn)NOx“超低排放”的可能性，進行了一系列不同煙氣量條件下的脫硝實驗。實驗結(jié)果如圖1所示。在小試實驗規(guī)模、催化劑進口截面速度場和濃度場均勻的前提下，當入口的NOx含量為210 mg/m3、氨氮摩爾比為0.8時，若進料煙氣的體積空速低于10 800 h-1，出口煙氣即可達到NOx含量低于50 mg/m3的“超低排放”標準。在實際生產(chǎn)過程中，煙氣的體積空速通常在8 000 h-1左右，那么按照催化劑熱態(tài)實驗的結(jié)果，應該可以達到“超低排放”的要求。

1.2　冷態(tài)模型試驗

SCR脫硝系統(tǒng)具有設備尺寸大、煙道布置局限性大的特點，幾乎每套脫硝系統(tǒng)的煙道形狀都不同，而這些不同對于速度場和濃度場的均勻性又有顯著影響。為優(yōu)化工程設計，實現(xiàn)高精度的流場均勻分布與反應物的均勻混合，針對每個SCR脫硝工業(yè)項目都搭建了1∶10的冷態(tài)模型，該模型使用探針測定法測量氣體的三維流場，并在流場斷面抽取樣品氣，測定示蹤氣體含量，以計算濃度場的均勻度。

根據(jù)流場測定結(jié)果，可對速度場的分布進行優(yōu)化。優(yōu)化步驟一直進行到流場斷面不均勻性測定結(jié)果滿足設計要求即可。濃度場分布的優(yōu)化主要通過優(yōu)化渦流混合器的圓盤直徑、位置和布置方式，以及調(diào)整噴氨管的流量。根據(jù)濃度場不均勻度測定結(jié)果，對渦流混合器進行優(yōu)化，一直到濃度不均勻性達到設計指標為止。對于長寬比較大的煙道，通常采用單排渦流混合器；而對于長寬比較小的煙道，可通過設置雙排渦流混合器，以得到更佳的濃度分布效果。對于雙排渦流混合器，可通過對渦流盤的角度、位置、形狀、噴嘴流量分配等因素進行調(diào)節(jié)，最終獲得理想的均勻度。圖2對優(yōu)化前后的濃度場均勻性進行了比較，可以明顯看出，優(yōu)化后催化劑入口截面上的示蹤氣體濃度更加均勻，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果為：優(yōu)化前不均勻度為31.06，而優(yōu)化后為7.73，均勻分布的反應物有利于脫硝反應穩(wěn)定、高效進行。

圖2　使用雙排渦流混合器時催化劑入口截面濃度分布圖 Fig.2　Distribution of the tracer concentration with double lines vortex mixer: a) before optimization; b) after optimization

1.3　脫硝系統(tǒng)流場CFD研究

在模型試驗的基礎上，通過計算流體力學(CFD)的方法對SCR脫硝系統(tǒng)的煙道結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，對煙氣在煙道各部位的流動、發(fā)展和相互摻混的過程進行研究，尤其是對渦流混合器對流場和氨分布混合的效果進行考察，可以對煙道結(jié)構(gòu)、導流設施和渦流混合器實施有針對性的優(yōu)化設計，以達到適合催化劑安全、高效、穩(wěn)定反應的目的[7-8]。對煙氣流動情況的描述通常通過3個不同截面上的流場分布展開，脫硝系統(tǒng)中截面為縱向考察截面。另外，第一、二層催化劑入口斷面上的速度場和濃度場均勻性也需要重點考察。

圖3　煙氣流線分布圖 Fig.3　Stream lines of the flue gas in the SCR system

優(yōu)化前優(yōu)化后速度分布速度均值/(m/s)4.404.40方差/(m/s)0.030.03不均勻性0.68%<5%0.66%<5%氨濃度分布氨平均濃度/(mol/m3)2.04×10-42.04×10-4方差/(mol/m3)3.20×10-58.99×10-6不均勻性15.97%>5%4.41%<5%煙氣入射角最小角度0.23°0.19°平均角度3.78°3.99°最大角度4.86°<10°5.26°<10°

注：上述結(jié)果在BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量) 100%、三層催化劑的條件下得到。

圖3為某脫硝裝置的煙氣流線圖。可以看出，催化劑的入口截面上，速度場比較均勻；在渦流混合器部分，煙氣流速較高，且存在強烈湍動，使射流混合物被高速煙氣攜帶、卷吸并進行摻混。表1為優(yōu)化前后的統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，對原有設計的改進顯著提高了氨濃度分布的不均勻度。

2NOx“超低排放”技術(shù)展望

火電廠NOx“超低排放”概念的提出，對脫硝技術(shù)的發(fā)展提出了更高要求。催化劑的活性、速度場和濃度場的均勻性、反應物與催化劑的氣固傳質(zhì)速率等會影響總體的脫硝效率，同時，脫硝系統(tǒng)進口的NOx濃度對能否達到“超低排放”也起到?jīng)Q定作用，而在多種影響脫硝效率的因素中，可能存在某種決速步驟，需要將其作為未來研發(fā)工作進行的重點，這是目前迫切需要解決的問題。通過對脫硝反應器進行熱態(tài)數(shù)值模擬，對脫硝裝置進口的濃度上限和決速步驟的問題進行討論。

(t=420℃，p=101325 Pa，NH 3/NO=0.8，w O 2 =2%， w H 2O =10%，GHSV=7200 h -1) 圖4　反應器模擬得到不同入口NO x含量時 的出口濃度及脫硝效率 Fig.4　Exit concentration of NO x and the denitration efficiency at different concentration inlet

2.1　進口NO x濃度上限

在催化劑熱態(tài)小試實驗和計算流體力學模擬的基礎上，建立了脫硝反應器的數(shù)學模型，用擴散-對流方程對各種物質(zhì)進行質(zhì)量衡算，N-S方程進行總體動量衡算，方程組用有限元法進行數(shù)值求解。給定不同的進口NOx濃度，可以計算得到反應器出口的NOx濃度以及脫硝效率，如圖4所示。根據(jù)現(xiàn)有模擬結(jié)果，當脫硝效率為75%左右時，為保證脫硝裝置出口NOx濃度低于50 mg/m3，其入口NOx濃度不能高于200 mg/m3。這就需要開發(fā)新型低氮燃燒技術(shù)，最大程度上降低鍋爐出口煙氣中NOx的濃度，以減輕下游SCR催化劑的脫硝壓力。

2.2　脫硝過程決速步驟

影響脫硝系統(tǒng)效率的3個主要因素為：催化劑本征活性、速度場和濃度場的均勻性、氣相主體與催化劑的氣-固相間傳質(zhì)速率。在前期工作中，針對前兩個因素已進行了相關(guān)研究，得到了較高催化活性的催化劑，并通過設計優(yōu)化，使催化劑入口截面的速度場和濃度場均勻性滿足一定指標。在此基礎上，通過對脫硝反應器的數(shù)值模擬，對影響脫硝效率的決速步驟進行了分析。

在保證催化劑本征脫硝活性不變的前提下，擬采用填充床的反應器形式，假定流動形式為理想的平推流。NO濃度隨反應器長度變化情況如圖5所示?？梢钥闯觯瑑H需很短的催化劑段(<0.1 m)，即可實現(xiàn)NOx的幾乎完全脫除。說明在良好的傳質(zhì)條件下，現(xiàn)有催化劑的本征活性已足夠高，即催化劑的本征脫硝活性不是影響最終脫硝效果的決速步驟。

圖5　平推流固定床反應器中NO濃度隨 反應器長度變化情況 Fig.5　The change of NO concentration versus the length of plug-flow packed bed reactor

在模擬過程中，取定速度場和濃度場均勻，在此前提下，氣-固相之間的接觸和傳質(zhì)是脫硝過程的決速步驟。目前使用的催化劑為蜂窩狀催化劑，薄壁平行孔道結(jié)構(gòu)，氣體擴散到催化劑表面，與壁面接觸并發(fā)生化學反應，再擴散到氣相主體[9-10]。要對氣固相間的傳質(zhì)進行強化，主要途徑有兩條：一是提高對流傳質(zhì)系數(shù)；二是增大傳質(zhì)面積。傳質(zhì)系數(shù)與流體的物理性質(zhì)、傳質(zhì)表面的形狀和布置，以及流動狀態(tài)、流動產(chǎn)生原因等密切相關(guān)。在煙氣溫度、氣速、催化劑孔道結(jié)構(gòu)一定的情況下，傳質(zhì)系數(shù)可提高的空間不大。

氣-固相的傳質(zhì)面積與催化劑類型密切相關(guān)，與填充床相比較，單位體積的蜂窩狀催化劑中的傳質(zhì)面積明顯較小。在以后的工作中，可以考慮改變催化劑的結(jié)構(gòu)來強化傳質(zhì)。例如，殼牌脫硝系統(tǒng)(SDS)中使用側(cè)流式反應器(LFR)，其中催化劑顆粒包含在氣道之間的薄層內(nèi)，煙道廢氣經(jīng)側(cè)向推動從催化劑層中流過，可以有效地使氣體和催化劑充分接觸，從而提高脫硝效率。

3總結(jié)

爐內(nèi)低氮燃燒結(jié)合尾部選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術(shù)，是實現(xiàn)火電廠NOx“超低排放”的可行路徑。在前期工作中，搭建了小型熱態(tài)催化活性評價實驗平臺，用于高活性的脫硝催化劑開發(fā)和評價工作；針對不同的脫硝系統(tǒng)建設相應的冷態(tài)模型試驗臺，對其速度場和濃度場均勻性進行測量，并使用計算流體力學的方式，對整個脫硝系統(tǒng)的流場進行模擬，在其基礎上進行煙道結(jié)構(gòu)、導流元件和渦流混合器設計的優(yōu)化，以保證反應物和催化劑均勻接觸。在這些工作的基礎上，通過對脫硝反應器的熱態(tài)數(shù)值模擬，確定了滿足“超低排放”要求的進口濃度上限，并通過對不同氣固接觸方式下的脫硝效率比較，分析認為，氣體與催化劑間的質(zhì)量傳遞是整個脫硝過程的決速步驟，為SCR技術(shù)的進一步改進指明了方向。

參考文獻(References)：

[1]朱林, 吳碧君, 段玖祥. SCR煙氣脫硝催化劑生產(chǎn)與應用現(xiàn)狀[J]. 中國電力, 2009, 42(8): 61-64.

[2]燕中凱, 劉媛, 尚光旭. 火電廠脫硝技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)與市場發(fā)展預測[J]. 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2011(5): 40-49.

[3]董曉紅, 倪允之. 火電廠煙氣脫硝技術(shù)探討[J]. 內(nèi)蒙古環(huán)境科學, 2008, 20(1): 38-44.

[4]李海濱. 低氮燃燒結(jié)合SCR脫硝方案論證分析[J]. 熱力發(fā)電, 2013, 42(6): 17-20.

[5]馬永杰, 滕守祥. 低氮燃燒與SCR脫硝技術(shù)相結(jié)合的改造[J]. 電力安全技術(shù), 2014, 16(4): 31-36.

[6]張林. “低氮燃燒+SCR”技術(shù)在燃煤鍋爐煙氣脫硝中的應用[J]. 科技信息, 2012(12): 370-371.

[7]楊超, 張杰群, 郭婷婷. SCR 煙氣脫硝裝置煙氣流場數(shù)值模擬[J]. 東北電力大學學報, 2012, 32(1): 66-70.

[8]郭婷婷, 劉漢強, 楊勇平. 基于數(shù)值模擬的1000 MW 燃煤機組SCR脫硝系統(tǒng)設計[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2010, 26(5): 61-64.

[9]Akbar Zamaniyan, Yadollah Mortazavi, Abbas Ali Khodahadi,etal. Effect of mass transfer limitations on catalyst performance during reduction and carburization of iron based Fischer-Tropsch synthesis catalysts[J]. Journal of Energy Chemistry, 2013, 22(5): 795-803.

[10]Pranit S Metkar, Vemuri Balakotaiah, Michael P Harold. Experimental study of mass transfer limitations in Fe-and Cu-zeolite-based NH3-SCR monolithic catalysts[J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(21): 5192-5203. Zamaniyan, Yadollah Mortazavi, Abbas Ali Khodahadi,etal. Effect of mass transfer limitations on catalyst performance during reduction and carburization of iron based Fischer-Tropsch synthesis catalysts[J]. Journal of Energy Chemistry, 2013, 22(5): 795-803.

[10]Pranit S Metkar, Vemuri Balakotaiah, Michael P Harold. Experimental study of mass transfer limitations in Fe-and Cu-zeolite-based NH3-SCR monolithic catalysts[J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(21): 5192-5203.

Perspective of NOx“Ultra-clean Emission” from Coal-fired Power Plants

CHU Yue, ZHUANG Ye, LIU Ke-wei, SONG Peng, ZHANG Dong-hui, YANG Jian-hui

(Beijing Guodian Longyuan Environmental Engineering Co., Ltd., Beijing 100039, China)

Abstract:Since coal-fired power plant is the largest source of anthropogenic emissions of NOx, much attention has been paid to the flue gas denitration technology. Low-NOx combustion combined with denitration of the flue gas is the possible way to reach the “ultra clean emission” standard. In this article the research results including catalyst with high denitration activity, optimization of the duct structure to improve the uniformity of gas velocity and concentration by model experiment, the numerical simulation of the whole system by computational fluid dynamics were introduced. Then a hot model of the reactor was established and by the simulation results, the maximum concentration of NOx in the entrance was considered to be 200 mg/m3, and that the denitration efficiency was largely decided by the rate of mass transfer between the gas and the catalyst.

Key words: coal-fired power plant; flue gas denitration; ultra-clean emission