梁 勇，郁鴻凌

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，氮氧化物的排放量迅速增加。因此，NOx被列入“十二五”總量控制指標(biāo)，燃煤電廠NOx排放的控制成為我國(guó)大氣污染控制領(lǐng)域研究的重要課題。國(guó)家環(huán)保部規(guī)定2014年7月1日起，現(xiàn)有火力發(fā)電燃煤鍋爐的氮氧化物（以NO2計(jì)）的排放限值為100 mg·m-3［1］。各電力集團(tuán)和發(fā)電公司積極響應(yīng)國(guó)家政策，在新建火電機(jī)組中同步建設(shè)了脫硝裝置，或?qū)σ呀C(jī)組逐步進(jìn)行脫硝改造。

目前國(guó)內(nèi)外比較成熟、應(yīng)用廣泛的煙氣脫硝技術(shù)有兩種：一是選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術(shù)；二是選擇性非催化還原（selective non-catalytic reduction，SNCR）技術(shù)。SNCR技術(shù)由于工藝簡(jiǎn)單，無(wú)催化劑系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)外有一定的工程應(yīng)用［2］。該技術(shù)對(duì)氮氧化物的去除率僅為25%～40%，適用于NOx原始濃度低、排放要求不高的場(chǎng)合。SNCR技術(shù)的缺點(diǎn)是氨逃逸率相對(duì)較高，容易引起空氣預(yù)熱器的堵塞和腐蝕，因此SCR技術(shù)在煙氣脫硝領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛［3］。SCR技術(shù)雖然是目前最高效、可靠的脫硝技術(shù)，但是隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，催化劑活性會(huì)有一定程度的降低，導(dǎo)致部分已投運(yùn)的機(jī)組出現(xiàn)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度偏差大、局部氨逃逸率過(guò)高的情況。系統(tǒng)如果長(zhǎng)期處于這樣的運(yùn)行狀況，會(huì)造成下游空預(yù)器硫酸氫銨堵塞，不利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文以某電廠3號(hào)機(jī)組煙氣脫硝工程為研究對(duì)象，提出了一種噴氨均勻性調(diào)整優(yōu)化試驗(yàn)方法，通過(guò)調(diào)節(jié)噴氨格柵支管上的手動(dòng)閥，使NH3和NOx的摩爾比維持在合理范圍內(nèi)，在催化劑的作用下，充分反應(yīng)，提高反應(yīng)器出口NOx均勻性，降低局部氨逃逸率。

1 SCR 技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 基本原理

SCR技術(shù)是指在有催化劑參與的情況下，在280～420 ℃范圍內(nèi)，通過(guò)還原劑NH3有選擇性地將煙氣中的NOx還原為無(wú)污染的氮?dú)夂退?，減少NOx的排放。常見(jiàn)的SCR催化劑多為V2O5-WO3-TiO2系催化劑［4］。SCR 反應(yīng)的基本原理為［5］

1.2 SCR 脫硝工藝流程

SCR脫硝工藝流程為：省煤器出口煙氣中的氮氧化物在SCR反應(yīng)器中與還原劑NH3混合并發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終以無(wú)污染的N2和H2O形態(tài)排出。圖1為典型的SCR脫硝工藝流程圖。

SCR脫硝的優(yōu)點(diǎn)為：因有催化劑參與，反應(yīng)溫度較低；脫硝效率高，可達(dá)80%以上；設(shè)備緊湊，運(yùn)行可靠，維護(hù)量較?。籗CR法具有獨(dú)立的反應(yīng)器，且位于爐膛之外，因而對(duì)爐膛影響較小，穩(wěn)定性和安全性較高。但也存在缺點(diǎn)：煙氣成分較為復(fù)雜，某些污染物可使催化劑中毒失效，降低催化劑壽命；煙氣中未反應(yīng)的氨與煙氣中的SO3和H2O會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，生成鼻涕狀的（NH4）2SO4和 NH4HSO4，粘結(jié)在脫硝下游空氣預(yù)熱器的冷端，造成空氣預(yù)熱器積灰堵塞，阻力增大及影響換熱效果。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)將造成較大的影響，降低氨的利用率［6-7］。

2 優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)方法

噴氨格柵主要分為三大類(lèi)。第一類(lèi)是配合渦流式靜態(tài)混合器使用的氨噴射技術(shù)，噴嘴個(gè)數(shù)和靜態(tài)混合器的片數(shù)相同，總量一般只有幾個(gè)，因此噴嘴直徑會(huì)很大。第二類(lèi)是線性控制式噴氨格柵，沿著煙道的兩個(gè)相互垂直的方向或者其中一個(gè)方向分別引若干根管子，每根管子上又設(shè)置若干噴嘴，每根管子的流量可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，以匹配煙氣中污染物的含量。第三類(lèi)是分區(qū)控制式噴氨格柵，一般把煙道截面分成20～30個(gè)大小相同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有若干噴射孔，每個(gè)分區(qū)的流量可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，以匹配煙氣中污染物的含量［8］。該電廠3號(hào)機(jī)組煙氣脫硝工程采用的是第三類(lèi)噴氨格柵，噴射系統(tǒng)設(shè)置一組流量調(diào)節(jié)閥，能根據(jù)煙氣中NOx濃度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。脫硝系統(tǒng)一般布置A、B兩個(gè)催化反應(yīng)器，分別處理由省煤器出來(lái)的兩路煙氣。

降低SCR脫硝系統(tǒng)的氨逃逸率的優(yōu)化調(diào)整方法的核心就是通過(guò)調(diào)整噴氨流量手動(dòng)控制閥，保持噴入脫硝系統(tǒng)的氨氣與煙氣中的NOx在脫硝反應(yīng)器內(nèi)每個(gè)區(qū)域維持一定的摩爾比。研究表明［9-10］，SCR脫硝反應(yīng)器注入氨的量一般為催化NOx反應(yīng)所需化學(xué)計(jì)量比的80%～90%。噴氨系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)方案流程如圖2所示。

圖2 噴氨系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)方案流程Fig.2 Test process of ammonia injection system optimization and adjustment

反應(yīng)器出口的NOx分布的均勻度定義為

式中：Cv為 某物理量的不均勻度； σ為某物理量的標(biāo)準(zhǔn)偏差；n為 取樣點(diǎn)數(shù)；xi為某物理量的值；為某物理量的平均值； ρ為大氣污染物基準(zhǔn)氧含量排放質(zhì)量濃度，mg·m-3； ρ′為實(shí)測(cè)的大氣污染物排放質(zhì)量濃度，mg·m-3；為基準(zhǔn)氧含量（體積分?jǐn)?shù)），%； φ′(O2)為實(shí)測(cè)氧含量（體積分?jǐn)?shù)），%。

2.1 試驗(yàn)所需儀器

采用便攜式紅外煙氣分析儀（Rosemount NGA2000）測(cè)量SCR反應(yīng)器進(jìn)、出口煙氣中的NOx含量；采用德國(guó)M&C氧量分析儀（PMA10）測(cè)量A、B反應(yīng)器進(jìn)、出口的煙氣氧含量分布；采用自動(dòng)煙氣測(cè)試儀（嶗應(yīng)3012H）將反應(yīng)器出口含NH3的煙氣從煙道中抽出，使NH3被吸收瓶中的H2SO4溶液充分吸收，反應(yīng)生成硫酸銨；采用FLUKE煙氣測(cè)溫儀測(cè)量反應(yīng)器進(jìn)口煙氣溫度分布；采用普析751紫外分光光度計(jì)測(cè)定吸收液中 N H+4離子的含量。

2.2 噴氨格柵測(cè)試

燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵（AIG）調(diào)整的目的是通過(guò)調(diào)整氨流量手動(dòng)控制閥，調(diào)整各個(gè)區(qū)域的流量，使NH3、NOx摩爾比均勻分布，確保在反應(yīng)器出口建立均勻、穩(wěn)定的NOx分布。SCR脫硝系統(tǒng)在維持較高脫硝效率的同時(shí)，保持最小的氨逃逸率和良好的可控性運(yùn)行。根據(jù)測(cè)試需要，在SCR脫硝反應(yīng)器的進(jìn)、出口都設(shè)置了采樣和測(cè)試點(diǎn)，如表1所示，其中：“O”表示設(shè)置；“-”表示不設(shè)置。SCR反應(yīng)器進(jìn)口的采樣點(diǎn)應(yīng)設(shè)在噴氨格柵上游，在橫截面上按網(wǎng)格法布置取樣點(diǎn)，用經(jīng)緯線將矩形管道分為若干面積相等的小矩形，各小矩形的對(duì)角線交點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

A、B反應(yīng)器進(jìn)口煙道截面煙氣溫度分布如表2所示，其平均溫度為354.8 ℃，分布不均勻度分別為1.6%、1.7%。煙道溫度分布較均勻，這對(duì)催化劑的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常有利。

表1 取樣和測(cè)試點(diǎn)Tab.1 Sampling and test points

由于各測(cè)點(diǎn)的煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)各不相同，因此原始的NOx質(zhì)量濃度分布測(cè)試數(shù)據(jù)不具備可比性。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要將NOx質(zhì)量濃度分布的原始測(cè)試數(shù)據(jù)折算到6%氧含量（體積分?jǐn)?shù)，下同）下進(jìn)行比較。A、B反應(yīng)器進(jìn)口煙道截面煙氣氧含量和折算到6%氧含量下的NOx質(zhì)量濃度分布測(cè)試數(shù)據(jù)分別如表3和表4所示。A、B反應(yīng)器NOx質(zhì)量濃度分布不均勻度分別為1.6%、1.6%。由此可見(jiàn)，兩個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口煙道的NOx分布比較均勻，有利于反應(yīng)器內(nèi)NH3、NOx摩爾比均勻分布，NH3與NOx在催化劑作用下充分反應(yīng)，反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布偏差減小。這為同時(shí)達(dá)到高脫硝效率和低氨逃逸率奠定了基礎(chǔ)，并且降低了AIG手動(dòng)控制閥調(diào)整的難度。

表3 A、B 反應(yīng)器進(jìn)口煙道截面煙氣氧含量分布Tab.3 Oxygen distribution of flue gas at the cross section of reactor A, B inlet

A、B反應(yīng)器口煙道截面NOx質(zhì)量濃度折算到6%氧含量下的分布數(shù)據(jù)如表5所示，其分布不均勻度分別為55.1%、19.2%。A反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻度大于30%，其中2 號(hào)測(cè)孔 NOx質(zhì)量濃度最小值為 12.4 mg·m-3，最大值為 73.8 mg·m-3；4 號(hào)測(cè)孔 NOx質(zhì)量濃度最小值為 11.9 mg·m-3，最大值為 50.8 mg·m-3。B反應(yīng)器出口NOx分布相對(duì)均勻。為了使NH3、NOx摩爾比在煙道內(nèi)分布更加均勻，在反應(yīng)器出口得到穩(wěn)定、均勻的NOx分布，需要對(duì)A、B反應(yīng)器的AIG手動(dòng)控制閥進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)AIG控制閥進(jìn)行調(diào)整后，A、B反應(yīng)器出口煙道截面煙氣氧含量分布和煙道截面折算到6%氧含量下的NOx質(zhì)量濃度分布分別如表6、7所示，其分布不均勻度分別為27.6%、14.7%，均低于30%。這表明A、B反應(yīng)器出口煙道中NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到改善，噴入反應(yīng)器的NH3充分反應(yīng)，有利于降低氨逃逸率。

表4 A、B反應(yīng)器進(jìn)口煙道截面煙氣NOx質(zhì)量濃度分布Tab.4 NOx mass concentration distribution of flue gas at the cross section of reactor A, B inlet

表5 A、B反應(yīng)器出口煙道截面煙氣NOx質(zhì)量濃度分布Tab.5 NOx mass concentration distribution of flue gas at the cross section of reactor A, B outlet

為便于比較，測(cè)量了優(yōu)化調(diào)整前、后SCR脫硝系統(tǒng)的氨逃逸率。測(cè)試方法是：使用自動(dòng)煙氣采樣儀，將含NH3的煙氣從煙道中抽出，通入裝有H2SO4溶液的吸收瓶，煙氣中的NH3被H2SO4吸收液吸收，生成硫酸銨。通過(guò)分光光度法測(cè)定吸收液中離子的含量，根據(jù)采樣體積、煙氣氧含量和煙氣溫度，計(jì)算得到煙氣中NH3濃度。采樣前使用無(wú)氨除鹽水對(duì)吸收瓶和硅膠管進(jìn)行清洗、烘干以消除氣路不凈造成的試驗(yàn)偏差；采樣時(shí)通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥控制好采樣流速，最好控制在 5～8 L·min-1，保證煙氣中的 NH3被吸收液完全吸收；采樣結(jié)束后，用去離子水洗刷吸收瓶和采樣連接管路獲得清洗液，然后將吸收液和清洗液轉(zhuǎn)移到容量瓶中，貼上標(biāo)簽。

表6 調(diào)整后A、B反應(yīng)器出口煙道截面煙氣氧含量分布Tab.6 Oxygen distribution of flue gas at the cross section of reactor A, B outlet after ajustment

表7 調(diào)整后 A、B 反應(yīng)器出口煙道截面煙氣 NOx質(zhì)量濃度分布Tab.7 NOx mass concentration distribution of flue gas at the cross section of reactor A, B outlet after ajustment

優(yōu)化調(diào)整前A反應(yīng)器氨逃逸率為3.537 1 mL·m-3，B 反應(yīng)器氨逃逸率 3.042 1 mL·m-3，平均氨逃逸率為 3.289 6 mL·m-3；調(diào)整后 A 反應(yīng)器氨逃逸率為 1.552 5 mL·m-3，B反應(yīng)器氨逃逸率為 0.979 0 mL·m-3；平均氨逃逸率僅為 1.265 7 mL·m-3，滿(mǎn)足氨逃逸率小于 3 mL·m-3的要求。

3 結(jié) 論

根據(jù)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx的質(zhì)量濃度場(chǎng)分布調(diào)整供氨閥的開(kāi)度，以保證噴氨格柵各個(gè)區(qū)域的NH3、NOx摩爾比維持在合理范圍，NH3和NOx在反應(yīng)器內(nèi)充分反應(yīng)，最終使反應(yīng)器出口的NOx質(zhì)量濃度分布均勻、穩(wěn)定，有利于提高脫硝效率，降低氨逃逸率。

通過(guò)噴氨優(yōu)化調(diào)整，將SCR脫硝系統(tǒng)出口的NOx質(zhì)量濃度分布的不均勻度Cv是否小于30%作為優(yōu)化調(diào)整的指標(biāo)。根據(jù)脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布調(diào)整每路支管上氨的噴入量，可以實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化，從而有效降低SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸率，減少副反應(yīng)的發(fā)生。因此噴氨優(yōu)化調(diào)整是保證系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。