基于氨逃逸的SCR系統噴氨優化設計

趙宇明

摘 要：隨著經濟不斷發展，國家對環境的保護政策要求逐年提高，有些省市甚至把氨逃逸濃度作為考核條款，因此對脫硝系統進行優化調整越發重要。選擇性催化還原法（SCR）的煙氣脫硝技術具有高脫硝率、低氨氣逃逸率的特點，已成為應用最廣的技術。該文根據SCR的脫硝反應原理，分析出影響脫硝的因素，為脫硝反應器內噴氨的優化調整提供對策，從而有效地減少氨氣的逃逸率。

關鍵詞：煙氣脫硝 SCR技術 氨逃逸 噴氨優化

中圖分類號：X773 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（a）-0046-03

隨著我國經濟的穩定增長，電力市場逐步開放，使得電力的需求量和火電企業的規模在不斷增加?；鹆Πl電廠是資源消耗型企業，在生產過程中消耗了大量的化石能源和其他資源，同時向周圍環境排放大量有害物質。因此火電企業的大氣污染控制，在我國大氣污染防治中占有重要地位。

氮氧化物（NOx）是火電企業排放的主要污染物之一，有不同的組成形式，如，NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4和N2O5等，其中NO和NO2所占比例為90%以上，是導致酸雨、光化學煙霧、霧霾、臭氧層空洞等環境問題的重要原因。近年來，國家對大氣中NOx的減排指標日益嚴格，現有所有火電機組NOx排放標準為100 mg/Nm3（特殊規定執行200 mg/Nm3），有專家預測未來燃煤鍋爐的氮氧化物排放限值將會降低至50 mg/Nm3。因此，開發出高效可靠的NOx污染治理技術迫在眉睫。

1 脫硝技術

目前，在火電廠NOx污染物控制技術中，多用低 NOx燃燒技術和煙氣脫硝技術。低NOx燃燒技術根據燃煤鍋爐生成的NOx，主要由NO、NO2及微量N2O組成，采用燃燒優化、空氣分級、燃料分級、煙氣再循環、低NOx燃燒器等技術來降低NOx排放濃度。煙氣脫硝首先采用低NOx燃燒技術，在此基礎上還不能滿足GB 13223-2011《火電廠大氣污染物棑放標準》要求（如表1），可以采用選擇性催化還原煙氣脫硝（SCR）、選擇性非催化還原煙氣脫硝（SNCR）或選擇性催化還原煙氣脫硝/選擇性非催化還原煙氣脫硝（SCR/SNCR）技術，以到達滿足國家排放標準，而SCR煙氣脫硝技術應用的最為廣泛[1]。

1.1 SCR脫硝反應原理

國內火力發電廠一般采用SCR同時輔助低氮燃燒技術，SCR的化學反應機理比較復雜。主要是NH3在一定催化劑（常用催化劑活性成分為V2O5/W2O3，載體為TiO2）的作用下，煙氣溫度位于催化劑活性溫度300 ℃～400 ℃之間，有選擇地把煙氣中的NOx還原為N2，同時生成水[2]。具體脫硝反應如下所示。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O （1）

NO+2NO2+2NH3→2N2+3H2O （2）

6NO2+8NH3→7N2+12H2O （3）

其中反應（1）是主反應。因為煙氣中的大部分NOx均是以NO的形式存在的，在沒有催化劑的情況下，這些反應只能在很窄的溫度范圍內進行（980 ℃左右），通過選擇合適的催化劑，可以降低反應溫度，并且可以擴展到適合電廠實際工況的290 ℃～430 ℃范圍[3]。其主要反應過程如圖1所示。

1.2 SCR的布置方式

選擇性催化還原（SCR）主要采用4類布置方式：高灰高溫型、低灰高溫型、低灰低溫型和煙道型[4]。每種SCR工藝均具有自己的特點，國內目前火力發電廠主要采用高灰高溫型布置（如圖2）。

高灰型SCR反應器布置在省煤器出口和空氣預熱器進口之間，適用于相對惡劣的工作環境，催化劑活性惰化較快，煙氣溫度合適（320 ℃～420 ℃），經濟性最高[5]。但是該布置方式下，催化劑容易受到飛灰對其造成的污染、腐蝕、磨損和堵塞，使得催化劑壽命相應減短。

2 影響SCR脫硝系統的因素

2.1 NOx/NH3混合度的影響

SCR煙氣脫硝反應的脫硝效率直接取決于煙氣中NOx與NH3的混合度，從理論上講，l mol的NOx完全被還原需要l mol的NH3，因此若噴氨量不足就容易降低脫硝效率，若過量噴氨保證了脫硝效率卻又容易造成二次污染。因此當氨氮混合達到合理當量比，反應則充分完全，定義氨氮比不均勻性系數為：

式中：為氧氮比不均勻性系數；為入口界面上氧氮比標準差；為人口界面上氨氮比均值。如果過低則將造成SCR反應器局部區域脫硝效率降低或因NH3的過剩而形成氨逃逸，因此通過合理地布置煙道中導流板的位置、噴嘴格柵及噴嘴的流速，可以有效避免由于氨和煙氣的混合不均帶來的問題。保證系統內良好的氨氮混合比對實現SCR系統的超低排放及減少氨逃逸與硫酸氫銨（ABS）生成，具有重要意義[6]。

2.2 溫度的影響

在煙氣量和NOx/NH3恒定的條件下進行實驗，發現低溫段NOx脫除率相對較低，隨溫度上升NOx脫除率逐漸增大，當達到一定溫度后保持相對穩定，隨溫度的進一步升高，NOx脫除率有所降低。 在各氨氮比下，脫硝效率均隨著溫度的升高先增大后減小，在380 ℃左右開始達到最大[7]。對于氨逃逸，隨著溫度的上升，反應速率增大，氨逃逸逐漸減小。NOx脫除率及氨逃逸隨溫度變化趨勢如圖3和圖4所示。

產生這種情況的主要原因是，當催化劑采用V2O5-WO3/TiO2時，煙氣溫度降低，催化劑活性隨之減弱，從而影響脫硝效率。煙氣溫度過低時，NH3與煙氣中的SO2或SO3會發生不良反應，生成物銨鹽黏附在催化劑表面堵塞微孔或腐蝕后續設備空預器[8]。因此為了降低溫度對脫硝效率的影響，應當盡量保持鍋爐工況的穩定或采取省煤器旁路來調整SCR脫硝系統煙氣的入口溫度。

3 SCR脫硝系統優化方案

3.1 傳統方案

SCR脫硝裝置優化設計與運行的關鍵在于如何盡可能保證反應器內煙氣的流動場、溫度場及反應物的濃度場（NH3/NOx）均勻分布，以確保達到要求的脫硝效率并降低氨氣逃逸量。由于多數電廠內省煤器出口到SCR煙氣脫硝反應器入口處之間的煙道的設計與布置都比較緊湊且有兩個直角拐彎，致使煙氣速度和溫度分部不均，難以保證煙氣與氨氣的均勻混合（如圖5）。因此，對SCR反應器進行改造十分必要。

目前SCR系統超低排放改造有3種較為常見的措施：第一種是增加催化劑的層數，這直接導致催化劑的利用率變低，并且催化劑后續處理工序麻煩，同時新增加催化劑可能導致SO3的升高及ABS的生成，這對于SCR系統的經濟穩定運行都是不利的；第二種是優化SCR系統結構，通過在SCR系統內增加導流部件等改善系統內煙氣的流動特性，但是導流部件的制作安裝是一個龐大的工程，需要巨大的人力財力，因此該方法的應用具有一定的局限性；最后一種是增加噴氨量的方式實現超低排放，“粗獷”式地增加噴氨量導致氨逃逸升高，這直接造成ABS生產量增大，下游設備壓阻升高，影響鍋爐正常運行[9]。

由此可見，當前實現SCR系統超低排放改造的3種措施均具有一定的應用局限，找到一種切實可行的措施十分重要。

3.2 基于氨逃逸的SCR噴氨協調優化

研究表明SCR煙氣脫硝反應的脫硝效率直接取決于煙氣中NOx與NH3的混合匹配度，即氨氮混合匹配度高則反應完全，否則將造成SCR反應器局部區域脫硝效率降低或因NH3的過剩而形成氨逃逸，因此保證系統內良好的氨氮混合比對實現SCR系統的超低排放及減少氨逃逸具有重要意義[10]。

科學合理的噴氨控制方法對于降低氨氮混合當量比的不均勻性尤為關鍵，當前各噴氨支管均勻分配噴氨量的方法顯然是不合理的，而根據系統內流場/濃度場分布特性進行非均勻噴氨可以保證相對較好的氨氮混合比。

此方案采用單層噴管布置方式，噴管縱向排列，噴管共有20根，且每根噴管上設置噴嘴15個，噴嘴總數為300個。噴嘴以不同速度噴出時，可以增加煙道煙氣的擾動性，因此對噴嘴進行簡單的分區，靠近煙道壁面處Ⅰ區，中間的區域為Ⅱ區；提高Ⅰ區的噴射速度，降低Ⅱ區的噴氨速度，噴氨格柵的模型見圖6。

經過多次模擬求解對噴氨速度的調整，最后選取I區的噴氨速度為15.2 m/s，Ⅱ區的噴氨速度為13.7 m/s。經過流場模擬，發現經調節后氨氣進入催化劑入口處的濃度得到了較好的改善，濃度標準偏差為4.16%，滿足了實際工程應用中反應器入口氨氣濃度分布要求[11]。

但值得注意的是SCR脫硝系統長期運行一段時間后其內部流場特性及其隨負荷的波動特性均會有所變動[12]。因此有必要定期測試煙道內的流場特性及NOx的濃度分布，及時調整各噴氨口閥門開度，以最大限度地保證SCR反應器內持續良好的氨氮混合當量比，保證SCR系統高效率、低成本運行及ABS的有效抑制。

4 結語

針對電廠燃煤機組的SCR脫硝系統，綜合考慮催化劑進出口濃度場、溫度場等因素及其變化規律，進行噴氨分布的優化調整。結果表明，當噴嘴數量為固定的情況下，將噴嘴分為邊緣區域和中心區域兩個區域，并分別采用不同的噴射速度，能夠有效改善煙氣的混合度，從而有效降低平均氨逃逸率，實現尾部煙道設備的安全運行。

參考文獻

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