分區控氨技術在煙氣NOx超低排放中的應用

王明星，李 欣，李 勇，劉忠生，金 平

（中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045）

NOx可造成酸雨，危害人體健康，是光化學煙霧的誘因之一，世界各國對其排放控制均很嚴格。選擇性催化還原（SCR）脫硝技術以其結構簡單、運行可靠、維護方便、脫硝效率高等優點，在國內外煙氣脫硝裝置中廣泛應用［1］。我國的煙氣SCR脫硝裝置在早期都按照ρ（NOx）≤100 mg/Nm3設計。在國家相關部門發布《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》后，絕大多數裝置都進行了改造，通過設置選擇性非催化還原（SNCR）反應器或低氮燃燒器，采用“SNCR或低氮燃燒+SCR”的聯合技術實現ρ（NOx）≤50 mg/Nm3的超低排放。

某燃煤鍋爐煙氣脫硝裝置在設置低氮燃燒器后，仍無法保證ρ（NOx）≤50 mg/Nm3的超低排放指標，且氨逃逸量超標較嚴重。本文通過對裝置進行現場檢測和問題分析，提出分區控制式噴氨格柵的結構方案，實現了超低排放和對氨逃逸的控制，可為類似裝置的設計或改造提供參考。

1 SCR脫硝工藝常用的噴氨裝置

1.1 渦流式靜態混合噴射裝置

該裝置配合靜態混合器使用。噴氨噴嘴數與靜態混合器單元數保持一致，噴嘴直徑一般較大，不易發生堵塞，且加工成本低，具有好的操作彈性，系統綜合效果好。主要缺點是靜態混合器結構復雜，壓降較大，煙氣混合距離較長。［2-4］

1.2 線性控制式噴氨格柵

該裝置特點是沿著煙道相互垂直的2個方向分別引出若干根噴氨管，每根管上又設置若干個噴嘴，每根管的流量可以單獨調節，從而實現噴氨量與煙氣中NOx含量的相互匹配。主要優點是結構簡單，系統壓降小；同時建設維護成本低，操控簡單。缺點是只能調節整根管流量，同一根管上各噴嘴流量不可調節，無法適應煙氣橫截面NOx分布不均的狀況，對下游的導流板依賴程度高；而且噴嘴數量多、口徑小，制造成本高，容易堵塞，導致噴氨不均勻。［2-4］

1.3 分區控制式噴氨格柵

該裝置特點是把煙道橫截面分成若干個區域，每個區域有若干個噴嘴，可以單獨控制每個區域的噴氨量，從而實現噴氨量與煙氣中NOx含量的相互匹配。該裝置適用于煙道橫截面積大、且NOx濃度分布嚴重不均或需要高效脫硝等工況［5］。噴氨分區控制克服了線性控制噴氨格柵調節性差的缺點，但控制較復雜、系統聯動性強、操作要求高。［2-4］

2 現場檢測與問題分析

2.1 SCR脫硝裝置設計工況

某燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝系統安裝在鍋爐省煤器和空預器之間。該裝置以氨為還原劑，煙氣處理量為450 000 Nm3/h。原設計SCR脫硝反應器入口ρ（NOx）為550 mg/Nm3，出口ρ（NOx）≤100 mg/Nm3，噴氨格柵采用線性控制式氨噴射技術，噴氨格柵橫截面與脫硝反應器橫截面相同，均為10 000 mm×7 000 mm。為滿足《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》燃煤鍋爐凈化煙氣中ρ（NOx）≤50 mg/Nm3的超低排放指標，該公司于2016年在鍋爐上游增設低氮燃燒器，更換更加高效的脫硝催化劑，并將催化劑單體高度由原1 000 mm提高至1 400 mm，以減小反應器空速。改造后設計的SCR入口ρ（NOx）為450 mg/Nm3，要求出口煙氣ρ（NOx）＜50 mg/Nm3。但處理效果無法穩定達標，主要表現在出口煙氣的NOx濃度不穩定（ρ（NOx）為40～90 mg/Nm3），氨逃逸量超標（經常超過儀器檢測上限7.59 mg/Nm3），空預器有較嚴重的刺激性氨味。

2.2 NOx質量濃度檢測點布置及數據處理

為查找裝置無法穩定達標排放的原因和確定解決方案，在脫硝反應器主體進氣端和出氣端的橫截面布置檢測點。脫硝反應器橫截面煙氣NOx質量濃度檢測點布置方式見圖1，在SCR反應器橫截面上均勻設置了36個檢測點。煙氣中NO、O2質量濃度以德國德圖Testo-350型煙氣分析儀進行測定，然后將NO質量濃度換算成NOx質量濃度。NOx質量濃度的標準偏差計算公式見式（1）和式（2）。

圖1 脫硝反應器橫截面煙氣NOx質量濃度檢測點布置方式

式中：σ為NOx質量濃度的標準偏差，mg/Nm3；xi為各檢測點的NOx質量濃度，mg/Nm3；n為檢測點數量；為NOx質量濃度平均值，mg/Nm3。

2.3 檢測結果與分析

圖2是脫硝反應器進氣端橫截面的NOx質量濃度分布。由圖2可見，脫硝反應器進氣端的ρ（NOx）為398～462 mg/Nm3，平均值為421 mg/Nm3，標準偏差為17 mg/Nm3。圖3是脫硝反應器出氣端橫截面的NOx質量濃度分布。由圖3可見，脫硝反應器出氣端的ρ（NOx）為0～266 mg/Nm3，平均值為60 mg/Nm3，標準偏差為81 mg/Nm3。從圖3還可看出，爐前10 000 mm×3 500 mm區域的ρ（NOx）基本在儀器檢測限以下，而爐后10 000 mm×3 500 mm區域的ρ（NOx）為41～266 mg/Nm3，而且越靠近爐后ρ（NOx）越高。很明顯，在脫硝反應器橫截面不同區域，單位時間內噴氨量與NOx通過量存在嚴重的不匹配。在反應器出氣端ρ（NOx）較低的爐前區域，n（NH3）∶n（NOx）＞1.0，噴氨量是過剩的，而反應器出氣端NOx濃度較高的爐后區域，n（NH3）∶n（NOx）＜1.0，噴氨量嚴重不足。氨逃逸主要發生在爐前區域。本裝置氨逃逸在線分析儀安裝在B側7 000 mm與爐前10 000 mm夾角處，也直觀地證明裝置存在NH3逃逸問題。這就是造成本裝置氨逃逸量和ρ（NOx）無法達標的主要原因。

圖2 脫硝反應器進氣端NOx質量濃度分布

圖3 脫硝反應器出氣端NOx質量濃度分布

根據對裝置的檢測分析，認為造成此現象主要有以下兩個原因：

1）氨氣稀釋用風來自鍋爐空預器。該空預器為回轉式空預器，漏灰較嚴重。當氨/空混合氣由爐后以15 m/s的高速通過彎頭進入噴氨格柵時，在彎頭內側產生渦流，使得氣相中的灰塵在此沉積。本裝置噴氨格柵入口支管積灰照片見圖4。由圖4可見，噴氨格柵入口支管超過一半的管道截面被灰塵堵塞，造成氨/空混合氣的實際流速比設計值提高了約1倍。而由于慣性，高速流動的氣體會越過積灰，并在積灰后很長一段距離的管道內形成氨氣“死區”，氨/空混合氣流速越大產生的氨氣“死區”就越大，造成絕大部分氨氣由爐前噴入鍋爐，從而導致爐前氨過量而爐后供氨不足。噴氨格柵支管內流動示意見圖5。

圖4 噴氨格柵入口支管積灰照片

圖5 噴氨格柵支管內氨流動示意

2）本裝置采用線性控制式噴氨格柵，其控制方式見圖6。由圖6可見，噴氨格柵入口各支管閥門所控制的噴氨區域與橫截面7 000 mm寬度方向平行，閥門的調節作用無法與煙氣ρ（NOx）由爐前向爐后升高的趨勢相匹配。因此，為實現NOx超低排放和減少氨逃逸，必須對噴氨格柵進行改造，采用分區控制式噴氨格柵，并以脫硝反應器出氣端橫截面各區域ρ（NOx）為控制目標，使出氣端橫截面各區域ρ（NOx）均滿足超低排放要求，并與總排口ρ（NOx）相統一，從而實現NOx超低排放和減少氨逃逸。

圖6 噴氨格柵的線性控制方式示意

3 分區噴氨技術工業應用

3.1 分區噴氨格柵設計

由于脫硝反應器出口橫截面的ρ（NOx）偏差主要體現在爐前至爐后的跨度方向，即由爐前向爐后升高，因此，為便于實施分區供氨，使分區供氨量與單位時間通過各分區的NOx質量相匹配，本裝置沿7 000 mm方向劃分為8列，沿10 000 mm方向劃分為4行，即將整個橫截面分成32個區域。原噴氨格柵支管按照4行分組，每組8支，分別延伸至本行的8個區域，每個區域設置2根噴氨管支路，即將噴氨格柵入口各支管閥門所控制的區域由與橫截面爐前至爐后平行方向改為垂直方向。經此改造，可利用原噴氨格柵入口的32根支管及各支管上的閥門分別控制32個區域的供氨量，如圖7所示。

圖7 噴射格柵的分區控制方式示意

3.2 分區噴氨調整原則

裝置改造完成后，脫硝系統氨消耗總量仍以脫硝反應器入口ρ（NOx）、煙氣量和NOx去除目標為依據，由噴氨格柵入口氨氣管道上的氣動調節閥自動調節控制。各區域的供氨按照分區控制式噴氨格柵入口32根支管與脫硝反應器橫截面32個分區的對應關系，手動調整噴氨格柵入口各支管閥門，并分別檢測各分區出氣端的ρ（NOx），ρ（NOx）控制目標為20～45 mg/m3。噴氨格柵各區域噴氨量調整遵循以下原則：1）消除脫硝反應器出口橫截面上ρ（NOx）為0和接近0的區域，即消除氨逃逸特別嚴重的區域。2）消除脫硝反應器出口橫截面上ρ（NOx）較高區域，即減小整個橫截面各區域的NOx濃度差，使各區域ρ（NOx）與總排口ρ（NOx）趨于一致。

3.3 噴氨格柵改造前后脫硝系統性能比較

噴氨格柵改造后脫硝反應器出氣端橫截面的ρ（NOx）分布見圖8。由圖8可見，分區噴氨后，脫硝反應器出口實際ρ（NOx）為30～43 mg/Nm3。氨濃度分析結果顯示氨逃逸量降至1.20 mg/Nm3以下。

圖8 噴氨格柵改造后脫硝反應器出氣端ρ（NOx）分布

噴氨格柵改造前后脫硝系統性能比較見表1。由表1可見，經改造后，裝置氨消耗量有所增加，脫硝反應器出口橫截面ρ（NOx）標準偏差由改造前的81 mg/Nm3降至改造后的3 mg/Nm3，總排口ρ（NOx）由57 mg/Nm3降至38 mg/Nm3，達到了超低排放要求，NOx脫除率提高了6.76%。裝置運行結果表明，各區域單位時間內的噴氨量與NOx通過量能夠得到很好匹配。根據脫硝反應器出氣端橫截面ρ（NOx）分布設計的噴氨區域及分區控制式噴氨格柵，能夠克服噴氨格柵入口支管積灰堵塞對噴氨造成的不利影響，分區供氨可以實現脫硝裝置的NOx超低排放。

表1 噴氨格柵改造前后脫硝系統性能比較

4 結論

a）噴氨格柵改造前，ρ（NOx）在整個脫硝反應器出氣端橫截面上分布非常不均，為0～266 mg/Nm3，平均為60 mg/Nm3，ρ（NOx）標準偏差為81 mg/Nm3，氨逃逸量最高時超過儀器檢測上限（7.59 mg/Nm3）；改造后，在氨消耗量增加及NOx超低排放（ρ（NOx）=30～43 mg/Nm3）的前提下，氨逃逸量降至1.20 mg/Nm3以下，NOx脫除率提高了6.76%。

b）以脫硝反應器出氣端橫截面ρ（NOx）分布為基礎劃分噴氨區域，調整噴氨格柵的供氨方式，對于實現NOx超低排放和減少氨逃逸是可行的。