SCR反应器短直进口段混氨技术研究
NH3/NOx 混合效果是SCR工程中的难点之一，OI2-SCR技术根据流场适应型设计理论设计了喷氨装置；以“主动利用不均”代替传统的“单一尺度的平均化”的理念进行喷氨操作，在SCR反应器短直进口段内实现了良好的NH3/NOx混合效果，进而解决了改造工程中常见的空间制约问题。同时，充分发挥有限体积的催化剂的效能，在较低氨逃逸率前提下，实现了较高的脱硝效率。该技术的成功开发及应用为我国大型火电厂烟气脱硝技术自主化、装备国产化探索了一条有效途径。
引言
选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction, SCR)是最有效的火电厂烟气脱硝技术，该技术的基本原理是在催化剂作用下，以NH3等作为还原剂，将烟气中的NOx还原生成N2和H2O。其主要化学反应为[1]：
4NO+4NH3+O2→4N2 +6H2O
火电厂SCR烟气脱硝技术经历了30多年的研发与工程实践已发展成熟，日本、德国、美国等相继在火电厂安装了SCR装置，而我国在SCR烟气脱硝技术应用方面刚刚起步。国华太仓发电有限公司（以下简称“国华太电”）2×600MW机组依托江苏苏源环保工程股份有限公司（以下简称“苏源环保”）OI2-SCR技术，实现了我国第一个拥有自主知识产权的SCR脱硝工程[2,3]。该工程为已建机组改造工程，设计范围主要包括液氨储存及供应系统、脱硝反应系统和锅炉主辅系统改造。脱硝装置采用高尘布置方式，安装在省煤器与空气预热器之间，装置的设计脱硝效率≥90%，SO2的氧化率<1.0%，氨逃逸率小于3×10-6[4]。
根据烟气中NOx的总量调节喷氨量，在较低氨逃逸率前提下，实现了较高的脱硝效率是SCR设计与运行中的难点之一。为了解决这个问题，苏源环保公司在大尺度、短直SCR进口段内的混氨技术方面开展了大量的研究工作，本文将结合国华太电脱硝改造工程，介绍该工作的主要内容。
1、高效SCR装置的设计要求
当前，脱硝市场要求提供的脱硝装置有两个重要指标：①高脱硝效率；②低投资成本。通常脱硝效率与催化剂的体积密切相关，而催化剂成本是脱硝装置投资成本的重要组成部分，所以说，这两个指标是互相制约的一对矛盾。正因为如此，充分发挥有限体积的催化剂的效能，在较低氨逃逸率前提下，实现了较高的脱硝效率成为SCR设计与运行中的重要课题[5]。
根据图1可知，当催化剂的体积确定后，脱硝效率随着NH3/NOX摩尔比的增加而增加，当NH3/NOX摩尔比达到0.95时，脱硝效率接近90%；当NH3/NOX摩尔比继续增加时，脱硝效率增加趋于缓慢，直至95%，该值几乎不再增加，也就是说，此时氨逃逸率迅速增加。
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图1 脱硝效率、氨逃逸率与NH3/NOX摩尔比的函数关系[6]
图1显示的是相对理想状态下的关系曲线，在实际工程中，与大型火电机组相匹配的SCR反应器的尺度通常很大，其进口段内的物理参数很难达到均匀，当脱硝装置要求较高的脱硝效率时（如90%以上），氨逃逸率迅速增加的可能性大增[7]。而氨逃逸对SCR下游设备影响很大，工程上必须将该值控制在较低的范围内[8,9]，这对大尺度SCR反应器进口段内的物理参数的设计提出了严格的要求。这些参数包括烟气速度场、温度场以及催化剂表面NH3/NOX的混合效果。
一般而言，经过简单调整，烟气速度场就能够满足要求。但如果考虑其对NH3/NOX的混合效果的影响，在喷氨截面上烟气速度场的分布就较难满足要求却又非常关键。
当机组高负荷运行时，温度场一般能够满足要求；在低负荷运行时，可以通过减少喷氨量、停止喷氨或者通过旁路烟道来避免较高的氨逃逸率。如果在低负荷工况下需要实现较高的脱硝效率，温度场就很难满足要求。
NH3/NOX的混合效果是SCR装置设计和运行中的重点和难点，当装置设计脱硝效率较高时，其难度更大。在喷氨前后采取适当的策略，都可以不同程度地提高NH3/NOX的混合效果。以较低代价实现良好的NH3/NOX的混合效果是混氨技术研究的主要目标。
2、混氨技术研究
2.1 混合距离、混合强度和喷氨点数量
液氨经过空气稀释后注入省煤器与SCR反应器的连接烟道内，与烟气中NOX混合后进入SCR反应器进行催化还原反应。从喷氨截面至催化剂表层的距离称为混合距离，它直接影响了布置在喷氨截面上的喷氨点数量[10]，其关系见图2。图中混合强度为在SCR反应器进口段内为NH3/NOX混合提供的条件，包括烟道布置、导流板和筛板设计、氨喷射系统设计和其他提高混合强度的策略等。由图2可见，在同等的混合强度下，混合距离越小，单位面积内所需的喷氨点就越多；当混合距离递减到一定程度时，所需的喷氨点数据迅速增加。在工程设计时，混合距离是根据SCR装置的可用空间、烟道结构等来确定的，在已建机组进行脱硝改造的工程中，常常因为预留空间不足而影响混合距离的设计；混合强度则一般受系统压降、烟道结构和设计理念限制；喷氨点数量则受设备成本和运行成本限制。为了在成本控制的条件下实现良好的NH3/NOX的混合效果，应当合理利用装置的可用空间，尽量提高NH3/NOX的混合强度。
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图2 喷氨点数量、混合距离与混合强度的关系
2.2 提高混合强度的策略
氨被喷入烟道后开始扩散，与烟气中NOX发生混合，根据烟道的尺寸和烟气的参数可以确定，烟道内流体的雷诺数远大于4000，所以氨发生涡流扩散。在工程中，由于混合距离和喷氨点数量都受到限制，仅由氨扩散一般都不能满足NH3/NOX的混合效果，需要采用一定的策略来提高混合强度，如静态混合器、动态混合器和喷氨格栅(Ammonia Injection Grid, AIG)。静态混合器需要足够的混合距离，而且系统压降较大，也不容易得到理想的效果[11,12]；动态混合器效果明显，系统压降略小，所需要的喷氨点少，但是也需要足够的混合距离，而且该技术一般受国外知识产权保护，例如德国巴克•杜尔公司提出的“三角翼”专利技术；AIG则可以根据混合距离灵活调节喷氨点的数量，根据各单位NOX的浓度调节相应的NH3的浓度，因此该方法被广泛应用。
苏源环保公司以数值模拟为主要手段，开发了具有涡街强混功能的AIG技术，在此基础上，以“主动利用不均”代替传统的“单一尺度的平均化”的混氨理念，根据烟气中NOX在不同空间位置的分布情况，有计划、有步骤地控制不同小区内的喷氨量，在不同小区实现不同的NOX/NH3摩尔比，进而降低可能出现的局部氨逃逸峰值和较高的氨逃逸平均值。
2.3 OI2-SCR混氨技术
在普通喷氨格栅的基础上，苏源环保公司发明了一种具有防磨、涡街强混的喷氨装置。该装置能够减轻喷氨格栅的磨损问题，并能在防磨扰流元件的下游形成稳定的涡街，由涡街的特性可知[13-16]，其存在可以促进NH3/NOX的混合。
根据喷氨格栅的结构，取两个相邻喷嘴作为单元进行数值模拟，氨随着烟气在喷嘴下游的有限空间进行湍流扩散，在有无涡街强混的条件下其扩散效果见图3，其中，图(a)为无扰流元件时，氨在喷嘴下游的扩散效果；图(b)为有扰流元件时，氨在喷嘴下游的扩散效果。由图3可知，在相同条件下，采用OI2-SCR喷氨格栅，其扩散效果大约是普通喷氨格栅的一倍；也就是说，公司专利技术利用涡街强混，只需1/2的距离就可以达到普通技术的混合效果。所以，该专利技术可以缩短混氨所需的从AIG 到催化剂表层的距离，为脱硝装置节省了空间；相应地，如果是混合距离确定，那喷嘴的数量则可以相对减少。
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图3 有无涡街强混的氨扩散效果
为了获得较高的脱硝效率，传统的理念是采取不同的措施，以期在整个烟道内实现NOX的均匀分布，然后实现氨的均匀分布，从而实现良好的NH3/NOX混合效果。苏源环保公司将整个烟道截面被分成若干个控制小区，各小区布置若干根管子，每根管子上布置一定数量的喷嘴，各管内的氨流量可通过阀门单独调节，以匹配各小区NOX的浓度分布。自主开发的喷氨技术更好地遵循了氨的流动轨迹及迁徙规律，实现了针对各区不同的NOX浓度来调节喷氨流量。这样在烟道整流的设计（如导流板、筛板等）时，只需要以较小代价获得相对均匀的烟气流，就能达到较高的脱硝效率，同时减少了NH3/NOX的混合距离。该设计理念已应用于国华太电2×600MW机组脱硝装置。
3、工程测试
国华太电SCR烟气脱硝装置于2006年处正式投入运行，该工程采用了具有涡街强混功能的AIG技术；在工程测试过程中，主动利用不均，对不同NOX浓度的小区喷入不同氨流量。
3.1 测试背景
主要测试仪器：Testo 350烟气组份分析仪两套（能够测量的信息包括氧量、烟气速度、NOX浓度等）。在600MW电负荷下，调整SCR反应器的喷氨控制阀，使DCS显示脱硝效率稳定在80%左右。在工况确认后，同时在锅炉SCR反应器第一层催化剂上侧（反应器入口）和第二层催化剂下侧（反应器出口）两个截面分布的测点，用网格法对烟气中的氧量、NOX、CO2等烟气成份进行测量。测量过程中，氨逃逸率控制在1.2×10-6左右，最大不超过2×10-6。
3.2 测试结果
图4为SCR反应器催化剂表层NOX浓度分布情况，其中图(a)为根据现场测试结果得出的NOX浓度分布情况；而图(b)为通过数值模拟的方法得到的NOX浓度分布情况。模型预测的NOX平均浓度为217×10-6，偏差系数Cv为3.88，为高效脱硝装置提供了保障[17]；而实测的NOX平均浓度为223.3×10-6，偏差系数Cv为6.74，如果忽略边界层的影响，只计算91.5%面积内NOX的浓度，则平均浓度为232.1×10-6，Cv为。根据模型预测和实测值的比较可以知道：在催化剂表层的平面内，边界区域内NOX的略低于边界浓度，而实测的NOX浓度梯度大于预测值，也就是说，模拟时采用的数学模型未能充分考虑边界层的影响因素。由图可见，除边界层以外，NOX的浓度在其他区域也存在不同程度的峰谷差别，这是高效脱硝装置设计和运行时需要重点考虑的问题。
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图4 反应器入口NOX浓度分布
图5为SCR装置喷氨投运后，在第二层催化剂下面所测的NOX的浓度分布情况（国华太电脱硝反应器可布置三层催化剂，正常情况下安装两层催化剂，第三层为催化剂更换作预留）。
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图5 反应器出口NOx浓度分布
首先控制喷氨流量的总阀门，而各喷嘴的阀门均保持同样开度，当DCS显示脱硝效率为80%时，在第二层催化剂下端所测NOX的浓度分布情况见图(a)，这时NOX的平均浓度45.1×10-6，反应器的脱硝效率为79.8%，局部小区内NOX的浓度在60×10-6以上。这时，采用主动利用不均的喷氨理念，在浓度大于50×10-6的小区，根据氨的流动轨迹及迁徙规律，确定相应的喷嘴位置，调节其控制阀门，将喷氨量增加5~15%，这时在反应器出口NOX浓度分布见图(b)，根据测试数据可以确定出口NOX平均浓度32.9，脱硝效率为85.3%，而此时局部小区NOX的最大浓度仍然达到49×10-6，如果对局部NOX浓度过大的小区继续增加喷氨量，脱硝效率继续提高。在测试过程中，氨逃逸率为控制在1.5×10-6的范围内。
4、结论
1) 性能良好的SCR装置需要将催化剂设计、系统设计和运行操作有机结合起来，统筹安排。对于改造工程而言，空间制约是普遍存在的问题，需要对省煤器与SCR反应器、SCR反应器与空气预热器的连接烟道进行优化设计。
2) 以数值模拟为基础进行氨的流动轨迹及迁徙规律研究，以实测数据作为校正手段， 根据烟气中NOX在不同空间位置的分布情况，主动利用不均，有计划、有步骤地控制不同小区内的喷氨量，在不同小区实现不同的NOX/NH3摩尔比，进而降低可能出现的局部氨逃逸峰值，就能实现高脱硝效率和低逃逸率双赢的目的。
3) OI2-SCR利用涡街强混原理开发的混氨技术，比传统技术的NH3/NOX混合效果提高了一倍，为脱硝装置节省了空间。
4) OI2-SCR技术通过设计和运行操作，实现了不均匀喷氨，充分发挥有限体积的催化剂的效能，在较低氨逃逸率前提下，实现了较高的脱硝效率。
参考文献
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