燃煤锅炉烟气脱硝技术的研发与应用
摘 要：选择性催化还原技术是燃煤锅炉最有效的烟气脱硝技术，NH3/NOx混合效果是该技术工程设计时遇到的难点之一。OI2-SCR技术在“主动利用不均”理念的指导下，开发了关于喷氨格栅的专利技术，其特点是：针对NOx在催化剂表层的不均匀特性，有计划、有步骤地控制不同区域的喷氨量，实现不同区域不同的NH3/NOx摩尔比，从而充分发挥有限体积的催化剂的性能，在较小氨逃逸率前提下，实现较高的脱硝效率。
关键词：燃煤锅炉；烟气脱硝；选择性催化还原；喷氨格栅
NOx是大气主要污染物之一，其危害主要有：酸雨作用、诱发光化学烟雾、对植物有损害作用、对人体有致毒作用等。燃煤锅炉是NOx最主要的污染源之一，国家环保总局统计数据显示，2004年我国燃煤锅炉NOx排放量为665.7万吨[1]，预计到2010年，该值将达850万吨左右。为此，国家出台了一系列控制火电厂NOx排放的法律、法规和政策，促使我国必须加快火电机组烟气脱硝设施的建设。然而，我国脱硝工程商业建设起步较晚，为了摆脱目前脱硝市场对国外技术与设备的依赖，江苏苏源环保工程股份有限公司（以下简称“苏源环保公司”）运用原始创新、集成创新和引进、消化、再创新相结合的方法，开发出具有精准优化（Optimization）、个性化（Individuation）和集成化（Integration）为特点的大型火电机组烟气脱硝系统技术，简称“OI2-SCR烟气脱硝技术”。目前，该技术已经通过江苏省科技厅鉴定，依托该技术工艺包建设的国华太仓发电有限公司（以下简称“国华太电”）2×600MW机组烟气脱硝工程，于2006年1月20日完成168小时考核运行，顺利实现同步发电、同步脱硫与同步脱硝的目标，从而创下我国新建大型火电机组“三同步”的历史记录，同时标志着我国真正拥有自主知识产权的烟气脱硝技术。
1. 工程简介
苏源环保公司为国华太电2×600MW机组提供2套100%烟气处理量的选择性催化还原（SCR）烟气脱硝装置，该装置采用高尘布置方式，将SCR布置在省煤器与空预器之间，脱硝装置的设计效率≥90%，SO2的氧化率<1.0%，氨逃逸率小于3×10-6，脱硝设备与对应的主机寿命一致，设计寿命为30年，系统可用率≥95%[2]。脱硝反应剂采用外购液氨，烟气中的NOx与来自“液氨/空气混合器”的NH3在催化剂的作用下发生还原反应，生成无害的N2和H2O，处理后的烟气进入空气预热器。设计范围主要包括氨系统、SCR系统、反应器支撑框架、空预器的改造、引风机的改造、烟道的改造设计、炉后钢架的改造设计。
2. OI2-SCR核心技术研发
SCR烟气脱硝技术包括催化剂、SCR反应器、氨储存系统、喷氨系统、连接烟道设计、导流板设计、以及对锅炉及其辅助设备的改造等，其中，催化剂是为核心技术之一。目前，苏源环保公司的OI2-SCR核心技术的催化剂仍处于小试阶段，其他技术则已完成了研发和工程应用。OI2-SCR烟气脱硝技术的研发内容主要包括系统配置模型、关键参数优化模型、系统关键点CAE/CAD分析和系统仿真等[3]。本文将针对SCR烟气脱硝领域的难点之一（NOx/NH3混合），以OI2思想为指导，提出主动利用不均的理念，并在该理念的指导下进行技术开发，最终应用于工程。
2.1 脱硝效率的影响因素
当前脱硝效率是衡量SCR装置性能的重要指标，它与SCR装置的造价成本等密切相关（见图1）。国华太电SCR烟气脱硝系统设计的脱硝效率为90%，这对的系统设计提出了很高的要求。制约脱硝效率的因素有：①最大允许氨逃逸率。为了防止空气预热器的积灰堵塞与腐蚀，国华太电设计的氨逃逸率很低（低于3×10-6）；②SCR反应器入口烟气流的分布状态。SCR反应器入口烟气流的分布状态需要通过合理的烟道设计来调整；③NOx/NH3混合效果。NOx/NH3混合效果是这三个因素中最难克服的问题。
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| 图1 脱硝效率、氨逃逸率与催化剂体积的制约关系 |
2.2 氨的分布
氨的分布对SCR系统运行的最佳性能非常重要。假设烟气流为理想均匀分布，则氨分布不均是造成SCR系统性能差的常见原因，并且可能会被误解成催化剂活性低。如果氨在烟气中分布不均，即某些区域过量，会导致氨逃逸率升高；相反，会导致反应区域脱硝效果差。
当脱硝效率较高时，如果氨分布稍有不均，就会出现局部逃逸峰值和较高的逃逸平均值。如果要求氨逃逸平均值必须保持在3×10-6以内，那么应经常更换催化剂。实际上，即使分布不均程度较轻，氨逃逸峰值也足以引发问题。这是因为脱硝效率较高时，如果系统没有调节氨分布不均的能力，当部分烟气含氨量超过NOx反应量时，多余的氨流经系统时就会逃逸[4]。
2.3 OI2思想下NOx/NH3混合的理念。
假设氨为理想均匀分布，烟气分布的不均匀性同样会造成SCR系统性能的下降。如果不计较SCR装置的造价成本，就可以采取充分的措施，先将SCR反应器入口烟气流处理到均匀分布的状态；然后再采取措施，喷入均匀分布的氨，达到理想的NOx/NH3混合效果。或通过采取措施，在催化剂层前将NOx/NH3混合到理想的分布状态。如德国巴克•杜尔公司提出的“三角翼”专利技术，就是在喷氨前后对烟气进行混合处理，其效果比较明显。但是，过多的措施，增加了系统的阻力和SCR装置的造价成本，而且容易受国外知识产权的制约。所以在实际工程应用中，需要探寻一种更加经济的、适合我国国情的方式来实现较好的NOx/NH3混合效果。
在此背景下，苏源环保公司充分发挥OI2研发、设计和项目管理三大平台平行开发的经验[3]，提出“主动利用不均”的理念，即以较小代价获得相对均匀（或称“近均匀”）的烟气流，然后根据烟气中NOx在不同空间位置的分布情况，有计划、有步骤地控制不同区域的喷氨量，实现不同区域不同的NOx/NH3配比。为了充分实现该理念，苏源环保公司开发了专利技术“喷氨格栅”，并依托国华太电烟气脱硝工程，实现高效率、低成本的SCR装置。
3. SCR系统的优化设计
OI2-SCR系统设计的主要内容包括：基于经验的初步设计（包括SCR反应器及连接烟道[3]、导流板等设计）、计算机模拟、基于计算机模拟结果的优化设计、喷氨格栅(AIG)设计等，见图2。其中计算机模拟和初步设计是不断调整和优化的完善过程。
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| 图2 OI2-SCR系统设计流程 |
3.1 NOx浓度数值模拟
国华太电SCR装置布置于锅炉省煤器与空预器之间，烟气温度较高，常规的冷态试验模型虽可依据相似原理获取一定准则数相同下的烟气速度分布规律，但对氨的扩散和分布以及喷氨格栅数量巨大的喷嘴与下游催化剂上方氨分布的对应关系却无能为力。本研究采用有限体积法对SCR反应器及其连接烟道内的流体流动及氨扩散过程进行数值模拟，揭示了其内部流动规律并给出一系列的定性定量分析结果，同时结合现场测试结果，对数值计算结果进行验证和修正，建立SCR反应器及其连接烟道的设计理论和方法[5, 6]。
通过改进烟道形状、布置及加设导流叶片等措施，使得第一层催化剂上表面NOx浓度标准偏差(Cv)小于8%，而国外公司一般要求为15%（见图3）。对100%、75%和50%负荷等不同工况下进行分析，NOx浓度标准偏差都保持在8%以内。
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| 图3 BMCR工况下第一层催化剂上表面NOx的浓度分布（标准偏差=3.88） |
3.2 喷氨格栅设计
OI2-SCR技术通过对氨稀释空气与烟气的流速比、喷出角度、管束布置、AIG支撑等因素的影响进行了综合分析，通过数值计算，获取喷氨格栅上每一位置的开孔喷出的氨的流动轨迹及迁徙规律，以此为基础进行优化设计。针对国华太电烟气脱硝工程设计的喷氨格栅实物照片见图4，喷氨格栅分若干个支管，每根管子上开一定数量及尺寸的孔，氨稀释空气由此处喷 入烟道与烟气混合；同时，整个烟道截面被分成若干个控制区域，每个控制区域由一定数量的喷氨管道组成，并设有阀门控制对应区域的流量，以匹配烟道截面各处NOx分布的不均衡。该技术的实施，使得氨扩散及混合距离变得尽可能的短，同时又能保证第一层催化剂上表面的NH3/NOx摩尔比偏差小于5%，从而极大地降低了投资和运行费用。
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| 图4 喷氨格栅实物图 |
4. SCR系统的调试和运行
国华太电7号机组烟气脱硝装置于2006年1月20日完成168小时考核运行后，投运率达100%。试运时的脱硝效率为60%，后经初步调试，脱硝效率达到80%。氨逃逸率则一直控制在1.2×10-6以内。目前正进行AIG精调。
4.1 调试背景
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，调整甲侧SCR反应器的喷氨控制阀，使DCS显示脱硝效率为80%左右。在工况确认后，开始同时对锅炉甲侧SCR反应器第一层催化剂上侧和第二层催化剂下侧两个断面分布的测点，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。
4.2 调试结果
| 表1 第一层催化剂上侧NOx浓度 （2006年6月21日 8：30） |
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表1中，NOx浓度的平均值为197.73×10-6，平面各处NOx浓度分布可见图5。由表1和图5可见，第一层催化剂上侧NOx 浓度峰值出现在点C5、C6附近的I区，以及K4、K5为核心的II区。
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在对AIG进行粗调后（相当于均匀喷氨），第二层催化剂下侧NOx浓度见图6，其平均值为39.59×10-6，此时实测脱硝效率为79.98%，氨逃逸率为1.2×10-6。
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以I、II区域为核心，增加10~15%的喷氨量（其他区域维持不变），开始AIG精调试验，其效果如图7。可见，在增加喷氨量后，原来的峰值区变成了谷值区。这时第二层催化剂下侧NOx浓度的平均值为35.1×10-6，此时实测脱硝效率为82.24%，氨逃逸率为1.2~1.3×10-6。AIG的精调试验和运行工作正在进行中，可以预见，在AIG精调工作完成后，国华太电OI2-SCR装置的脱硝效率将达到90%以上。
5. 结论
国华太电2×600MW脱硝装置为已建机组脱硝改造工程，其反应器进口段空间十分有限，苏源环保公司采用自主知识产权的OI2-SCR烟气脱硝技术，主动利用不均理念下开发了专利技术“喷氨格栅”，在有限体积催化剂和较小氨逃逸率前提下，实现了较高的脱硝效率。在此基础上，优化了SCR装置的设计方法，充分体现了自主OI2-SCR烟气脱硝核心技术的竞争优势。该技术的成功开发及应用为我国大型火电烟气脱硝技术自主化、装备国产化探索了一条有效途径。
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