低浓度瓦斯燃气内燃发电机组烟气脱硝装置优化设计研究
摘要：基于日益严峻的大气污染形势，针对低浓度瓦斯燃气内燃发电机组排放NOx污染物的特点，对其烟气脱硝系统进行优化设计研究。研究结果表明，根据烟气排放的测试数据，采用SCR（选择性催化还原）脱硝技术控制低浓度瓦斯内燃机发电机组的排放是最佳途径。为了保证高脱硝效率，对其烟气脱硝装置进行了优化设计研究。
目前，中国是瓦斯排放量较高的国家之一，且大部分是从煤矿中排放出来，排放量约占世界的45%。煤矿瓦斯的来源主要包括：
a)从矿井的抽采系统中排放出来的瓦斯；
b)从钻井过程中排放出来的瓦斯；
c)从矿井通风系统中回风排放出来的瓦斯，其中包括通风系统中2/3以上的低浓度瓦斯（体积分数小于30%）。
近年来，国内的低浓度瓦斯（体积分数约10%左右）更多是应用于发电行业，从而实现其资源化利用。如果瓦斯不加以利用直接排放到大气中，其引发的温室效应是CO2的数倍。因此，瓦斯发电既可以有效地解决瓦斯事故、改善安全生产条件，又有利于增加洁净能源供应、减少温室气体排放，实现保护生命、保护资源、保护环境的多重目标。
在低浓度瓦斯发电的燃烧利用过程中，产生的污染物主要是大量的NO和少量的NO2等。鉴于瓦斯内燃发电设备的特点，排放的NOx浓度比燃气轮机和燃气锅炉要高。近些年，虽然中国大气污染防治工作取得了一定成效，但大气污染形势依然严峻，不容乐观，因此，低浓度瓦斯燃气内燃发电机组的烟气治理也显得十分必要。基于此，针对瓦斯发电燃烧利用过程排放的NOx进行烟气脱硝系统的优化设计研究。
A公司三期（低浓）工程以煤业井下抽放的低浓度瓦斯为燃料，采用燃气内燃机发电机组。矿井日抽放低浓度瓦斯1.0×105Nm3，抽放瓦斯体积分数为9%～30%，平均12%左右。工程总装机容量为16.5MW，其中，燃气内燃发电机组装机容量为15MW，凝汽式汽轮发电机组装机容量为1.5MW。低浓度瓦斯发电机组尾气排放数据：NOx排放值（5%O2）为1165～1630mg/Nm3，CO排放值（5%O2）为1.79g/(kW·h)，HC排放值（5%O2）为0.39g/(kW·h)，排放气中O2的体积分数为11%。基于国家环保排放标准，以该工程为例对低浓度瓦斯燃气内燃发电机组烟气脱硝系统的优化设计进行了研究。
01烟气脱硝方案的确定
低浓度瓦斯发电是内燃机利用瓦斯在气缸内燃烧，所产生的燃气直接推动活塞作功。采用试验仪器对低浓度瓦斯发电内燃机组产生高温烟气进行了测量，其质量浓度为1000～2000mg/Nm3，主要成分是NO，烟气排放温度为300～600℃。如果采用燃烧中控制技术治理NOx，需要对内燃机进行较大技术改造，且实施技术难度较大，成本较高。如果采用燃烧后控制技术，由于SCR相对成熟，温度窗口合适（SCR脱硝的温度窗口为290～700℃），因此，SCR脱硝技术适用于低浓度瓦斯燃气内燃发电机组烟气脱硝项目。
图1给出了烟气SCR脱硝系统图。尿素还原剂供给系统（SCR还原剂采用尿素）、喷枪系统、SCR反应器（含2层蜂窝状催化剂）、电气控制系统和烟道等共同组成了低浓度瓦斯燃气内燃发电机组烟气脱硝系统。
高温烟气从低浓度瓦斯内燃机排出后进入到SCR脱硝装置内，尿素溶液通过雾化喷嘴喷入烟道内，尿素在高温条件下生成还原剂NH3。为了保证还原剂与高温烟气的充分彻底混合，考虑在烟道内设计混合器。混合后气体在SCR反应器催化剂的作用下发生还原反应，实现NOx的高效脱除。尿素喷射量则根据检测控制系统反馈出来的烟气流量和NOx含量决定。
02烟气脱硝系统关键技术参数
尿素还原剂制备系统按三期（低浓）工程一台9t/h余热锅炉设计。还原剂制备车间布置在三期工程场地内，与余热蒸汽锅炉相邻布置。单台余热锅炉入口烟气量64590Nm3/h，入口烟气温度正常500℃，最高560℃，采用SCR脱硝技术，还原剂制备工艺为尿素热解法，催化剂为国产中温型蜂窝式催化剂，催化剂水平布置，脱硝装置进口NOx质量浓度（运行工况）为1165～1630mg/Nm3（5%O2），脱硝装置进口NOx质量浓度为611.25mg/Nm3（15%O2），脱硝装置出口NOx质量浓度＜50mg/Nm3（15%O2，全部折算到NO2），脱硝装置设计效率≥92%。
03烟气脱硝装置优化设计研究
为了保证高脱硝效率，采用数值模拟的方法对其烟气脱硝装置进行了优化设计研究。图2给出了CFD（计算流体动力学）烟气脱硝装置模型示意图。模拟边界从低浓度瓦斯内燃机烟气排口开始，包括系统入口烟道、导流板、SCR反应器、出口烟道等，通过脱硝系统的优化设计研究保证系统的高效性。
首先确定研究目的，然后根据脱硝装置的初始设计方案建立数学模型，假定边界条件，最后进行优化设计研究。研究目的是，通过对不同工况下烟气流场分布特性的研究，依据关键的技术参数（速度分布、温度、NOx/NH3以及系统压降等），通过优化设计研究导流板和烟道布置形式等，保证高脱硝效率及较低的系统压损。
图3给出了低浓度瓦斯内燃机烟气脱硝装置的烟气流线图。从图3中可以看出，高温烟气在烟道扩口段经过5块直型导流板进入SCR反应器后，烟气充满整个SCR反应器内，可以充分利用催化剂实现高效脱硝反应，且入射角较小，保证还原剂NH3和NOx顺利通过催化剂发生还原反应。
图4给出了第一层催化剂上游速度分布云图。从图4中看出，该截面外侧速度相对较快，上下底部相对较慢，但是整体速度分布相对均匀。通过计算可知，该截面的速度标准偏差Cv值为9.34%，达到了技术参数的指标要求。
图5给出了第一层催化剂上游速度入射角的余弦值分布图，即x方向速度值与y方向速度值比值。该图反映了混合气体是否能顺利通过催化剂发生化学反应。其中，入射角最大变化为±8.7℃，达到了技术参数的指标要求。
图6给出了SCR脱硝反应器内第一层催化剂上游游氨浓度分布图。通过计算可知，该截面的氨浓度标准偏差为4.15%，达到了技术参数的指标要求。
图7给出了第一层催化剂上游的温度分布图。通过计算可知，该截面平均温度为499℃，温度在第一层催化剂上游截面分布相对均匀，温度分布的最大偏差为±2.6℃，达到了技术参数的指标要求。
烟气流经转弯段、渐扩段和渐缩段等烟道时会产生涡流、加速或减速等引起能量损失，从而造成压力损失。所以，为同时实现高效率和低压损，通过优化设计导流装置和整流装置的形式和布置方式，使烟气流动平稳过渡，分布均匀，避免产生涡流。图8为SCR脱硝系统的压力分布云图，加装脱硝系统（包括催化剂）后阻力为613Pa，达到了技术参数的指标要求。
04结语
基于国家环保排放标准，对低浓度瓦斯燃气内燃发电机组烟气脱硝系统设计进行了研究，主要结论如下：
a)在SCR脱硝反应器入段设计3组导流板，以保证内燃机组脱硝反应器的流场分布均匀。
b)催化剂上游截面整体气流速度分布均匀，速度Cv值为9.34%；入射角最大变化为±8.7℃；氨浓度分布标准偏差为4.15%；温度最大偏差为±2.6℃，脱硝系统阻力为613Pa。
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