基于氨逃逸的SCR系统喷氨优化设计
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摘 要：随着经济不断发展，国家对环境的保护政策要求逐年提高，有些省市甚至把氨逃逸浓度作为考核条款，因此对脱硝系统进行优化调整越发重要。选择性催化还原法（SCR）的烟气脱硝技术具有高脱硝率、低氨气逃逸率的特点，已成为应用最广的技术。该文根据SCR的脱硝反应原理，分析出影响脱硝的因素，为脱硝反应器内喷氨的优化调整提供对策，从而有效地减少氨气的逃逸率。
关键词：烟气脱硝 SCR技术 氨逃逸 喷氨优化
中图分类号：X773 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（a）-0046-03
随着我国经济的稳定增长，电力市场逐步开放，使得电力的需求量和火电企业的规模在不断增加。火力发电厂是资源消耗型企业，在生产过程中消耗了大量的化石能源和其他资源，同时向周围环境排放大量有害物质。因此火电企业的大气污染控制，在我国大气污染防治中占有重要地位。
氮氧化物（NOx）是火电企业排放的主要污染物之一，有不同的组成形式，如，NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4和N2O5等，其中NO和NO2所占比例为90%以上，是导致酸雨、光化学烟雾、雾霾、臭氧层空洞等环境问题的重要原因。近年来，国家对大气中NOx的减排指标日益严格，现有所有火电机组NOx排放标准为100 mg/Nm3（特殊规定执行200 mg/Nm3），有专家预测未来燃煤锅炉的氮氧化物排放限值将会降低至50 mg/Nm3。因此，开发出高效可靠的NOx污染治理技术迫在眉睫。
1 脱硝技术
目前，在火电厂NOx污染物控制技术中，多用低 NOx燃烧技术和烟气脱硝技术。低NOx燃烧技术根据燃煤锅炉生成的NOx，主要由NO、NO2及微量N2O组成，采用燃烧优化、空气分级、燃料分级、烟气再循环、低NOx燃烧器等技术来降低NOx排放浓度。烟气脱硝首先采用低NOx燃烧技术，在此基础上还不能满足GB 13223-2011《火电厂大气污染物放标准》要求（如表1），可以采用选择性催化还原烟气脱硝（SCR）、选择性非催化还原烟气脱硝（SNCR）或选择性催化还原烟气脱硝/选择性非催化还原烟气脱硝（SCR/SNCR）技术，以到达满足国家排放标准，而SCR烟气脱硝技术应用的最为广泛[1]。
1.1 SCR脱硝反应原理
国内火力发电厂一般采用SCR同时辅助低氮燃烧技术，SCR的化学反应机理比较复杂。主要是NH3在一定催化剂（常用催化剂活性成分为V2O5/W2O3，载体为TiO2）的作用下，烟气温度位于催化剂活性温度300 ℃～400 ℃之间，有选择地把烟气中的NOx还原为N2，同时生成水[2]。具体脱硝反应如下所示。
4NO+4NH3+O24N2+6H2O （1）
NO+2NO2+2NH32N2+3H2O （2）
6NO2+8NH37N2+12H2O （3）
其中反应（1）是主反应。因为烟气中的大部分NOx均是以NO的形式存在的，在没有催化剂的情况下，这些反应只能在很窄的温度范围内进行（980 ℃左右），通过选择合适的催化剂，可以降低反应温度，并且可以扩展到适合电厂实际工况的290 ℃～430 ℃范围[3]。其主要反应过程如图1所示。
1.2 SCR的布置方式
选择性催化还原（SCR）主要采用4类布置方式：高灰高温型、低灰高温型、低灰低温型和烟道型[4]。每种SCR工艺均具有自己的特点，国内目前火力发电厂主要采用高灰高温型布置（如图2）。
高灰型SCR反应器布置在省煤器出口和空气预热器进口之间，适用于相对恶劣的工作环境，催化剂活性惰化较快，烟气温度合适（320 ℃～420 ℃），经济性最高[5]。但是该布置方式下，催化剂容易受到飞灰对其造成的污染、腐蚀、磨损和堵塞，使得催化剂寿命相应减短。
2 影响SCR脱硝系统的因素
2.1 NOx/NH3混合度的影响
SCR烟气脱硝反应的脱硝效率直接取决于烟气中NOx与NH3的混合度，从理论上讲，l mol的NOx完全被还原需要l mol的NH3，因此若喷氨量不足就容易降低脱硝效率，若过量喷氨保证了脱硝效率却又容易造成二次污染。因此当氨氮混合达到合理当量比，反应则充分完全，定义氨氮比不均匀性系数为：
式中：为氧氮比不均匀性系数；为入口界面上氧氮比标准差；为人口界面上氨氮比均值。如果过低则将造成SCR反应器局部区域脱硝效率降低或因NH3的过剩而形成氨逃逸，因此通过合理地布置烟道中导流板的位置、喷嘴格栅及喷嘴的流速，可以有效避免由于氨和烟气的混合不均带来的问题。保证系统内良好的氨氮混合比对实现SCR系统的超低排放及减少氨逃逸与硫酸氢铵（ABS）生成，具有重要意义[6]。
2.2 温度的影响
在烟气量和NOx/NH3恒定的条件下进行实验，发现低温段NOx脱除率相对较低，随温度上升NOx脱除率逐渐增大，当达到一定温度后保持相对稳定，随温度的进一步升高，NOx脱除率有所降低。 在各氨氮比下，脱硝效率均随着温度的升高先增大后减小，在380 ℃左右开始达到最大[7]。对于氨逃逸，随着温度的上升，反应速率增大，氨逃逸逐渐减小。NOx脱除率及氨逃逸随温度变化趋势如图3和图4所示。
产生这种情况的主要原因是，当催化剂采用V2O5-WO3/TiO2时，烟气温度降低，催化剂活性随之减弱，从而影响脱硝效率。烟气温度过低时，NH3与烟气中的SO2或SO3会发生不良反应，生成物铵盐黏附在催化剂表面堵塞微孔或腐蚀后续设备空预器[8]。因此为了降低温度对脱硝效率的影响，应当尽量保持锅炉工况的稳定或采取省煤器旁路来调整SCR脱硝系统烟气的入口温度。
3 SCR脱硝系统优化方案
3.1 传统方案
SCR脱硝装置优化设计与运行的关键在于如何尽可能保证反应器内烟气的流动场、温度场及反应物的浓度场（NH3/NOx）均匀分布，以确保达到要求的脱硝效率并降低氨气逃逸量。由于多数电厂内省煤器出口到SCR烟气脱硝反应器入口处之间的烟道的设计与布置都比较紧凑且有两个直角拐弯，致使烟气速度和温度分部不均，难以保证烟气与氨气的均匀混合（如图5）。因此，对SCR反应器进行改造十分必要。
目前SCR系统超低排放改造有3种较为常见的措施：第一种是增加催化剂的层数，这直接导致催化剂的利用率变低，并且催化剂后续处理工序麻烦，同时新增加催化剂可能导致SO3的升高及ABS的生成，这对于SCR系统的经济稳定运行都是不利的；第二种是优化SCR系统结构，通过在SCR系统内增加导流部件等改善系统内烟气的流动特性，但是导流部件的制作安装是一个庞大的工程，需要巨大的人力财力，因此该方法的应用具有一定的局限性；最后一种是增加喷氨量的方式实现超低排放，“粗犷”式地增加喷氨量导致氨逃逸升高，这直接造成ABS生产量增大，下游设备压阻升高，影响锅炉正常运行[9]。
由此可见，当前实现SCR系统超低排放改造的3种措施均具有一定的应用局限，找到一种切实可行的措施十分重要。
研究表明SCR烟气脱硝反应的脱硝效率直接取决于烟气中NOx与NH3的混合匹配度，即氨氮混合匹配度高则反应完全，否则将造成SCR反应器局部区域脱硝效率降低或因NH3的过剩而形成氨逃逸，因此保证系统内良好的氨氮混合比对实现SCR系统的超低排放及减少氨逃逸具有重要意义[10]。
科学合理的喷氨控制方法对于降低氨氮混合当量比的不均匀性尤为关键，当前各喷氨支管均匀分配喷氨量的方法显然是不合理的，而根据系统内流场/浓度场分布特性进行非均匀喷氨可以保证相对较好的氨氮混合比。
此方案采用单层喷管布置方式，喷管纵向排列，喷管共有20根，且每根喷管上设置喷嘴15个，喷嘴总数为300个。喷嘴以不同速度喷出时，可以增加烟道烟气的扰动性，因此对喷嘴进行简单的分区，靠近烟道壁面处Ⅰ区，中间的区域为Ⅱ区；提高Ⅰ区的喷射速度，降低Ⅱ区的喷氨速度，喷氨格栅的模型见图6。
经过多次模拟求解对喷氨速度的调整，最后选取I区的喷氨速度为15.2 m/s，Ⅱ区的喷氨速度为13.7 m/s。经过流场模拟，发现经调节后氨气进入催化剂入口处的浓度得到了较好的改善，浓度标准偏差为4.16%，满足了实际工程应用中反应器入口氨气浓度分布要求[11]。
但值得注意的是SCR脱硝系统长期运行一段时间后其内部流场特性及其随负荷的波动特性均会有所变动[12]。因此有必要定期测试烟道内的流场特性及NOx的浓度分布，及时调整各喷氨口阀门开度，以最大限度地保证SCR反应器内持续良好的氨氮混合当量比，保证SCR系统高效率、低成本运行及ABS的有效抑制。
4 结语
针对电厂燃煤机组的SCR脱硝系统，综合考虑催化剂进出口浓度场、温度场等因素及其变化规律，进行喷氨分布的优化调整。结果表明，当喷嘴数量为固定的情况下，将喷嘴分为边缘区域和中心区域两个区域，并分别采用不同的喷射速度，能够有效改善烟气的混合度，从而有效降低平均氨逃逸率，实现尾部烟道设备的安全运行。
参考文献
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