SNCR-SCR耦合脫硝中還原劑均布性的研究

秦亞男,楊 玉,時 偉,馬煒晨,周 昊,岑可法

（浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室,浙江杭州310027）

SNCR-SCR耦合脫硝中還原劑均布性的研究

秦亞男,楊 玉,時 偉,馬煒晨,周 昊,岑可法

（浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室,浙江杭州310027）

為了提高選擇性非催化還原-選擇性催化還原（SNCR-SCR）耦合脫硝中還原劑濃度在尾部煙道內分布的均勻性,以某60 MW四角切圓煤粉爐為原型,按1∶10的比例搭建混合SNCR-SCR脫硝系統冷態實驗臺.設計了2種補氨方案,分析不同工況下還原劑的分布趨勢和標準偏差.結果表明,布置補氨噴槍后,SCR入口還原劑的均布性明顯得到了改善,濃度分布的標準偏差系數從62%降低到了43%.根據冷態實驗結果,將優化后的補氨方案應用于現場鍋爐,SNCR和SCR脫硝過程的效率分別達到了43%和66%,聯合脫硝效率提高了54%,氨逃逸的體積分數小于5×10－6.

混合選擇性非催化還原-選擇性催化還原；補氨；還原劑；均布性

選擇性非催化還原（SNCR）和選擇性催化還原（SCR）是2種常用的降低電站鍋爐NOX排放量的燃燒后處理技術［1］.SCR技術具有脫硝效率高（60%～95%）、氨逃逸體積分數低的優點［2］,但是催化劑的安裝費用非常昂貴［3］,在運行過程中還會出現催化劑中毒、失活、腐蝕等問題［4-5］,導致催化劑的維護成本升高.與SCR相比,SNCR系統的安裝和運行成本都較低,但脫硝效率只有30%～60%［6］,遠低于SCR的脫硝效率,而且存在不同程度的氨逃逸［7-8］,造成大氣的二次污染.

混合SNCR-SCR煙氣脫硝技術是一種將SNCR技術與SCR技術有機結合起來的新型脫硝技術［9］.雖然SCR的脫硝效率較高,我國仍有大量的中小型鍋爐采用管式空氣預熱器,用于布置催化劑的空間比較狹小；另一方面,電廠不宜存放液氨罐,而尿素熱解制氨耗電量非常大.采用SNCRSCR混合技術可以節省催化劑的用量,降低對布置空間的要求；利用爐膛高溫進行尿素熱解制氨,減小了運行成本.Gibbons等［10］在一項工程應用中發現,將SNCR階段的氨氮摩爾比設定為0.75,可以使系統每年節省$2.8×106.Wendt等［11］提出當SNCR階段的脫硝效率大于60%時,利用SNCRSCR混合工藝能夠明顯地減少催化劑的用量.Wright等［12］通過研究發現,與單獨使用SCR技術相比,應用新型的SNCR／SCR混合技術,每還原1 t NOX,成本將減少$90.蔡小峰等［13］分析了混合脫硝工藝的經濟性,當SNCR階段脫硝效率為55%,總脫硝效率為75%時,SCR階段的催化劑成本可以節省50%.根據混合SNCR-SCR脫硝系統在煤粉爐上的實際運行情況［14］,受到鍋爐切圓燃燒的影響,噴入爐膛未參與SNCR反應的還原劑隨著煙氣旋流在尾部煙道的后墻聚集,到達高溫省煤器入口時前墻體積分數低于后墻［14-15］,此時還原劑分布的均勻性較差,導致SCR的脫硝效果降低［16］.

在單獨的SCR系統中,可以對專用的噴氨裝置（AIG）、導流板等輔助設施進行改進,提高催化劑入口還原劑的均布性［17-18］,但關于SNCR-SCR混合系統還原劑均布性的研究很少.Nguyen等［19］對SNCR-SCR脫硝過程進行中試實驗和數值模擬,發現大小不均勻的液滴強化了SNCR區域液滴與煙氣的混合；龔家猷等［14,20］在鍋爐轉向室入口增加了擾動蒸汽流,提高了省煤器入口還原劑的均布性；Chen等［21］將還原劑分成兩部分,一部分從SNCR噴槍噴入,一部分從SCR催化劑入口噴入,提高了SNCR-SCR系統的脫硝效率,但他們未對催化劑入口還原劑的均布性作詳盡的研究；Zhou等［22］設計了一種尿素耦合SCR脫硝的方案,提高了催化劑入口NO和NH3體積分數的均布性,在該脫硝方案中,還原劑全部都從爐膛前墻噴入.

針對混合SNCR-SCR系統中還原劑不足及煙氣與還原劑混合不均等不利于SCR反應的問題,本文以某60 MW四角切圓煤粉爐為例,在尾部煙道上布置補氨噴槍,從冷態實驗和現場應用兩方面對比研究了不同的補氨方式對催化劑入口還原劑均布性的影響,為其他混合SNCR-SCR脫硝系統的有效運行提供依據.

1 冷態實驗系統

1.1 實驗裝置

以某電廠60MW四角切圓煤粉爐為原型,按照1∶10的比例進行冷態模化,搭建了SNCR-SCR混合系統實驗臺.本文采用岑可法［23］提出的爐內等溫模化方法,模化計算的結果如表1所示.表中,v為入口速度,θ為入口溫度,ρ為氣體密度,μ為氣體黏度,L為特征尺寸,Re為雷諾數.

表1 模化計算結果匯總Tab.1 Summary of modeling calculations

實驗模型采用空氣代替煙氣,根據計算可知, Re大于臨界值105,氣流運動進入自模化狀態.如圖1所示為實驗裝置圖,由實驗模型、主氣路、還原劑噴射系統和測量段組成.實驗模型由有機玻璃制作而成,入口斷面尺寸為837 mm×837 mm,尾部煙道斷面尺寸為513 mm×837 mm.

如圖2所示為實驗模型的內部結構圖.模型內安裝了換熱器和SCR催化劑,它們分別采用有機玻璃和海綿來制作.實驗選用4-72型離心風機,當風機工作時,空氣流動的方向與原型中煙氣流動的方向一致.

1.2 還原劑噴射系統

實驗采用CO代替還原劑,CO與高壓空氣混合后噴入爐膛內,噴射方案如圖3所示.實驗時,總的送氣體積流量為16 m3／h,其中CO的噴射體積流量為0.6m3／h,由質量流量計控制.

如圖3所示,在SNCR反應區域布置了3層還原劑噴射層,下層布置在折焰角下方,距離模型入口185 mm,上層布置在折焰角上方,與下層間距為746 mm,中層與上層的距離為368 mm.對照圖1、3可知,圖1的端口1、2、3、4分別與圖3的端口1′、2′、3′、4′（或4′）連接.

圖1 冷態實驗系統圖Fig.1 Schematic diagram of cold test facility

圖2 冷態實驗模型的內部結構Fig.2 Internal structure of cold test facility

圖3 還原劑噴射系統的布置方案Fig.3 Arrangement of reducing agent injection system

本文設計了如下2種補氨層的布置方案.

1）布置在尾部煙道側墻.如圖1所示,將尾部煙道另一面側墻上的噴孔記為a′、b′、c′,噴孔a與a′、b與b′、c與c′分別關于鍋爐中心面對稱.

2）布置在尾部煙道前墻.在尾部煙道前墻上均勻布置4個噴孔,噴孔間距為160 mm.

2 冷態實驗內容和方法

實驗內容包括如下3個方面：1）測量省煤器和SCR催化劑入口的速度場分布；2）測量采用方案1時的還原劑體積分數分布；3）測量采用方案2時的還原劑體積分數分布.

速度和CO體積分數分別采用熱線風速儀、德圖煙氣分析儀測量,測孔分布如圖1所示.測量時,把儀器探測端伸進其中一個測孔,每間隔7 cm測一個值,共測量11個數據,布置成10×11的測點矩陣,如圖4所示.

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout scheme of measuring points

如表2所示為測量工況匯總表,每個噴孔的送氣量由浮子流量計控制.表中,qVup為上層SNCR噴射層體積流量,qVmid為中層SNCR噴射層體積流量,qVcom為補氨層噴射體積流量.

表2 冷態實驗工況匯總Tab.2 Summary of cold experiment cases

3 冷態實驗結果與討論

3.1 速度場分布

實驗前,利用熱線風速儀測量省煤器和SCR催化劑入口的速度場,如圖5、6所示.圖中,W為寬度,D為高度.

圖5 省煤器入口速度場分布Fig.5 Velocity distribution of economizer inlet

圖6 SCR催化劑入口速度場分布Fig.6 Velocity distribution of SCR catalyst inlet

從圖5可以看出,靠近尾部煙道前墻的地方存在明顯的低速區（黑色區域）,平均速度為1 m／s,這是因為氣流受到了轉向角和離心力的雙重影響.氣流從水平煙道轉向垂直煙道時仍保留一定的慣性,因此,當氣流到達省煤器入口時,大部分氣流在垂直煙道的外側匯聚；同時,受到轉向角的阻擋（見圖2）,只有極少部分氣流到達尾部煙道前墻附近.在距離轉向角稍遠的地方,出現了高速區,平均速度達到6 m／s（深灰區域）,這可能是因為氣流流經水平煙道的直角形邊緣時,向后墻聚集,產生了一個高速區域.在距離轉向角更遠的地方,速度分布較均勻（淺灰區域）.

對比圖5、6可以發現,當氣流穿過省煤器到達SCR催化劑入口時,由于氣體的擴散和省煤器的均流作用,低速區的平均速度升高至2.3 m／s,高速區向后墻移動,平均速度降到5 m／s,整個截面速度的分布趨于均勻.

3.2 體積分數分布

如圖7所示為沒有布置補氨噴槍時測得的CO體積分數分布.可以看出,大部分CO分布在后墻和側墻附近,煙道前墻附近的CO體積分數較低,小于6×10－5,這與圖6中的速度場分布大致相同.

圖7 工況1中CO的體積分數分布Fig.7 Volume fraction distribution of CO in case 1

如圖8、9所示為布置了補氨噴槍后的測量結果.投運SNCR噴射層之后,混合著還原劑的煙氣旋流集中分布在流道的外側,當它進入尾部煙道時,卷吸夾帶補氨噴槍噴出的還原劑,在不同程度上強化了還原劑與煙氣的混合.

對比圖8（a）～（c）可知,工況4中CO的體積分數分布最均勻.這是因為噴孔a（a′）和b（b′）布置在低速區附近,而噴孔c（c′）布置在高速區內（見圖5）,從噴孔c（c′）噴出的還原劑與氣流混合劇烈,CO擴散得比較充分.

如圖9所示為補氨噴槍布置在尾部煙道前墻時的CO分布圖.在該工況下,補氨噴槍布置在SCR催化劑入口（見圖1）.對照圖6可知,前墻上的4個噴孔均布置在低速區,該區域的平均速度（2.3 m／s）與圖5中的中高速區（4 m／s）相比略低,還原劑受到氣流的卷吸作用較小.CO在高壓空氣的作用下發生了強制流動,能夠到達距離噴頭較遠的地方.與工況4相比,工況5中還原劑的均布性較高.

綜合分析工況1～5的測量結果可知,在尾部煙道布置補氨噴槍可以有效地提高SCR催化劑入口還原劑體積分數分布的均勻性.

3.3 標準偏差系數

為了更直觀地表征上述5種工況中還原劑體積分數分布的均勻性,采用標準偏差系數,定義如下：

式中：CV為標準偏差系數；σ為標準差,為所有測點CO體積分數的平均值（10－6）；Xi為第i個測點CO的體積分數.

根據式（1）、（2）,計算5個工況下的標準偏差系數.按照從低到高的順序依次為：43%、49%、52%、 56%、62%,分別對應工況5、4、2、3和1,這與體積分數分布的結果相一致.

圖8 工況2～4中CO的體積分數分布Fig.8 Volume fraction distribution of CO from case 2 to case 4

圖9 工況5中CO的體積分數分布Fig.9 Volume fraction distribution of CO in case 5

4 現場應用情況

參照冷態實驗的測量結果,對原型鍋爐進行SNCR／SCR脫硝改造,改造前鍋爐的運行工況如表3所示.表中,E為鍋爐蒸發量,qV為134℃下的煙氣體積流量,θSCR為SCR催化劑入口溫度.

表3 鍋爐的運行工況Tab.3 Operating conditions of utility boiler

本次脫硝改造的還原劑采用尿素溶液,在不同的噴射方案下,干尿素顆粒的質量流率為100 kg／h,50%濃度的尿素溶液控制在0.25 m3／h左右,稀釋水量控制在1.7 m3／h左右.根據表3的煙氣體積流量和標準狀況下每立方米煙氣所含的NOX質量,經過計算可知,氨氮摩爾比為1.4.

如圖10所示為脫硝改造示意圖.根據在線監測數據可知,下、中、上層噴槍以及尾部補氨噴槍分別布置在1 000～1 050、920～980、790～850和420～450℃的溫度區域.

改造時,投運中層和上層噴槍,選擇是否投運尾部補氨噴槍,測量SCR催化劑進出口的NOX體積分數和氨逃逸,測量方法如下.

1）通過在線分析儀表單點測量SCR入口處的NOX體積分數,測孔距離前墻2 m,測點距離測孔1.5 m（見圖10）.

2）通過在線分析儀表多點測量SCR出口處的NOX體積分數,結果取平均值.測孔均勻分布在前墻上,孔間距為2 m（見圖10）.

圖10 脫硝改造示意圖Fig.10 Schematic diagram of denitration transformation

如圖11所示為2種噴槍投運方式下測量得到的NOX體積分數.如圖11（a）所示,當只投運中層和上層SNCR噴槍時,NOX在出口截面上分布很不均勻.經過計算可知,截面NOX體積分數的平均值為130×10－6,換算后為260 mg／m3,整體脫硝效率僅為26%.

圖11 SCR催化劑出口的NO X體積分數分布Fig.11 NO X volume fraction distribution of SCR catalyst outlet

如圖11（b）所示,當同時投運中層、上層和補氨噴槍時,NOX在出口截面上的分布相對均勻,截面NOX體積分數的平均值為37.4×10－6（67.8 mg／m3）.SCR入口NOX質量濃度為200 mg／m3.結合SNCR入口NOX體積分數（見表3）可知,當采用該噴槍投運方式時,SNCR和SCR過程的脫硝效率分別為43%和66%,聯合脫硝效率達到80%,與第一種投運方式相比,聯合脫硝效率提高了54%,氨逃逸體積分數約為2.2×10－6,脫硝效果良好.

5 結 語

為了提高SNCR-SCR耦合脫硝中還原劑濃度在尾部煙道內的均勻性,本文以某60 MW四角切圓煤粉爐為例,分別進行冷態實驗和現場應用.

在冷態實驗中,本文提出2種補氨噴槍的布置方案：1）布置在尾部煙道側墻；2）布置在尾部煙道前墻.結果發現,采用2種方案均可以提高SCR催化劑入口的還原劑體積分數分布均勻性.采用第1種方案時,將補氨噴槍布置在靠近尾部煙道中心軸線的地方,還原劑分布最均勻,標準偏差系數為49%；采用第2種方案時,標準偏差系數為43%,略低于工況4.

參照冷態實驗結果,對現場鍋爐進行熱態脫硝改造.結果表明,在尾部煙道前墻投運補氨噴槍以后,SNCR和SCR過程的脫硝效率分別為43%和66%,聯合脫硝效率提高了54%,氨逃逸體積分數約為5×10－6,脫硝效果良好.

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Uniform distribution characteristics of reducing agent on hybrid SNCR-SCR process

QIN Ya-nan,YANG Yu,SHI Wei,MA Wei-chen,ZHOU Hao,CEN Ke-fa
（State Key Laboratory of Clean Energy Utilization,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

A cold test bench was built based on a commercial 60 MW tangentially coal-fired utility boiler with a scale of 1∶10 in order to improve the uniform distribution characteristics of reducing agent in the tail flue on hybrid selective non-catalytic reducing and selective catalytic reducing（SNCR-SCR）process.Two ammonia supplementary programs were designed.Measurements were conducted to analyze the trends and standard deviation of concentration distribution of reducing agent in different cases.Results showed the standard deviation factor decreased from 62%to 43%which indicated the uniformity of reducing agent was obviously improved.After applying optimized ammonia injection procedure ever gotten,the De-NOXefficiency of SNCR and SCR process achieved 43%and 66%,respectively.The total efficiency of combined De-NOXprocess increased by 54%and the ammonia slip was no more than 5×10－6.

hybrid selective non-catalytic reducing and selective catalytic reducing（SNCR-SCR）；ammonia complement；reducing agent；uniformity

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.07.008

TK 224

A

1008- 973X（2015）07- 1255- 07

2014- 05- 17. 浙江大學學報(工學版)網址：www.journals.zju.edu.cn／eng

浙江省自然科學基金資助項目（LZ12E06002）.

秦亞男（1990－）,女,碩士生,從事SNCR-SCR耦合脫硝中還原劑的霧化和分布的研究.ORCID：0000-0001-7984-9864.

E-mail：21227038＠zju.edu.cn；623722086＠qq.com

周昊,男,教授.E-mail：zhouhao＠cmee.edu.cn