分區控氨技術在煉油廠選擇性催化還原煙氣脫硝中的應用

魏曉霞，齊慧敏，王明星，李 欣，李 勇，姜 陽，王昊辰

（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001）

分區控氨技術在煉油廠選擇性催化還原煙氣脫硝中的應用

魏曉霞，齊慧敏，王明星，李 欣，李 勇，姜 陽，王昊辰

（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001）

針對選擇性催化還原（SCR）脫硝反應器同截面溫度分布不均，導致NOx濃度分布不均，嚴重影響脫硝效果，采用傳統的均勻噴氨方式無法有效解決脫硝率低、局部氨逃逸的問題，以煉油廠自備鍋爐SCR脫硝裝置為研究對象，在SCR脫硝反應器入口煙氣NOx濃度分布不均的情況下，采用分區噴氨的控氨方式，提高脫硝率的同時改善反應器出口截面NOx濃度分布的均勻性，有效控制了氨逃逸。分區噴氨與均勻噴氨實驗數據相比，分區噴氨后脫硝率提高11.5百分點，氨耗量減少5kg/h，氨逃逸濃度降低77.5%。根據溫度和濃度的關系估算，均勻噴氨時反應器入口同截面溫度最高處和最低處溫差應不超過30℃，否則需考慮分區噴氨方式。

煙氣脫硝 分區噴氨 NOx分布 氨逃逸 脫硝率

氮氧化物是大氣主要污染物之一，降低煉油廠鍋爐尾氣NOx排放越來越受到關注［1－4］。選擇性催化還原（SCR）技術是當前研究廣泛、技術成熟的NOx末端處理工藝［5］。SCR煙氣脫硝的原理是在催化劑作用下，在煙氣中噴入還原劑NH3，將煙氣中的NOx還原成N2和H2O［6］。煙氣NOx與還原劑NH3適宜的配比是影響脫硝效果的主要因素之一，為了盡量避免氨逃逸［7］，實際運行中氨/氮摩爾比都會小于1，因為氨氣也是大氣污染物之一。一般的中小型SCR脫硝裝置，煙氣中的NOx可以通過混氨內構件實現二次混合，使煙氣中的NO和NH3達到均勻混合狀態，但如果煙道截面積過大，就無法通過局部混合解決整體分布不均的問題。在反應器的某些區域，NH3含量大于煙氣中的NOx含量，出現局部NH3過剩，從而形成氨逃逸；某些區域NH3含量小于煙氣中NOx含量，造成局部脫硝率降低。因為鍋爐設計的因素，有些煙氣NOx濃度分布不均問題無法徹底消除［8］，這種情況下可改變氨分布方式，提高NOx和NH3的匹配度。目前應用于燃煤鍋爐的幾種氨分布技術中，分區噴氨的控制方式能夠使噴入脫硝系統的氨氣與煙氣中的NOx濃度分布趨于一致，有效應對煙氣中NOx濃度分布不均問題，在提高脫硝率的同時也降低了氨逃逸量［9］。本課題通過研究煉油廠自備鍋爐均勻噴氨與分區噴氨方式煙氣中NOx的變化情況，分析溫度對NOx濃度分布的影響，并給出分區控氨合理的徑向煙溫變化范圍，對提高反應器出口截面NOx均勻性和解決大型鍋爐煙氣中NOx濃度分布不均造成的SCR脫硝反應器氨逃逸具有重要的現實意義。

1 分區噴氨優化實驗

1.1 SCR脫硝裝置基本設計工況

國內某煉油廠自備鍋爐，SCR脫硝反應器設計氣量450kt/a，脫硝設計入口NOx質量濃度在標準狀態下不大于550mg/m3，催化劑實際裝填2層，不設置備用催化劑床層，噴氨格柵在催化劑床層上方2 000mm處，均勻噴氨設計。設計脫硝率（以NO2計）不小于83.6%，氨逃逸質量濃度在標準狀態下不大于2.5mg/m3，在運行數月后空氣預熱器壓降升高，氨逃逸質量濃度在標準狀態下最高時可達8mg/m3，檢修時發現空氣預熱器處銨鹽結垢問題嚴重，查找原因后認為因鍋爐取熱方式不同，造成同截面煙氣中NOx濃度分布不均，原均勻噴氨裝置無法解決這一問題，后對噴氨系統進行了分區改造，并在分區改造結束后進行現場試驗。

1.2 測點分布及試驗方法

SCR脫硝反應器橫截面10 320mm×7 040mm，測點的布置是從反應器A側到B側（7 040 mm方向）間隔1 000mm取1個點，共取6個點，從爐前到爐后（10 320mm方向）間隔1 450mm取1個點，共取6個點，形成網格布點的6×6個測試點。分別對SCR反應器入口（噴氨格柵前）第1層催化劑床層出口截面和反應器出口截面進行NO濃度檢測。噴氨格柵分為32個噴氨區域，每個噴氨閥門控制1個噴氨區域，通過調節閥開度控制該區域的噴氨量。根據測試結果調整分區噴氨量，直至出口截面NO濃度和氨逃逸濃度達到設計值要求，記錄所測數據。煙氣中的NO濃度使用煙氣分析儀進行測定。溫度使用多點熱電偶測定，型號YAML7038G－6－K－L，長度3 700mm，范圍0～800℃。實驗中NO濃度的標準偏差計算式如下：

式中：σ為NO質量濃度的標準偏差，mg/m3；xi為測點NO質量濃度，mg/m3；n為測點個數；x—為NO質量濃度平均值，mg/m3。

2 結果與討論

2.1 均勻噴氨與分區噴氨方式的脫硝效果對比

SCR脫硝反應器均勻噴氨與分區噴氨方式的脫硝效果對比見表1。由表1可見：采用均勻噴氨時，裝置脫硝率為72.8%，氨耗量為38kg/h，氨逃逸濃度在標準狀態下為8mg/m3；采用分區噴氨時，裝置脫硝率為84.3%，氨耗量為33kg/h，氨逃逸濃度在標準狀態下為1.8mg/m3；與采用均勻噴氨方式相比，采用分區噴氨的脫硝率提高11.5百分點，氨耗量減少5kg/h，氨逃逸濃度降低77.5%，分區噴氨方式的脫硝效果顯著改善。

2.2 NOx濃度分布

用煙氣分析儀檢測SCR反應器入口NOx濃度（煙氣中NOx的組成為NO體積分數95%、NO2體積分數5%），從爐前到爐后各測點編號依次為1～6號，從A側到B側編號依次為1～6。SCR進口截面NO濃度分布見圖1。由圖1可見，爐前B側NO濃度低于爐后A側，而爐前A側NO濃度最高，整個截面NO濃度在標準狀態下最大值為104mg/m3，最小值為84mg/m3，最大值與最小值相差20mg/m3。另外，測量最大值與最小值間距離為7.5m，這個距離很難靠混氨內構件消除濃度差。根據式（1）、式（2）計算可知，NO濃度標準偏差為6.1mg/m3，反應器入口NO濃度分布偏離平均值幅度較大，煙氣中NO濃度分布不均勻。

表1 SCR脫硝反應器均勻噴氨與分區噴氨方式的脫硝效果對比

圖1 SCR進口截面NO濃度分布

分別對均勻噴氨和分區噴氨前后第一床層催化劑出口截面和反應器出口截面NO濃度進行檢測，并根據溫度和體積的關系，將測點NO標準狀態下的濃度換算為工況濃度，結果見圖2～圖5。從圖2可以看出，采用均勻噴氨時，NOx和NH3經過第一床層催化劑，在催化劑表面發生還原反應后煙氣中的NO濃度發生較大變化，爐后NO濃度高于爐前NO濃度，其中最大值為79.6mg/m3，最小值為7.6mg/m3，相差72mg/m3。根據式（1）、式（2）計算可知，采用均勻噴氨時，第一床層催化劑出口截面NO濃度標準偏差為21.41mg/m3，是入口NO濃度偏差的3.5倍。從圖3可以看出，采用均勻噴氨時，NOx和NH3經過第二床層催化劑后，煙氣中的NO濃度偏差趨勢進一步加劇，其中NO濃度最大值為71.4mg/m3，最小值為0（靠近爐前一側多個測點NO濃度為0）。根據式（1）、式（2）計算可知，采用均勻噴氨，反應器出口截面NO濃度標準偏差為20.28mg/m3。由反應動力學［10］可知，反應速率隨溫度、反應物濃度和催化劑的變化而變化，反應物氨濃度的增加促使反應速率加快，經催化劑床層后，入口NO濃度分布的偏差加大，而此時脫硝率為72.8%，并沒有達到設計值（83.6%）的要求，為了提高裝置的脫硝率只能增加氨投量，使得氨逃逸量增加，并難以在脫硝率和氨逃逸量之間達到平衡。從圖4可以看出，采用分區噴氨時，第一床層催化劑出口截面NO濃度分布比較均勻，NO濃度最大值為28.1mg/m3，最小值為14.9mg/m3，相差13.2mg/m3。由式（1）、式（2）計算，采用分區噴氨，NO濃度標準偏差為3.11mg/m3，較均勻噴氨第一床層催化劑出口截面NO濃度標準偏差減小18.3mg/m3。從圖5可以看出，采用分區噴氨，反應器出口截面NO濃度最大值為15.3mg/m3，最小值為8.0mg/m3，相差7.3mg/m3。由式（1）、式（2）計算，采用分區噴氨時，反應器出口截面NO濃度標準偏差為2.09 mg/m3，NO濃度分布偏離平均值的程度減小，反應器出口截面NO濃度分布較均勻。

2.3 溫度分布

圖2 均勻噴氨第一床層出口截面NO濃度分布

圖3 均勻噴氨出口截面NO濃度分布

對SCR反應器入口處（噴氨格柵前）溫度進行測定，結果見圖6。從圖6可以看出：煙道噴氨格柵前徑向溫度分布偏差較大，呈現出爐前高爐后低、A側高B側低的特點，這與NO濃度分布情況恰好相反；同一截面溫度最高為496℃，最低為369℃，溫差超過100℃，同截面溫度標準偏差為27.9℃。由傳質理論可知，單位面積氣體通過量是溫度的函數［11－12］，NO的傳質方向是由高溫向低溫傳遞，所以高溫區域NO濃度低于低溫區域NO濃度，因此可由溫度分布判斷NO分布情況，作為調整分區噴氨的依據和指導。

2.4 煙氣溫度差

圖4 分區噴氨第一床層出口截面NO濃度分布

圖5 分區噴氨反應器出口截面NO濃度分布

圖6 噴氨格柵前煙道截面溫度分布

在SCR脫硝反應中，為保證較高的脫硝效果，需要通過各種技術手段保證反應器內的流動場、溫度場及反應物的濃度場（NH3/NOx）均勻分布，目前改變大型鍋爐的溫度場還存在難度，但可以通過分區噴氨提高NH3/NOx的匹配度，溫度場的不均勻性具體到溫差多少時需要分區噴氨，可以通過計算得到。

還原劑NH3與NO的反應按摩爾比為1∶1進行，通常氨氮摩爾比的允許誤差不超過5%，均勻噴氨的情況下，要求反應器入口截面NO濃度偏差不超過5%，根據氣體溫度和濃度的變化關系［13］，可以得到不同溫度下的濃度值并計算其偏差。假設煙氣溫度為350℃，壓力為－300Pa，NO體積分數為200μL/L，以350℃為基準分別計算350，360，370，380，390，400℃工況下的NO濃度，并計算不同溫度與基準溫度（350℃）下NO濃度的偏差，結果見表2。從表2可以看出，同截面溫度差越小，NO濃度偏差也越小，分布越均勻，當溫度為380℃時NO濃度偏差為4.5%，390℃時NO濃度偏差為6.0%，為保證NO濃度偏差在5%以下，均勻噴氨時同截面煙氣溫度差不得超過30℃，否則需考慮分區噴氨方式。

表2 不同溫度與基準溫度下NO濃度的偏差

3 結 論

（1）通過分區噴氨提高了SCR脫硝反應器還原劑NH3和煙氣中NOx的匹配度，相同工況下，分區噴氨較均勻噴氨的脫硝率提高11.5百分點，氨逃逸率降低77.5%，氨耗量降低5kg/h。

（2）未分區噴氨時，煙氣經過兩床層催化劑后NO濃度標準偏差為21.41mg/m3，分區噴氨后NO濃度標準偏差降至2.09mg/m3，說明分區噴氨提高了反應器出口截面煙氣中NO的均勻性。

（3）由煙氣溫度和工況下NO濃度的函數關系，根據假設煙氣條件進行計算，得到需要分區噴氨的徑向截面煙氣溫度差，進入反應器的徑向截面溫度最高和最低處溫差不應超過30℃，否則需考慮分區噴氨。

［1］ 朱林，吳碧君，段玖祥，等 .煙氣脫硝催化劑生產與應用現狀［J］.中國電力，2009，42（8）：61－64

［2］ 孫雅麗，鄭驥，姜冰 .燃煤電廠煙氣氮氧化物排放控制技術發展現狀［J］.環境科學與技術，2011（S1）：174－179

［3］ 楊衛娟，周俊虎，劉建忠，等.選擇催化還原SCR脫硝技術在電站鍋爐的應用［J］.熱力發電，2005，34（9）：10－14

［4］ 徐亦淳，翟德雙.1 000MW機組降低鍋爐NOx排放技術研究與應用［J］.中國電力，2015，48（12）：85－90

［5］ 李虎，商克峰，魯娜，等.沿面放電氧活性物質注入協同SCR脫除煙氣中NOx［J］.環境科學學報，2015，35（7）：2025－2029

［6］ 張強.燃煤電站SCR煙氣脫硝技術及工程應用［M］.北京：化學工業出版社.2007：287－288

［7］ 馬雙忱，金鑫，孫云雪，等.SCR煙氣脫硝過程硫酸氫銨的生成機理與控制［J］.熱力發電，2010，39（8）：12－17

［8］ 陳山 .大型電站鍋爐煙氣脫硝選擇性催化還原系統優化研究［D］.杭州：浙江大學，2007

［9］ 曹志勇，譚誠軍，李建中，等.燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝系統噴氨系統優化調整試驗［J］.中國電力，2011，44（11）：55－58

［10］陳甘棠.化學反應工程［M］.3版 .北京：化學工業出版社，2008：10－12

［11］王補宣.工程傳熱傳質學（下冊）［M］.北京：科學出版社，2015：516－544

［12］賈紹義，柴誠敬.化工傳質與分離過程［M］.2版 .北京：化學工業出版社，2014：25－27

［13］傅獻彩，沈文霞，姚天楊，等 .物理化學［M］.5版 .北京：高等教育出版社，2005：18－20

APPLICATION OF PARTITION AMMONIA INJECTION IN SCR DENOxOF REFINERY FLUE GAS

Wei Xiaoxia，Qi Huimin，Wang Mingxing，Li Xin，Li Yong，Jiang Yang，Wang Haochen
（SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，Fushun，Liaoning113001）

Uneven distribution of temperature on the same cross－section of a SCR（selective catalytic reduction）de NOxreactor results in an uneven distribution of concentration of NOx，which seriously affects the SCR de NOxeffect.Further，the traditional uniform ammonia injection method fails to effectivelyaddress the problem of low removal efficiency and local ammonia slip.In this work，the SCR deNOxdevice of refinery self－provided boilers was studied.The partition ammonia injection technique was employed to improve the NOxdistribution and diminish the ammonia escape in the case of non－uniform distribution of NOxconcentration in flue gases at the inlet of SCR deNOxreactor.Compared with the uniform ammonia injection method，the partition ammonia injection makes NOxremoval rate increase by 11.5percent points，while ammonia consumption is reduced by 5kg/h，and ammonia escape is declined by 77.5%.According to the estimation based on the relationship of temperature and concentration，if the different of highest and lowest temperature in the same cross－section of the reactor inlet is more than 30℃in the case of uniform ammonia injection，the partition ammonia injection method should be taken into consideration.

flue gas denitration；partition ammonia injection；NOxdistribution；ammonia escape；denitration rate

2016－11－30；修改稿收到日期：2017－01－16。

魏曉霞，碩士，工程師，主要從事FCC煙氣脫硝技術研究工作。

魏曉霞，E－mail：weixiaoxia.fshy＠sinopec.com。