分區(qū)控氨技術(shù)在煙氣NOx超低排放中的應(yīng)用

王明星，李 欣，李 勇，劉忠生，金 平

（中國(guó)石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045）

NOx可造成酸雨，危害人體健康，是光化學(xué)煙霧的誘因之一，世界各國(guó)對(duì)其排放控制均很?chē)?yán)格。選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、脫硝效率高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外煙氣脫硝裝置中廣泛應(yīng)用［1］。我國(guó)的煙氣SCR脫硝裝置在早期都按照ρ（NOx）≤100 mg/Nm3設(shè)計(jì)。在國(guó)家相關(guān)部門(mén)發(fā)布《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》后，絕大多數(shù)裝置都進(jìn)行了改造，通過(guò)設(shè)置選擇性非催化還原（SNCR）反應(yīng)器或低氮燃燒器，采用“SNCR或低氮燃燒+SCR”的聯(lián)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)ρ（NOx）≤50 mg/Nm3的超低排放。

某燃煤鍋爐煙氣脫硝裝置在設(shè)置低氮燃燒器后，仍無(wú)法保證ρ（NOx）≤50 mg/Nm3的超低排放指標(biāo)，且氨逃逸量超標(biāo)較嚴(yán)重。本文通過(guò)對(duì)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和問(wèn)題分析，提出分區(qū)控制式噴氨格柵的結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)了超低排放和對(duì)氨逃逸的控制，可為類(lèi)似裝置的設(shè)計(jì)或改造提供參考。

1 SCR脫硝工藝常用的噴氨裝置

1.1 渦流式靜態(tài)混合噴射裝置

該裝置配合靜態(tài)混合器使用。噴氨噴嘴數(shù)與靜態(tài)混合器單元數(shù)保持一致，噴嘴直徑一般較大，不易發(fā)生堵塞，且加工成本低，具有好的操作彈性，系統(tǒng)綜合效果好。主要缺點(diǎn)是靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓降較大，煙氣混合距離較長(zhǎng)。［2-4］

1.2 線性控制式噴氨格柵

該裝置特點(diǎn)是沿著煙道相互垂直的2個(gè)方向分別引出若干根噴氨管，每根管上又設(shè)置若干個(gè)噴嘴，每根管的流量可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)噴氨量與煙氣中NOx含量的相互匹配。主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)壓降小；同時(shí)建設(shè)維護(hù)成本低，操控簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是只能調(diào)節(jié)整根管流量，同一根管上各噴嘴流量不可調(diào)節(jié)，無(wú)法適應(yīng)煙氣橫截面NOx分布不均的狀況，對(duì)下游的導(dǎo)流板依賴程度高；而且噴嘴數(shù)量多、口徑小，制造成本高，容易堵塞，導(dǎo)致噴氨不均勻。［2-4］

1.3 分區(qū)控制式噴氨格柵

該裝置特點(diǎn)是把煙道橫截面分成若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有若干個(gè)噴嘴，可以單獨(dú)控制每個(gè)區(qū)域的噴氨量，從而實(shí)現(xiàn)噴氨量與煙氣中NOx含量的相互匹配。該裝置適用于煙道橫截面積大、且NOx濃度分布嚴(yán)重不均或需要高效脫硝等工況［5］。噴氨分區(qū)控制克服了線性控制噴氨格柵調(diào)節(jié)性差的缺點(diǎn)，但控制較復(fù)雜、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)、操作要求高。［2-4］

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與問(wèn)題分析

2.1 SCR脫硝裝置設(shè)計(jì)工況

某燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)安裝在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間。該裝置以氨為還原劑，煙氣處理量為450 000 Nm3/h。原設(shè)計(jì)SCR脫硝反應(yīng)器入口ρ（NOx）為550 mg/Nm3，出口ρ（NOx）≤100 mg/Nm3，噴氨格柵采用線性控制式氨噴射技術(shù)，噴氨格柵橫截面與脫硝反應(yīng)器橫截面相同，均為10 000 mm×7 000 mm。為滿足《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》燃煤鍋爐凈化煙氣中ρ（NOx）≤50 mg/Nm3的超低排放指標(biāo)，該公司于2016年在鍋爐上游增設(shè)低氮燃燒器，更換更加高效的脫硝催化劑，并將催化劑單體高度由原1 000 mm提高至1 400 mm，以減小反應(yīng)器空速。改造后設(shè)計(jì)的SCR入口ρ（NOx）為450 mg/Nm3，要求出口煙氣ρ（NOx）＜50 mg/Nm3。但處理效果無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，主要表現(xiàn)在出口煙氣的NOx濃度不穩(wěn)定（ρ（NOx）為40～90 mg/Nm3），氨逃逸量超標(biāo)（經(jīng)常超過(guò)儀器檢測(cè)上限7.59 mg/Nm3），空預(yù)器有較嚴(yán)重的刺激性氨味。

2.2 NOx質(zhì)量濃度檢測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)處理

為查找裝置無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的原因和確定解決方案，在脫硝反應(yīng)器主體進(jìn)氣端和出氣端的橫截面布置檢測(cè)點(diǎn)。脫硝反應(yīng)器橫截面煙氣NOx質(zhì)量濃度檢測(cè)點(diǎn)布置方式見(jiàn)圖1，在SCR反應(yīng)器橫截面上均勻設(shè)置了36個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。煙氣中NO、O2質(zhì)量濃度以德國(guó)德圖Testo-350型煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)定，然后將NO質(zhì)量濃度換算成NOx質(zhì)量濃度。NOx質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式見(jiàn)式（1）和式（2）。

圖1 脫硝反應(yīng)器橫截面煙氣NOx質(zhì)量濃度檢測(cè)點(diǎn)布置方式

式中：σ為NOx質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，mg/Nm3；xi為各檢測(cè)點(diǎn)的NOx質(zhì)量濃度，mg/Nm3；n為檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量；為NOx質(zhì)量濃度平均值，mg/Nm3。

2.3 檢測(cè)結(jié)果與分析

圖2是脫硝反應(yīng)器進(jìn)氣端橫截面的NOx質(zhì)量濃度分布。由圖2可見(jiàn)，脫硝反應(yīng)器進(jìn)氣端的ρ（NOx）為398～462 mg/Nm3，平均值為421 mg/Nm3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為17 mg/Nm3。圖3是脫硝反應(yīng)器出氣端橫截面的NOx質(zhì)量濃度分布。由圖3可見(jiàn)，脫硝反應(yīng)器出氣端的ρ（NOx）為0～266 mg/Nm3，平均值為60 mg/Nm3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為81 mg/Nm3。從圖3還可看出，爐前10 000 mm×3 500 mm區(qū)域的ρ（NOx）基本在儀器檢測(cè)限以下，而爐后10 000 mm×3 500 mm區(qū)域的ρ（NOx）為41～266 mg/Nm3，而且越靠近爐后ρ（NOx）越高。很明顯，在脫硝反應(yīng)器橫截面不同區(qū)域，單位時(shí)間內(nèi)噴氨量與NOx通過(guò)量存在嚴(yán)重的不匹配。在反應(yīng)器出氣端ρ（NOx）較低的爐前區(qū)域，n（NH3）∶n（NOx）＞1.0，噴氨量是過(guò)剩的，而反應(yīng)器出氣端NOx濃度較高的爐后區(qū)域，n（NH3）∶n（NOx）＜1.0，噴氨量嚴(yán)重不足。氨逃逸主要發(fā)生在爐前區(qū)域。本裝置氨逃逸在線分析儀安裝在B側(cè)7 000 mm與爐前10 000 mm夾角處，也直觀地證明裝置存在NH3逃逸問(wèn)題。這就是造成本裝置氨逃逸量和ρ（NOx）無(wú)法達(dá)標(biāo)的主要原因。

圖2 脫硝反應(yīng)器進(jìn)氣端NOx質(zhì)量濃度分布

圖3 脫硝反應(yīng)器出氣端NOx質(zhì)量濃度分布

根據(jù)對(duì)裝置的檢測(cè)分析，認(rèn)為造成此現(xiàn)象主要有以下兩個(gè)原因：

1）氨氣稀釋用風(fēng)來(lái)自鍋爐空預(yù)器。該空預(yù)器為回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，漏灰較嚴(yán)重。當(dāng)氨/空混合氣由爐后以15 m/s的高速通過(guò)彎頭進(jìn)入噴氨格柵時(shí)，在彎頭內(nèi)側(cè)產(chǎn)生渦流，使得氣相中的灰塵在此沉積。本裝置噴氨格柵入口支管積灰照片見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，噴氨格柵入口支管超過(guò)一半的管道截面被灰塵堵塞，造成氨/空混合氣的實(shí)際流速比設(shè)計(jì)值提高了約1倍。而由于慣性，高速流動(dòng)的氣體會(huì)越過(guò)積灰，并在積灰后很長(zhǎng)一段距離的管道內(nèi)形成氨氣“死區(qū)”，氨/空混合氣流速越大產(chǎn)生的氨氣“死區(qū)”就越大，造成絕大部分氨氣由爐前噴入鍋爐，從而導(dǎo)致?tīng)t前氨過(guò)量而爐后供氨不足。噴氨格柵支管內(nèi)流動(dòng)示意見(jiàn)圖5。

圖4 噴氨格柵入口支管積灰照片

圖5 噴氨格柵支管內(nèi)氨流動(dòng)示意

2）本裝置采用線性控制式噴氨格柵，其控制方式見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，噴氨格柵入口各支管閥門(mén)所控制的噴氨區(qū)域與橫截面7 000 mm寬度方向平行，閥門(mén)的調(diào)節(jié)作用無(wú)法與煙氣ρ（NOx）由爐前向爐后升高的趨勢(shì)相匹配。因此，為實(shí)現(xiàn)NOx超低排放和減少氨逃逸，必須對(duì)噴氨格柵進(jìn)行改造，采用分區(qū)控制式噴氨格柵，并以脫硝反應(yīng)器出氣端橫截面各區(qū)域ρ（NOx）為控制目標(biāo)，使出氣端橫截面各區(qū)域ρ（NOx）均滿足超低排放要求，并與總排口ρ（NOx）相統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)NOx超低排放和減少氨逃逸。

圖6 噴氨格柵的線性控制方式示意

3 分區(qū)噴氨技術(shù)工業(yè)應(yīng)用

3.1 分區(qū)噴氨格柵設(shè)計(jì)

由于脫硝反應(yīng)器出口橫截面的ρ（NOx）偏差主要體現(xiàn)在爐前至爐后的跨度方向，即由爐前向爐后升高，因此，為便于實(shí)施分區(qū)供氨，使分區(qū)供氨量與單位時(shí)間通過(guò)各分區(qū)的NOx質(zhì)量相匹配，本裝置沿7 000 mm方向劃分為8列，沿10 000 mm方向劃分為4行，即將整個(gè)橫截面分成32個(gè)區(qū)域。原噴氨格柵支管按照4行分組，每組8支，分別延伸至本行的8個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置2根噴氨管支路，即將噴氨格柵入口各支管閥門(mén)所控制的區(qū)域由與橫截面爐前至爐后平行方向改為垂直方向。經(jīng)此改造，可利用原噴氨格柵入口的32根支管及各支管上的閥門(mén)分別控制32個(gè)區(qū)域的供氨量，如圖7所示。

圖7 噴射格柵的分區(qū)控制方式示意

3.2 分區(qū)噴氨調(diào)整原則

裝置改造完成后，脫硝系統(tǒng)氨消耗總量仍以脫硝反應(yīng)器入口ρ（NOx）、煙氣量和NOx去除目標(biāo)為依據(jù)，由噴氨格柵入口氨氣管道上的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。各區(qū)域的供氨按照分區(qū)控制式噴氨格柵入口32根支管與脫硝反應(yīng)器橫截面32個(gè)分區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，手動(dòng)調(diào)整噴氨格柵入口各支管閥門(mén)，并分別檢測(cè)各分區(qū)出氣端的ρ（NOx），ρ（NOx）控制目標(biāo)為20～45 mg/m3。噴氨格柵各區(qū)域噴氨量調(diào)整遵循以下原則：1）消除脫硝反應(yīng)器出口橫截面上ρ（NOx）為0和接近0的區(qū)域，即消除氨逃逸特別嚴(yán)重的區(qū)域。2）消除脫硝反應(yīng)器出口橫截面上ρ（NOx）較高區(qū)域，即減小整個(gè)橫截面各區(qū)域的NOx濃度差，使各區(qū)域ρ（NOx）與總排口ρ（NOx）趨于一致。

3.3 噴氨格柵改造前后脫硝系統(tǒng)性能比較

噴氨格柵改造后脫硝反應(yīng)器出氣端橫截面的ρ（NOx）分布見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，分區(qū)噴氨后，脫硝反應(yīng)器出口實(shí)際ρ（NOx）為30～43 mg/Nm3。氨濃度分析結(jié)果顯示氨逃逸量降至1.20 mg/Nm3以下。

圖8 噴氨格柵改造后脫硝反應(yīng)器出氣端ρ（NOx）分布

噴氨格柵改造前后脫硝系統(tǒng)性能比較見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，經(jīng)改造后，裝置氨消耗量有所增加，脫硝反應(yīng)器出口橫截面ρ（NOx）標(biāo)準(zhǔn)偏差由改造前的81 mg/Nm3降至改造后的3 mg/Nm3，總排口ρ（NOx）由57 mg/Nm3降至38 mg/Nm3，達(dá)到了超低排放要求，NOx脫除率提高了6.76%。裝置運(yùn)行結(jié)果表明，各區(qū)域單位時(shí)間內(nèi)的噴氨量與NOx通過(guò)量能夠得到很好匹配。根據(jù)脫硝反應(yīng)器出氣端橫截面ρ（NOx）分布設(shè)計(jì)的噴氨區(qū)域及分區(qū)控制式噴氨格柵，能夠克服噴氨格柵入口支管積灰堵塞對(duì)噴氨造成的不利影響，分區(qū)供氨可以實(shí)現(xiàn)脫硝裝置的NOx超低排放。

表1 噴氨格柵改造前后脫硝系統(tǒng)性能比較

4 結(jié)論

a）噴氨格柵改造前，ρ（NOx）在整個(gè)脫硝反應(yīng)器出氣端橫截面上分布非常不均，為0～266 mg/Nm3，平均為60 mg/Nm3，ρ（NOx）標(biāo)準(zhǔn)偏差為81 mg/Nm3，氨逃逸量最高時(shí)超過(guò)儀器檢測(cè)上限（7.59 mg/Nm3）；改造后，在氨消耗量增加及NOx超低排放（ρ（NOx）=30～43 mg/Nm3）的前提下，氨逃逸量降至1.20 mg/Nm3以下，NOx脫除率提高了6.76%。

b）以脫硝反應(yīng)器出氣端橫截面ρ（NOx）分布為基礎(chǔ)劃分噴氨區(qū)域，調(diào)整噴氨格柵的供氨方式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)NOx超低排放和減少氨逃逸是可行的。