燃煤電廠煙氣含水量對活性焦脫硝效率的影響研究

張浩強

（1.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013；3.煤基節能環保炭材料北京市重點實驗室，北京 100013）

近年來我國大氣重污染時有發生，其主要污染物是PM2.5，SO2、NOx是構成PM2.5的主要成分，占比達到80%以上[1]，對人的身體健康造成了嚴重影響。GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》規定新建火力發電鍋爐及燃氣輪機組的SO2和NOx的最高排放質量濃度不能超過100 mg/m3，由于國內對SO2和NOx污染物排放控制更加嚴格，促進活性焦干法聯合脫硫脫硝技術不斷進步。燃煤電廠煙氣中的水蒸氣含量是影響活性焦SCR 脫硝過程的首要因素。本文采用具有商業代表性的住友重機械工業株式會社活性焦脫硝評價方法，使用不同水蒸氣含量的模擬煙氣對一種典型的商用活性焦進行脫硝效率評價，結合選擇性催化還原（SCR）機理研究成果，對試驗結果進行了探討，同時分析了活性焦聯合脫硫脫硝時較為理想的煙氣水蒸氣含量條件。本文的試驗結果對SCR 機理的驗證與活性焦干法聯合脫硫脫硝反應器的設計具有一定的指導意義。

1 不同含水量模擬煙氣環境下的活性焦脫硝效率

根據一般燃煤電廠煙氣條件配置模擬煙氣，并通過改變模擬煙氣中水蒸氣的含量，研究不同煙氣含水量對活性焦脫硝效率的影響。

1.1 試驗材料

試驗選用一種具有代表性的商用活性焦(AC)為對象，目前采用活性焦干法脫硫脫硝的燃煤電廠多使用此活性焦。對其基本指標采用GB/T 30202—2013《脫硫脫硝用煤質顆粒活性炭試驗方法》和GB/T 7702—2008《煤質顆粒活性炭試驗方法》進行檢測，活性焦基本指標檢測結果見表1。

表1 活性焦基本指標檢測結果

試驗選用高純N2、空氣、蒸餾水(H2O)、高純NO 配制模擬煙氣；選用高純NH3作為活性焦煙氣脫硝過程中SCR 反應的還原劑；同時使用濃硫酸1∶1]對脫硝后的煙氣進行撞擊清洗，以去除SCR 脫硝后逃逸的NH3。

1.2 試驗設備

目前使用活性焦干法煙氣脫硫脫硝技術的燃煤電廠大部分采用住友重機械工業株式會社的技術或是其改進技術[2]。為了使活性焦脫硝效率評價試驗更符合該技術工業應用的實際情況，本試驗設備的設計參考了住友重機械工業株式會社的評價裝置及技術。活性焦脫硝效率評價裝置流程示意圖如圖1 所示，該裝置主要由配氣系統、反應系統、尾氣處理與檢測系統3 部分構成。（1）配氣系統：配氣系統由5 條管線構成，用于配置模擬煙氣和提供還原劑。其中N2、NO、空氣、NH3氣體管線均設置量程范圍合適的質量流量計以控制氣體流量，H2O 管線則由微量泵控制流量，H2O進入帶有混氣罐的水蒸氣發生爐，經氣化后與N2、NO、空氣進入管式爐反應器后混合，NH3則直接進入管式爐反應器，避免在配氣時與模擬煙氣的其他組分反應并腐蝕管路，同時也與實際工業脫硫脫硝工藝相符。（2）反應系統：由恒溫箱和管式爐反應器構成，恒溫箱內有上下兩段加熱器和熱空氣循環風扇，以保證管式爐反應器整體溫度的均勻性和穩定性。（3）尾氣處理與檢測系統：模擬煙氣經過管式爐反應器完成SCR 脫硝后，尾氣先通過配制好的濃硫酸溶液去除尾氣中未反應逃逸的NH3，再經過冷凝器去除尾氣中的H2O，最后進入氣體檢測儀。

圖1 活性焦脫硝效率評價裝置流程示意圖

氣體檢測設備使用HORIBA VA-3000/VS-3000 多組分氣體分析儀，該設備采用磁氣動法(Magnetopneumatic) 原理對O2體積分數進行檢測，其量程為0～25%，重復性誤差為量程的±0.5%；采用化學發光法(Chemiluminescence)原理對NOx濃度進行檢測，其量程為0～500×10-6，重復性誤差為量程的±0.5%。檢測NOx時，此設備將利用內置催化氧化池將樣品氣中的NO 全部轉化為NO2，再進行檢測。由于該設備所檢測的氣體不能含有NH3和H2O，所以在尾氣處理系統中設置了裝有體積分數為50%濃硫酸的撞擊瓶和冷凝器。

1.3 試驗條件

試驗條件是根據一般燃煤電廠煙氣性質、活性焦干法脫硝空速與溫度，并結合住友重機械工業株式會社活性焦脫硝評價標準所制定，活性焦脫硝效率評價試驗條件如表2 所示，其中模擬煙氣條件為標準狀況。

表2 活性焦脫硝效率評價試驗條件

根據標準狀況模擬煙氣試驗條件，采用標準氣體狀態方程可計算得到不同含水量的模擬煙氣組分，結果如表3 所示，活性焦脫硝效率評價試驗前將按照該表進行預配氣。

1.4 試驗方法

試驗前使用皂泡流量計對配體系統中各質量流量計進行校準，并且對多組分氣體分析儀使用的標準氣體進行校準，NH3管路流量計校準后采用滴定法驗證NH3流量。按照表3 所示的配氣條件通入空氣、NO、N2進行干氣空白試驗，以記錄出口NOx濃度，記作Vin。

表3 不同含水量模擬煙氣成分及流量

將1 L 活性焦載入管式爐反應器中，配氣系統通入N2，將恒溫箱溫度升至150 ℃，待溫度穩定后按照表3 所示的配氣條件通入模擬煙氣，然后開始計時。多組分氣體分析儀每隔0.5 min 記錄1 次評價裝置出口NOx濃度，反應時長記作t，出口NOx濃度記作Vout·t。

通過公式（1）可計算出當前反應時間t 時活性焦的脫硝效率，記作ηt。

同時考慮到工業干法活性焦脫硝過程中活性焦為緩慢移動狀態，煙氣與活性焦為錯流狀態，所以將當前時間的脫硝效率轉換為當前時間的平均脫硝效率更符合工業實際情況，當前時間的平均脫硝效率記作其計算公式見式（2）。

2 活性焦脫硝效率試驗結果

圖2 不同含水量模擬煙氣環境下活性焦的實時平均脫硝效率曲線

3 結果與討論

以模擬煙氣中水蒸氣含量為X 軸，活性焦最終穩定的平均脫硝效率為Y 軸，繪制出活性焦平均脫硝效率隨模擬煙氣中水蒸氣含量的變化曲線，如圖3 所示。

圖3 活性焦平均脫硝效率隨模擬煙氣中水蒸氣含量變化曲線

從圖3 可以看出，活性焦平均脫硝效率隨模擬煙氣中水蒸氣含量的升高逐漸降低，當模擬煙氣中水蒸氣體積分數在10%時，活性焦平均脫硝效率處于較高水平，隨著模擬煙氣中水蒸氣體積分數從10%增加到15%，活性焦平均脫硝效率急劇下降；當模擬煙氣中水蒸氣體積分數超過15%后，活性焦脫硝效率下降趨勢減緩，維持在33%左右。

根據目前對SCR 脫硝反應機理的研究，一般認為進行了式（3）～（6）[3-5]的反應，同時結合化學反應的動力學原理，也可判斷當H2O 含量升高時，不利于脫硝反應的進行。

熊銀伍等[6]使用水蒸氣體積分數為12%、16%和20%的模擬煙氣對活性焦進行脫硝性能評價，雖然其模擬煙氣代表焦化煙氣，但也發現模擬煙氣水蒸氣含量對活性焦的脫硝性能影響較大。傅月梅等[7]研究了煙氣中水蒸氣含量、氧含量、反應溫度等因素對活性焦脫硝效率的影響，發現煙氣中水蒸氣含量對脫硝效率的影響占主導因素，且脫硝效率與煙氣中的水蒸氣含量呈負相關性。相關學者[8-9]對SCR 本征動力學模型的研究與本試驗結果相符，即SCR 反應速率與NO 濃度、NH3覆蓋催化劑表面分數呈正相關，而實際外擴散因素的存在即H2O 對NH3向活性焦表面傳質的影響較大，這是因為當煙氣中水蒸氣含量較高時，其對NH3的吸附作用使NH3更難向活性焦表面的活性位擴散，從而使煙氣中水蒸氣含量成為影響脫硝效率的首要因素。

考慮到燃煤煙氣聯合脫硫脫硝技術仍是目前煙氣污染物控制的發展方向[10]，聯合脫硫脫硝技術耦合的效率與經濟性也需研究考慮，煙氣中水蒸氣含量對活性焦脫硝效率影響較大，在一定范圍內的水蒸氣含量對活性焦的脫硫效率則有促進作用。朱惠峰等[11]研究了水蒸氣含量對活性焦脫硫效率的影響，發現當煙氣中水蒸氣體積分數在4%～12%時，活性焦的脫硫效率隨著水蒸氣濃度的升高而提高，水蒸氣體積分數繼續從12%提升至16%時，活性焦的脫硫效率則有所下降。所以通過本次試驗并結合其他學者的研究，可推測當煙氣中水蒸氣體積分數控制在12%以下時，聯合脫硫脫硝效率及其經濟性可達到較為理想的狀態。

4 結 語

4.1 活性焦的脫硝效率與煙氣中水蒸氣含量呈負相關性，當煙氣中水蒸氣體積分數從10%上升至15%時，活性焦脫硝效率從45.2%急劇下降至34.7%；當煙氣中水蒸氣體積分數從15%上升至30%時，活性焦脫硝效率呈緩慢下降趨勢，脫硝效率在33%左右。

4.2 根據SCR 動力學模型，H2O 作為產物，濃度越高越不利于SCR 反應的正向進行，這是因為煙氣中水蒸氣含量較高時，其對NH3的吸附作用使NH3更難向活性焦表面的活性位擴散，從而使煙氣中水蒸氣含量成為影響脫硝效率的首要因素。

4.3 結合活性焦脫硫效率的研究結果，當煙氣中水蒸氣體積分數控制在12%以下時，聯合脫硫脫硝技術耦合的效率與經濟性較佳。