燃?xì)廨啓C(jī)高效脫硝的工藝流程設(shè)計(jì)及研究

　　摘要：針對燃?xì)廨啓C(jī)工況條件下煙氣排放的特點(diǎn)以及現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的問題，提出了一種燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組SCR高效脫硝的技術(shù)方案，通過在燃機(jī)和余熱鍋爐的連接段處布置有尿素預(yù)熱管和霧化噴槍，利用煙氣余熱進(jìn)行尿素的預(yù)熱和熱解;采用煙氣消旋裝置可以對螺旋的煙氣進(jìn)行整流，消除了煙氣的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)煙氣通道的流場優(yōu)化;結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣排放特點(diǎn)采用專用的SCR脫硝催化劑，為實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的高效脫硝工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)保證。

　　關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)，預(yù)熱管，消旋裝置，專用催化劑

　　近年來煤電向燃機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)向已經(jīng)是中國能源轉(zhuǎn)型中的重要組成部分，隨著國家在燃機(jī)機(jī)組政策上的支持，燃機(jī)電廠將越來越多。近年來我國北方地區(qū)出現(xiàn)大面積霧霾現(xiàn)象，國內(nèi)對氮氧化物的排放也采取了嚴(yán)格的控制行為，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)對燃機(jī)電廠的NOx排放值做出了明確的要求，以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，NOx排放量不得高于50mg/Nm3，個(gè)別地區(qū)或城市要求不超過30mg/Nm3甚至更低，對NOx排放要求較為嚴(yán)格[1～3]。

　　燃?xì)庹撐姆独��?提高燃?xì)夤こ淌┕べ|(zhì)量的途徑分析

　　燃?xì)獍l(fā)電煙氣主要成分是CO2、O2、H2O與NOx等氣體，與燃煤煙氣對比，煙氣中O2與H2O的體積百分?jǐn)?shù)發(fā)生很大變化，且對常規(guī)SCR催化劑脫硝效率影響特別大;燃機(jī)的入口NOx濃度約50mg/Nm3左右，也對燃機(jī)高效脫硝提出了很大的挑戰(zhàn);特別是燃機(jī)煙氣中極低的含塵量及含硫量，所以在燃機(jī)SCR脫硝裝置的尾部受熱面不擔(dān)心腐蝕和堵塞的問題發(fā)生[4～7]。燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的SCR工藝系統(tǒng)及主要裝置的設(shè)計(jì)，需適應(yīng)排氣條件及余熱利用的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工藝模型的關(guān)鍵影響因素和參數(shù)設(shè)置與燃煤機(jī)組有較大差異，對反應(yīng)區(qū)域流場控制、高活性催化劑配置參數(shù)、脫硝還原劑的噴射位置及方式等有極高的要求。如何滿足燃機(jī)設(shè)備的緊湊型要求和實(shí)現(xiàn)高效脫硝成為研究的重點(diǎn)[2,3,5,6]。

　　目前的SCR工藝主要是通過熱源引接，在燃機(jī)外的氨氣制備裝置中熱解尿素，制備氨氣，再通過噴氨格柵噴入煙道中進(jìn)行脫硝。工藝及設(shè)備復(fù)雜，占地面積大，熱源引接和氨氣制備儲存困難，系統(tǒng)管路復(fù)雜，難以滿足燃機(jī)的緊湊布置要求。尿素?zé)峤忭憫?yīng)過長，且熱解反應(yīng)器長期運(yùn)行容易出問題，從而影響燃機(jī)的脫硝效率。另外，通過噴氨格柵很難保證煙氣和氨氣的混合均勻性及徹底性，且使得煙道內(nèi)流場情況復(fù)雜，催化劑與煙氣的接觸不充分，降低了脫硝效率。本文針對上述問題，提出了一種燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組SCR高效脫硝的技術(shù)方案，目的在于高效控制燃機(jī)NOx的排放，具有系統(tǒng)布置緊湊，脫硝效率高，性能穩(wěn)定，設(shè)備簡單和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

　　1燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)大多采用尿素

　　熱解制氨的SCR脫硝，包括尿素?zé)峤庀到y(tǒng)、噴氨系統(tǒng)以及脫硝催化劑等。燃?xì)廨啓C(jī)大多數(shù)現(xiàn)有脫硝工藝的尿素?zé)峤鉄煔馐紫葟娜紮C(jī)排放口抽出約450℃熱煙氣，450℃熱煙氣經(jīng)過電加熱器進(jìn)一步加熱(升溫到600℃滿足尿素?zé)峤鉄煔鉁囟鹊男枨?;尿素溶液通過計(jì)量分配裝置噴射到熱解爐內(nèi)，在爐內(nèi)與600℃的高溫?zé)煔獍l(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氨氣，產(chǎn)生的氨氣與空氣的混合氣(溫度約340℃)經(jīng)過噴氨格柵在高壓蒸發(fā)器后噴入余熱鍋爐的脫硝反應(yīng)裝置內(nèi)，氨氣與煙氣中的NOx混合后在催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)[1,8]。

　　燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)運(yùn)行過程的主要問題：①尿素?zé)峤忭憫?yīng)過長，且熱解反應(yīng)器長期運(yùn)行容易出問題;②系統(tǒng)脫硝較低，且氨逃逸率過高(其主要原因是一方面煙氣流量的分配和噴氨量自適應(yīng)性的調(diào)節(jié)問題;另一方面是反應(yīng)時(shí)間和催化劑的活性問題);③工藝及設(shè)備相對復(fù)雜，占地面積大[8,9]。另外，由于脫硝性能保證需要考慮AIG上游的速度分布、第一層催化劑上游的速度分布、第一層催化劑上游的NOx/NH3分布、煙氣溫度分布的偏差、煙氣射催化劑角度以及系統(tǒng)壓力損失等性能指標(biāo)。燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)不同燃煤機(jī)組大多在余熱鍋爐布置，在余熱鍋爐設(shè)計(jì)SCR脫硝裝置，又要保證各種性能指標(biāo)同時(shí)兼顧設(shè)備安裝、人工檢修及拆裝運(yùn)輸?shù)�，使得燃機(jī)高效脫硝又進(jìn)一步增加了難度。

　　2燃?xì)廨啓C(jī)高效脫硝工藝流程

　　針對燃?xì)廨啓C(jī)排氣的特點(diǎn)以及現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的問題，提出了一種燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組SCR高效脫硝的技術(shù)方案：燃?xì)廨啓C(jī)煙氣由燃?xì)廨啓C(jī)煙道進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐的連接段，并預(yù)熱尿素溶液預(yù)熱管道中的尿素溶液，目的是促進(jìn)尿素溶液的霧化與熱解，其溫度應(yīng)預(yù)熱到300～400℃之間。預(yù)熱后的尿素溶液經(jīng)霧化噴槍霧化后進(jìn)入煙道。在煙道內(nèi)，尿素液滴與螺旋運(yùn)動而來的煙氣混合。由于燃機(jī)的煙氣溫度較高，一般在500～900℃之間，尿素溶液蒸發(fā)熱解產(chǎn)生氨氣。經(jīng)過足夠長的煙道(使尿素溶液充分蒸發(fā)熱解)后，混合的氣體經(jīng)過氣流整流器成為均勻的軸向流動進(jìn)入余熱鍋爐，在余熱鍋爐換熱管束處換熱，在余熱鍋爐SCR脫硝部分的催化劑層處脫硝，最后處理過的煙氣進(jìn)入煙囪排放。

　　3工藝流程的設(shè)計(jì)及研究

　　3.1尿素溶液的預(yù)熱霧化系統(tǒng)

　　由于燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度較高，在燃機(jī)和余熱鍋爐的連接段處布置有尿素預(yù)熱管，進(jìn)行預(yù)加熱，使尿素溶液溫度預(yù)熱到300～400℃，使后續(xù)尿素溶液的霧化和熱解更易進(jìn)行。預(yù)熱的尿素溶液引入霧化器中霧化。在燃機(jī)和余熱鍋爐的連接段處設(shè)置尿素噴槍，噴槍連接預(yù)熱管。

　　尿素噴槍的噴嘴布置在垂直于煙氣流速方向的管道橫截面(過流斷面)上，噴射尿素的方向與氣流前進(jìn)方向一致。為確保尿素在進(jìn)入氣體整流器前完全熱解并均勻混合，需保證有足夠長度的煙道。霧化器使尿素溶液霧化成一定粒徑的懸浮液滴從各個(gè)噴嘴噴入煙道中，其霧化角度和噴槍的個(gè)數(shù)需合理安排，促進(jìn)尿素溶液與煙氣混合，尿素的供應(yīng)需保證連續(xù)。

　　噴槍均勻布置在直徑為D1的圓形面上，噴槍噴出的霧化液滴水平進(jìn)入煙道，在高溫?zé)煔獾淖饔孟抡舭l(fā)熱解為氨氣;另外將尿素溶液多點(diǎn)、較為均勻地噴入煙氣中，更容易實(shí)現(xiàn)煙氣與尿素溶液的混合均勻。

　　3.2混合煙氣消旋裝置

　　燃?xì)廨啓C(jī)排出的煙氣是螺旋流動的，霧化后的尿素溶液沿?zé)煔馔ǖ赖妮S線方向噴入螺旋流動的煙氣中，由于霧化后的尿素液滴的噴射方向與煙氣的局部流動方向差別較大，在煙氣的擾動下，更容易與煙氣混合均勻。分散均勻的尿素液滴較容易受熱均勻后分解。尿素分解完全后，煙氣攜帶分解后的氨氣流經(jīng)消旋裝置(整流通道)，消旋裝置對煙氣起到旋轉(zhuǎn)氣流的整合作用，將混合煙氣由螺旋向前，化為沿?zé)煹榔街毕蚯暗倪\(yùn)動，進(jìn)一步促進(jìn)了煙氣與氨氣的混合，并使煙氣分布均勻，以優(yōu)良的流場特性進(jìn)入催化劑層，以提高煙氣脫硝的均勻程度，并減輕對催化劑層的沖擊作用，使煙氣脫硝過程更加平穩(wěn)、有效進(jìn)行。催化劑層為蜂窩結(jié)構(gòu)或波紋板結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積、可以降低流動阻力損失，可以顯著提高煙氣脫硝效率。

　　4工藝流程的特點(diǎn)

　　(1)簡化了燃機(jī)SCR脫硝的工藝流程。氨氣直接在煙道中由尿素?zé)峤馍�成，省去了制備氨氣和噴淋氨氣的過程，降低了燃機(jī)脫硝的工作時(shí)長，提高了工作效率。(2)采用尿素直接噴淋的工藝，不需要復(fù)雜笨重的氨氣發(fā)生裝置，使脫硝系統(tǒng)更為簡潔，降低成本。尿素的儲存運(yùn)輸較氨氣更為方便，避免了氨氣泄漏造成的污染。(3)充分利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣特點(diǎn)，利用煙氣的螺旋運(yùn)動使尿素和煙氣自然的均勻混合，利用煙氣余熱進(jìn)行尿素的預(yù)熱和熱解，氨氣與煙氣的混合均勻度較噴氨格柵更高，有效提高了脫硝效率。

　　(4)采用消旋裝置可以對螺旋的煙氣進(jìn)行整流，消除了煙氣的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)煙氣通道的流場優(yōu)化;另外在余熱鍋爐加入部分煙氣換熱管束，一方面可以使尿素溶液預(yù)熱可以快速熱解，另一方面換熱管束可以使煙氣進(jìn)一步整流，煙氣流場得以優(yōu)化;到達(dá)催化劑層前，煙道中煙氣分布均勻，氨氣與煙氣充分混合，氨氣與煙氣混合偏差相較常規(guī)噴氨系統(tǒng)更為優(yōu)化。(5)燃?xì)廨啓C(jī)高效脫硝的實(shí)現(xiàn)重要前提：一方面拓寬催化劑的溫度窗口，增強(qiáng)催化劑的適應(yīng)性;另一方面進(jìn)一步提高催化劑的活性，選用燃?xì)廨啓C(jī)脫硝專用催化劑，為燃機(jī)高效脫硝技術(shù)路線提供技術(shù)支撐。

　　5結(jié)論

　　針對燃?xì)廨啓C(jī)工況條件下煙氣排放的特點(diǎn)以及現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的問題，提出了一種燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組SCR高效脫硝的技術(shù)方案，采用尿素溶液預(yù)熱直接噴淋入煙道的技術(shù)工藝，包括：尿素溶液的預(yù)熱過程，尿素溶液的霧化過程，尿素溶液的噴淋過程，尿素溶液與排氣的螺旋混合過程，混合后的氣體消旋過程，燃?xì)廨啓C(jī)脫硝專用催化劑的SCR脫硝過程。該方案具有脫硝效率高、性能穩(wěn)定、布置緊湊、設(shè)備簡單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]劉曉立.燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)煙氣脫硝關(guān)鍵技術(shù)研究[J].華電技術(shù),2019,41(3):14～17.

　　[2]黃浩楠.F級燃?xì)怆娬維CR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化研究[D].石家莊：河北科技大學(xué),2019.

　　[3]郭麗穎.基于釩鎢體系的燃?xì)廨啓C(jī)SCR脫硝催化劑性能及工況適應(yīng)性研究[D].南京：南京信息工程大學(xué),2019.

　　[4]王飛.環(huán)保新形勢下燃機(jī)脫硝技術(shù)選擇[J].能源與環(huán)境,2015,(1):75～77.

　　[5]邱秀婷,皮元豐.環(huán)保新背景下燃機(jī)脫硝技術(shù)的選擇研究[J].環(huán)境與發(fā)展,2017,(3):147～148.

　　[6]郭麗穎,朱林,莊柯,等.鎢對高釩燃?xì)饷撓醮呋瘎┑母男约癝CR反應(yīng)歷程研究[J].環(huán)境工程,2019,37(5):160～166.

　　[7]王鳳君,高新宇,張志偉.9FB燃機(jī)余熱鍋爐脫硝裝置的探討及研究[A].中國動力工程學(xué)會[C].2012.

　　作者：張軍梅1劉強(qiáng)1張敬儒2欒濤2王志強(qiáng)2**

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