高效雙混SCR煙氣脫硝技術及工程應用
1概述
2014年以來，國家環保部及其他相關部門出臺了一系列的燃煤鍋爐污染物排放標準：在京津冀、長三角、珠三角等區域的多省市地方政府、發電集團提出了主要污染物超潔凈排放標準，即“50355”;2014年5月，國家環保部發布《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB13271-2014);9月國家發改委、環保部以及國家能源局下發了關于《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》的通知，要求東部地區、中部地區、西部地區新建和在役燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到或接近達到燃氣輪機機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下，氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放濃度分別不高于50、35、10毫克/標立方米)。
嚴格的氮氧化物排放標準，要求燃煤鍋爐必須采用更高效率的脫硝新技術。就脫硝技術而言，脫硝效率最高而且應用最為廣泛的技術無疑是SCR煙氣脫硝技術。SCR煙氣脫硝技術工藝流程簡單，技術成熟可靠，脫硝效率可達90%以上。其最重要的部件是脫硝反應器和催化劑，最關鍵的技術則是噴氨技術、導流及整流技術和氨氣調節技術。龍凈環保經過多年的理論研究和工程實踐，研發出特有的“高效雙混SCR煙氣脫硝新技術”，可有效應對最新的排放要求。
2技術簡介
SCR煙氣脫硝技術中最初的氨/煙氣混合技術主要有兩種：一種是圓盤回旋混流技術，另一種是格柵式噴氨技術(AIG)，如圖2.1~2.2所示。這兩種技術主要是依靠自身布置特性來混合氨氣/煙氣，混合調節手段單一。
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圖2.1圓盤回旋混流技術
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圖2.2格柵式噴氨技術
龍凈環保作為最早涉足SCR煙氣脫硝技術的企業之一，經過近十來與大型催化劑生產商的技術合作，對兩種噴氨技術進行理論研究和多次改進創新，將這兩種噴氨技術結合，研發出“高效雙混噴氨技術”;同時，龍凈環保對氨氣調節技術進行研究創新，設計出適合國內燃煤電廠脫硝裝置的“直通單座式氨氣調節技術”。雙混噴氨技術+直通單座式氨氣調節技術形成龍凈環保特有的“高效雙混SCR煙氣脫硝新技術”。
3龍凈高效雙混SCR煙氣脫硝技術的特點
高效雙混SCR煙氣脫硝技術主要由雙混噴氨技術、導流及整流技術和直通單座式氨氣調節技術組成，詳細介紹如下：
3.1雙混噴氨技術
從兩種噴氨技術可知，圓盤回旋混流技術特點是通過噴槍將氨空混合氣直接對圓盤混合器對吹，由于圓盤的作用，氨空混合氣產生劇烈的回旋氣流并改變流向;而AIG噴氨技術特點是通過在脫硝入口煙道橫截面上均勻布置格柵式的噴嘴來實現氨/煙氣混合均勻。龍凈環保通過多次的理論研究和流場模擬分析發現，將這兩種技術結合，氨/煙氣混合將變得更為均勻。結構設計如圖3.1所示：
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圖3.1龍凈環保雙混噴氨新技術
3.1.1AIG噴氨技術
燃煤鍋爐省煤器出口煙道尺寸與SCR煙氣脫硝反應器的尺寸通常是不一致的，必須通過脫硝入口煙道過渡，改變截面尺寸才可實現對接。而在入口煙道變截面處，煙氣流動紊亂，不適合布置AIG。高效雙混噴氨技術中，首先在有限的長度空間內完成入口煙道的截面尺寸變化，并設置導流板使煙氣流速盡量均勻，AIG則布置在入口煙道完成截面尺寸變化后1~2m處。這樣氨空混合氣通過AIG噴射出，與較均勻的來流煙氣混合，通過等截面入口煙道進入反應器。
為了防止煙塵堵塞，氨氣噴射采用短噴管替代傳統的噴嘴。
3.1.2一級混流器
每個噴氨支管上的氨空混合氣的流量可以通過調節閥來調節，因此，AIG噴射出來氨空混合氣在煙道截面上是均勻分布的，但由于來流煙氣并未達到一個理想的均勻狀態(截面煙氣速度分布標準偏差>15%)，在流經AIG時存在局部旋流區域，不利于氨/煙氣的均勻混合。
為了消除上述的不利因素，龍凈環保根據流場模擬的結果，在AIG下游500~1000mm處設置一級混流器。
3.1.3二級混流器
圓盤混合器具有較好的混流效果，可作為二級混流器。工程實踐證明，在AIG下游1.5~2.5m處設置二級混流器的混合效果最佳。
由于氨/煙氣混合的均勻性除了與噴氨技術有關外，還與混合距離有關。采用龍凈環保雙混噴氨技術，可以通過組合適應不同混合距離要求：若混合距離小于10m，一般選用完整的雙混噴氨技術;若混合距離為10~12m，可以選擇AIG+一級混流器;若混合距離大于12m，則可單獨選擇AIG或圓盤回旋混流技術。
3.2導流及整流技術
壓力損失是SCR煙氣脫硝裝置的重要性能參數，其主要取決于脫硝煙道及反應器的布置、煙氣流速的大小和均勻度。龍凈環保在脫硝煙道和導流整流裝置的設計上具有以下特點：
1)脫硝進出口煙道的走向采用緩轉彎設計，在煙道拐彎處盡量不采用90°彎頭，以降低煙道局部壓力損失(如圖3.2所示)。這種設計除了能降低壓力損失外，由于煙道具有傾斜度，還具有防止積灰的作用。
2)根據每個項目的SCR脫硝系統的流場模擬結果設置導流板。在催化劑上游的煙道拐彎和變截面處設置導流板，將催化劑要求的各個參數值調整至最佳狀態;同時也會在脫硝反應后的出口煙道與空預器入口煙道連接處設置導流板，使得空預器入口處的煙氣流速均勻，保證空預器的換熱性能。
3)在脫硝反應器上部設置整流格柵，同時反應器頂板上設置小擋板，進一步保證流場的均勻性
圖3.2緩轉彎設計
3.3直通單座式氨氣調節技術
氨氣調節技術是保證脫硝效率、氨逃逸率及脫硝自動控制的關鍵技術，其主要的部件是氨氣調節閥。由于氨氣是一種有毒易燃物質，氨氣調節閥一般采用氣動執行機構。在國內SCR脫硝裝置中，最初采用較多的是調節型球閥來調節氨氣流量。
球閥是一種成熟的調節型閥門，有“O”形球閥、“V”形球閥之分，它是利用球芯的轉動與閥座相割打開的面積來調節流量，具有流路簡單、壓力損失小、切斷壓差較大但可靠性較差、較笨重和價格貴的特點，比較適用于高粘度、不干凈、懸浮液等介質，而且其調節曲線是對數型的。從上述的特點來看，球閥并不適用于脫硝裝置的氨氣調節。根據工程實際投運情況反映，在脫硝負荷低的情況下，調節型球閥對小流量的氨氣調節極不穩定，存在調節不連續、突變的現象。因此，若采用單一的調節球閥，必然無法滿足脫硝裝置在各種工況下自動調節的要求，要解決這個問題，必須在主調節球閥旁并聯一路小流量的調節閥，專門用于低負荷時的氨氣調節。但這不僅增加管路的復雜性和自動控制的繁瑣性，還大幅度增加了造價。
為了解決調節型球閥的缺點，龍凈環保采用直通單座式調節技術。其核心部件直通單座調節閥有一個閥芯和一個閥座，閥座與上閥蓋一起，用于保證閥芯與閥座的中心定位，并在閥芯移動時，改變流體的流通面積，從而改變操縱變量，實現調節流體流量的功能。其特點如下：
l小流量調節性能好，可調比范圍大，具有線形調節曲線。
l閥門允許壓差小，執行機構調節靈敏，能及時根據負荷變化情況來調節氨氣流量。
l泄漏量小，能實現嚴格的密封和切斷。用于氨氣調節時一般采用金屬與聚四氟乙烯及其他復合材料的軟密封，標準漏量為0.01%C(C是額定流量系數)。
工程實踐證明，采用直通單座式氨氣調節閥，能適應脫硝裝置的負荷變化，調節性能精準穩定，管路簡單，經濟性好，密封性好，氨的泄漏小，安全可靠。
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4高效雙混SCR煙氣脫硝技術的優點
1)脫硝效率高，可達90%以上;
2)煙氣氨氮濃度分布的標準偏差可控制在4.2%以內;
3)煙氣速度分布的標準偏差可控制在8%以內;
4)氨氣調節響應精準，可實現脫硝全自動控制;
5)采用直通單座調節閥線性調節，能有效控制氨逃逸率<2.5ppm;
6)采用緩轉彎設計，煙氣阻力可減少100Pa以上，節能降耗;
7)進出口煙道傾斜設計，有效防止積灰;
8)采用二級混流技術，氨/煙氣混合均勻。
5工程實例
龍凈環保“高效雙混SCR煙氣脫硝技術”已應用于40多個脫硝工程，近100臺套，總裝機容量達40000MW。下面就幾個典型的工程實例進行詳細介紹：
5.1河北邢臺國泰2×300MW煙氣脫硝項目
(1)工程概況
邢臺國泰發電有限責任公司#10、#11機組2×300MW采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝裝置，在脫硝入口煙氣量為1002734Nm3/h(濕態，實際氧)，煙塵濃度49.4g/Nm3，NOx含量不高于900mg/Nm3(干基)時，要求NOx脫除率>90%，SCR出口NOx的排放濃度<90mg/Nm3，氨的逃逸率不大于3ppm。
(2)改造難點
該工程的難點在于脫硝入口NOx濃度高達900mg/Nm3，要求脫硝效率不小于90%。要滿足這個要求，則必須同時運行3層催化劑，且要求催化劑迎風面處的煙氣流場條件要比標準更加均勻，才可能實現。
(3)技術特點
該工程雖然噴氨混合距離較長，有13m，但為了保證煙氣流場條件，龍凈環保采用了高效雙混噴氨混合技術，強化了煙氣和氨氣的混合，保證了氨氣與煙氣在到達催化劑前已經充分混合，保證脫硝性能。數值模擬得到首層催化劑上游的煙氣參數分布均勻性良好，各參數情況詳見下表：
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該工程催化劑層按3+1布置，采用國產蜂窩式催化劑，每臺爐催化劑體積362m³。
(4)改造效果
該工程已投運后，各項性能指標全面滿足并優于性能保證值的要求，脫硝效率最高時可達92%以上，NOx出口濃度低于90mg/Nm3。圖5.1為#10機組2014年7月3日19:07的脫硝監控畫面，脫硝效率為90.35%。
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圖5.1邢臺脫硝監控畫面
5.2安徽華塑熱電廠2×300MW煙氣脫硝工程
采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝裝置，脫硝劑為氨氣。SCR反應器布置在鍋爐省煤器出口和空氣預熱器之間，不設置SCR反應器煙氣旁路。脫硝入口煙氣NOx濃度小于450mg/Nm3(干基)，在鍋爐正常負荷范圍內煙氣脫硝效率均不低于80%，反應器出口NOx濃度不高于90mg/Nm3(6%氧含量，干煙氣)，NH3逃逸量應控制在3µL/L以下，SO2向SO3的氧化率小于1%。圖5.2為華塑熱電廠#1機組2014年11月28日14:09脫硝DCS監控畫面，機組脫硝效率為88.6%。
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圖5.2華塑熱電廠#1機組脫硝DCS監控畫面
5.3大唐國際寧德電廠(2×600MW+2×660MW)機組
采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝裝置，脫硝入口煙氣NOx濃度小于400mg/Nm3(干基)，出口濃度小于80mg/Nm3，脫硝效率不小于80%，氨的逃逸率不大于2.5ppm，SO2/SO3轉化率小于1%。圖5.3為寧德電廠#4機組2014年5月7日脫硝DCS監控畫面，機組脫硝效率為87.25%。
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圖5.3寧德#4機組脫硝DCS監控畫面
5.4華潤鎮江電廠2×630MW機組煙氣脫硝改造工程
采用SCR脫硝裝置，在設計工況、入口NOx濃度300mg/Nm3、處理100%煙氣量、在布置2層催化劑條件下脫硝裝置脫硝效率不小于80%，氨逃逸量小于3ppm，SO2/SO3的轉化率小于1%。圖5.4為鎮江電廠#6機組2014年11月28日16:35脫硝DCS監控畫面，由于入口NOx濃度為187mg/Nm3，遠低于設計值，脫硝效率66.95%即可保證出口NOx濃度為61.87mg/Nm3。
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圖5.4鎮江電廠#6機組脫硝DCS監控畫面
5.5神華鴻山熱電廠2×1000MW煙氣脫硝工程
該工程為新建脫硝項目，采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝裝置，在設計煤種及校核煤種、鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量條件下脫硝效率不小于90%，脫硝入口煙氣NOx含量200mg/Nm3(干基)，SCR出口NOx的排放濃度<20mg/Nm3，氨的逃逸率不大于3ppm。
6結論
根據以上理論分析和工程實踐證明，采用龍凈環保的“高效雙混SCR煙氣脫硝技術”，脫硝效率可達到90%以上，NOx排放濃度小于20～50mg/Nm3。
龍凈環保的“高效雙混SCR煙氣脫硝技術”已經過近100臺套工程驗證，運行穩定，技術成熟可靠，經濟性能好，是當前超潔凈排放高效脫硝技術的最佳選擇。
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