燃气余热锅炉SCR脱硝系统关键技术的研究

【摘 要】本文介绍了燃气余热锅炉SCR脱硝的工艺流程，比较了与燃煤机组在设计上的不同，对SCR脱硝技术在该领域应用中的关键技术进行了研究，以期对该类工程的实施起到参考作用。

【关键词】余热锅炉；SCR；脱硝

0 前言

随着国家经济的快速发展氮氧化物（NOx）排放量迅速增加，研究表明NOx是形成雾霾天气的重要原因，已成为制约社会经济发展的因素之一。因此，国家将NOx列为“十二五”期间大气污染物总量控制对象[1-2]。目前SCR脱硝因技术成熟在燃煤机组中已应用广泛，但在燃气机组中应用还不多。随着环保要求的日益严格，燃气余热锅炉建设脱硝装置是今后的必然趋势。燃气轮机组因燃料较为清洁，并结合最新的NOx排放控制技术，可实现更低浓度的排放，满足日益严格的环保要求。

本文介绍了燃气余热锅炉SCR脱硝的工艺流程，比较了与燃煤机组在设计上的不同，对SCR脱硝技术在该领域应用中的关键技术进行了研究，以期对该类工程的实施起到参考作用。

1 工艺流程

燃气余热锅炉SCR法脱硝工艺系统主要分为二个部分，即氨储存及供应系统和SCR反应器系统。

该工艺流程可简述为：

在氨储存和供应区，液氨通过卸料压缩机由液氨槽车进入液氨储罐，利用自身压力经出料管送至氨汽化器，液氨在氨汽化器内吸热气化，气化后的氨气进入氨缓冲槽，进一步被送往SCR反应器区以供使用。

在SCR反应器区，自氨供应区来的氨气与稀释风机来的空气在氨/空气混合器内充分混合。氨和空气混合气体进入位于烟道内的氨喷射格栅，喷入烟道后与烟气充分混合，然后进入SCR反应器。SCR反应器合适的温度窗口在300℃～420℃范围内，反应器根据该温度窗口在锅炉本体烟道中布置。氨与NOx在反应器内，在催化剂的作用下反应生成无污染的N2和H2O，净烟气进入余热锅炉后部受热面，并通过烟囱排出。

燃气余热锅炉SCR脱硝的设计与常规燃煤锅炉SCR脱硝原理基本相同，但由于燃气排气成分及余热锅炉结构特点等因素，在SCR系统设计上差别较大，主要表现在以下方面：

1）反应器水平布置，布置与锅炉烟道本体之中。入口烟气条件良好，主要污染物为NOx，粉尘，SO2所占比例极少，催化剂可选用波纹式或蜂窝式小节距产品，不需设置吹灰系统；

2）喷氨系统、催化剂的布置受到锅炉的限制较大，需要在有限的空间内使氨氮摩尔比等偏差满足催化剂入口设计条件，同时还需严格控制系统阻力的增加，因而对流场性能高要求较高。根据脱硝效率的需要确定在喷氨格栅后是否设置静态混合器及整流格栅；

3）燃气余热锅炉脱硝系统氨逃逸控制值与燃煤锅炉相同，一般控制在3ppm以下。但由于燃气余热锅炉无SOx，即使氨逃逸略微超标，也无燃煤锅炉空预器堵塞和腐蚀问题。

2 关键技术的研究

2.1 提高流场数模拟与真实工况的相似性

流场数值模拟工程设计的指导意义重大，但由于在建模中会简化和忽略一些实际因素以便于运算的开展，导致流场模拟与实际工况会有一定差异。为提高数值模拟结果的相似性，有以下措施：

2.1.1 冷模试验校正数值模拟结果

实体模型对实际工程的合适比例通常在1/12到1/15，在该比例下能较好地近似反映烟气的真实流动情况，将冷模试验的结果作为数值模拟收敛的判据，可大幅提升数值模拟结果的可信度。

2.1.2 引入合理数学模型

比如在SCR化学反应中的流动介质有烟气和氨气，这就涉及到考虑流动中物质的混合情况，可采用混合物的物质输运模型来模拟通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运，可以模拟多种同时发生的化学反应。

2.1.3 先简化后校正

例如如受热面螺旋鳍片在网格划分时较为困难，对传热、强化可将鳍片对传热及强化混合的作用视为一个增强因子，通过冷模试验中测算增强因子的大小。

2.2 催化剂选型

SCR脱硝催化剂分板式、蜂窝式、波纹式三种，不同类型的催化剂具有各自的特点。对于燃气余热锅炉，因烟气条件良好，可选用节距小于4mm的蜂窝高比表面积高活性的催化剂产品，以降低催化剂用量，节省成本。但节距越小，催化剂阻力越大，综合比较催化剂可优先选用蜂窝式或波纹式。因烟气中不存在SOx，催化剂正常连续运行温度可以比通常下限要低，可在250℃或更低的温度下运行，但应注意温度降低之后催化剂活性也会有所降低，可根据催化剂供货厂家提供的催化剂随温度变化曲线确定保证脱硝效率的最低连续运行温度。

燃气余热锅炉脱硝催化剂目前主要采用进口产品，随着国产催化剂性能不断突破，对于新建工程，在设计中应考虑，并在锅炉结构及荷载设计时应有所考虑。随着国家对危废处理要求日益严格，在催化剂选型时还应考虑催化剂化学寿命到期后的处理措施。

2.3 喷氨格栅分区控制（图2）

氨喷射格栅（AIG）主要是提供均匀的氨喷射分布，良好的喷氨格栅设计可减少混合区段。在喷氨格栅设计时可采用独立的可调节单元，每个单元上装有阀门及流量计，实现烟道截面喷氨的分区控制。以某联合循环机组工程数值模拟为例，由于受锅炉布置的影响，在烟道截面存在一个“边界层”，在各喷氨单元喷氨量一致的条件下，氨氮摩尔比为20%，远达不到第一层催化剂入口设计条件。通过加大壁面喷氨位点（A区）的喷氨量后，氨氮摩尔达到目标值5%。需指出的是，喷氨格栅分区控制在方案设计时主要通过数值模拟的结果不断调整逐步优化最终达标。在脱硝系统调试及运行时，考虑到数值模拟与实际工况之间的偏差，需通过现场性能测试对分区控制方案进行校正。

2.4 氨逃逸精确检测

保证达标的脱硝效率同时实现较低的氨逃逸是SCR脱硝技术的难点，目前SCR脱硝使用的原位氨逃逸分析仪普遍存在增大或调小喷氨量后氨逃逸数据无变化的情况，二者无趋势缺少相关性，无法为控制喷氨流量提供依据。若改为采用激光氨逃逸在线分析仪，可实时监测氨逃逸量并将信号反馈至控制系统对喷氨量进行精确调节。激光分析仪的技术原理为：激光发射的光通过光纤传输到高温气体室中的激光发射单元，激光穿过气体室中流过的被测气体，高温气体室中的接收传感器电路检测到被被测气体吸收过的激光束，将光信号转换成电信号传送到电气控制单元中的信号处理单元，信号处理单元经过信号处理经过光谱计算后得到被测气体的浓度。激光光程可达30m，测量精度可达0.1ppm。

2.5 烟气防短路密封

余热锅炉为内保温结构，脱硝反应器与内保温层之间因膨胀量不同，为保证烟气100%通过催化剂不发生烟气“短路”现象，需要在催化剂外壳与锅炉内保温护板之间采取可靠的弹性密封装置，催化剂模块之间、模块与支撑梁之间也应良好密封。

3 建议与展望

在国家不断调整能源结构和落实节能减排的背景下，燃气轮机组具有热效率高、污染物排放浓度低、调峰性能好被逐渐推广。未来相当长一段时间，我国将在发达地区大量建设燃气，且会同步实施SCR脱硝装置。因此，开展燃气余热锅炉SCR脱硝技术的研究非常必要，综合目前燃气余热锅炉SCR脱硝技术的应用现状，笔者认为还可从以下方向优化：

1）应最大限度利用锅炉现有布置自然强化NH3与NOx的混合效果，无需配置强化混合及整流装置，使系统布置紧凑同时降低阻力；

2）脱硝还原剂如采用氨水或尿素，可考虑直接利用燃机排气作为还原剂热解汽化的热源，在入口喇叭段直接喷入还原剂，使烟气与还原剂在高速区剧烈混合，可省去喷氨格栅，使系统简化，同时降低系统能耗减少运行成本。尽管抽气比例很小，但还是会使锅炉产气量下降，在技术方案选择时应进行核算比选；

3）在进行数值模拟时可引入脱硝化学反应，实现对脱硝效率的预测及优化，亦可对催化剂的用量进行核算。

【参考文献】

[1]夏怀祥，段传和，等.选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝[M].北京：中国电力出版社，2012，1：2-3.

[2]苏亚欣，毛玉如，徐璋.燃煤氮氧化物控制排放技术[M].北京：化学工业出版社，2005，2：43-45.

[责任编辑：丁艳]

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