燃煤烟气SCR脱硝反应器研究现状分析

燃煤烟气 SCR脱硝反应器 研究现状分析

王子晓

山东华鲁恒升化工股份有限公司 山东省德州市 253000

摘要：结合我国现阶段环境监测的基本发展形势来看，火电厂锅炉机组烟气排放正成为环境污染重排名前列的原因之一。火电厂锅炉机组所排放二氧化硫以及氮氧化物更成为了雾霾等不良环境条件的产生因素。因此，为从源头控制排放，达到环境保护的目的，火电厂必须结合自身实际情况，通过增设烟气脱硝装置的方式，对排放至大气环境中的烟气进行提前净化。本文对国内外的研究情况进行了分析，并对以后的发展进行了预测。

关键词：火电厂；锅炉；烟气脱硝；SCR；改造

引言

随着经济的发展，环境污染问题逐渐突出，燃煤电厂在燃烧的过程中会产生多种污染物。其中，烟尘排放得到有效控制，SO2排放的控制也取得很好的效果，氮氧化物的排放量正在增加，如果不进行强有力控制，将会给我国的生态环境带来很大的影响。在消除燃煤电厂氮氧化物的技术中，选择性催化还原（SCR）技术对氮氧化物的脱除率较高。国内外对脱硝系统进行了大量的分析。

1、国外研究现状

通过多年的SCR系统运行经验和SCR脱硝系统的数值模拟，国外机构已经积累了丰富的操作经验和实验数据，形成了相对完善的数据库，便于分析、判断和预测SCR系统设计的好坏。数值模拟中，有的只考虑了主要化学反应（即NH3与NO的还原反应），有的则考虑了副反应，例如SO₂的氧化反应、NH3的氧化反应等，在反应中以NH3与NO的还原反应为主，烟气中NO占90%以上，仅考虑NH3与NO的还原反应，在研究和设计上会造成的误差，但在工程上还是可以接受的。其次，大多数研究者在对SCR脱硝系统进行流场优化时，仅仅考虑了气相流动特性，而忽视了烟气中飞灰的影响。由于飞灰会磨损、堵塞催化剂，甚至导致催化剂失活，降低脱硝效率，因此探讨SCR脱硝系统飞灰运动特性是十分必要的。

Michael Lykke Heiredal等人在中试规模试验台上调查了飞灰在催化剂内的沉积特性，并基于CFD软件平台进行了催化剂中飞灰沉积特性的数值模拟研究。Dennis.R等人对脱硝运行状态参数的不均匀性进行了分析，分析表明运行状况越复杂，温度、速度梯度变化越大，催化剂的脱除率越低，同时也将加剧催化剂的磨损，降低催化剂的寿命。Enrico Tronconi等则在80%脱硝效率下氨氮比的不均匀对催化剂数量的影响，氨氮比不均性越大，催化剂的数量也越多，因此降低氨氮的不均匀是非常重要的。Adams B等人分析了温度对脱硝效率的影响，较低的脱硝温度将降低脱硝效率，增大氨逃逸量，因此控制催化温度是至关重要的。

2、国内研究现状

在SCR脱硝数学模拟方面，国外做了很多的研究工作，但是国内的研究较少，距离国际水平还有着较大的差距。汤元强分析了空塔流场和加装导流板的流场分布，得到了满足工程要求的导流板布置方案，同时对不同喷孔直径和颗粒物运动轨迹做了详细分析，喷氨口直径越小，均匀性越好，飞灰直径越大，受到的作用力影响也越大，颗粒运动轨迹越往X值偏大的方向运动。韩升对某600MW机组SCR脱硝装置的结构进行了深入研究，研究表明其斜顶设计相比平顶设计，有较大的优势。同时研究了飞灰沉积问题，研究表明左侧加装吹灰装置对于装置的长周期安全运行优势明显。张淼对某330MW机组进行了分析研究，并进行了冷态物理模拟实验，分析了额定负荷及40%THA负荷情况下的飘带摆动情况，经过分析飘带摆动幅度不超过5%，说明催化剂入口的速度分布偏差较小，可以应用于工程实践；董建勋等建立了小型和中型脱硝实验平台，在小型平台分析了不同种类催化剂性能并建立了数据库，在中型平台上分析了煤种对催化剂性能的影响，开发了静态混合器，偏差指数达到了国际的先进水平。周强强建立了某330MW燃煤机组的缩比模型，进行了相关的流体分析实验，发现其流速及喷氨分布不均匀，优化了原有设计，增加了扩张段的导流板，增大了涡流混合器的倾斜角度，得到了最佳的混合方案。潘丽秋重点对催化剂的性能和核心技术进行了研究，得出了蜂窝式催化剂的最佳孔径范围，建立了SCR脱硝实验平台，确立了反应温度，同时对流场中的导流板的最佳数量进行了确定，给出了最优的喷氨口径；刘涛采运用浸渍法分析了以TiO₂为载体的多种催化剂性能，得出了不同催化剂的反应速率的大小，并运用Fluent软件分析了相同催化剂材质下最佳的耐磨形式。侯建鹏使用了计算流体力学软件选用多种分析模型，得出来了增加双片导流板达不到要求，后增加两组四片混合布置方式，达到了降低压降的要求，对空塔模型提出了多向组合方式，满足了合格标准；俞逾运比较了反应器入口和上方的两种导流方式的好坏，确定反应器上方的方案优于入口方案，研究了口径小尺寸对氨与烟气的混合是有利的；裴煜坤选用CFD数值模拟分析了V型混合器的优缺点，并对V型混合器进行了优化分析，确定了最佳夹角为96度，同时系统压降也明显降低。蒋新伟对AIG入口截面分析提出了E系数最优分析法，速度偏差由19.2%降到8.5%，氨氮摩尔比偏差由9.2%降到5.7%，对变截面优化了导流板角度，速度偏差由15.4%降到12.4%。

通过以上文献看出，主流研究脱硝流场的入口速度以均匀流，但实际情况下，大型燃煤锅炉结构复杂，运行情况情况下气流分布不均，经过过热器和省煤器的换热和整流作用，造成脱硝装置的入口氮氧化物的分布是不均匀的。胡琦对某410t/h热电联产煤粉炉的脱硝入口进行了分析，研究表明氮氧化物的浓度呈现左低右高的情况。因此，采用均匀的氮氧化物浓度入口情况是与实际情况有偏差的。

研究者在模拟飞灰运动时都将SCR反应器单独取出来建立物理模型，所采用的入口条件也是人为假设的均匀入流边界条件。实际上，从锅炉出来的飞灰颗粒，在经过过热器、再热器、省煤器等设备后，烟气及飞灰颗粒的流动、浓度分布等参数将会发生不同程度的改变，因此仅仅考虑SCR反应器显然是不够完善的

3结束语

在火电厂锅炉机组运行过程中，SCR烟气脱硝系统对烟气的处理情况将直接关系到整个机组的运行质量，更与节能减排目标的实现密切相关。本文分析了国内外对脱硝装置的研究情况，并对他们的不足进行了说明。望能够给业内人员以帮助。

参考文献

[1]汤元强.燃煤电厂SCR烟气脱硝系统优化与飞灰颗粒运动的研究[D].上海：上海交通大学，2012:33-36.

[2]韩升.燃煤电厂SCR反应装置数值模拟及优化研究[D].南京：南京理工大学，2010

[3]张淼.300MW燃煤机组选择性催化还原脱硝装置气固流场特性的试验研究[D].济南：山东大学，2011

[4]王松岭，董建勋，于遂影等，选择性催化剂还原烟气脱硝技术中间实验[J].动力工程，2005,25（6）：143-145+150

[5]周强强.SCR脱硝系统烟道气动流场数值研究[D].大连：大连海事大学，2015.

[6]裴煜坤.SCR烟气脱硝系统喷氨混合装置优化研究[D].杭州：浙江大学2013.