通訊作者：莊燁(1969—)，男，上海人，國(guó)家千人計(jì)劃專家，博士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境工程與科學(xué)，E-mail：zhuangy@lyhb.cn

火電廠NOx“超低排放”技術(shù)探索與展望

褚玥，莊燁，劉科偉，松鵬，張東輝，楊建輝

(北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司， 北京100039)

摘要：火電行業(yè)是NOx等大氣污染物減排的重點(diǎn)行業(yè)，通過爐內(nèi)低氮燃燒結(jié)合尾部煙氣脫硝技術(shù)對(duì)NOx排放進(jìn)行控制，是實(shí)現(xiàn)“超低排放”的可行路徑。對(duì)選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，包括催化劑熱態(tài)活性評(píng)價(jià)、冷態(tài)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)模型試驗(yàn)以及全SCR脫硝系統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬等。通過對(duì)現(xiàn)有催化劑全反應(yīng)器尺度的數(shù)值模擬，認(rèn)為脫硝系統(tǒng)要達(dá)到“超低排放”(NOx低于50 mg/m3)，SCR入口NOx濃度上限為200 mg/m3。脫硝效率的主要影響因素包括催化劑活性、流場(chǎng)和濃度場(chǎng)均勻度、氣體與催化劑間的氣-固相傳質(zhì)速率，其中氣-固相傳質(zhì)速率是整個(gè)脫硝過程的決速步驟，是下一步研究工作關(guān)注的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：火電廠；煙氣脫硝；超低排放

作者簡(jiǎn)介：褚玥(1987—)，女，河南人，工程師，博士，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程與技術(shù)，E-mail：chuy@lyhb.cn

中圖分類號(hào)：X701

收稿日期：2015-05-13

基金項(xiàng)目：江蘇省環(huán)保科研課題(2014037)

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.006

NOx是大氣主要污染物，不僅危害人體健康，還會(huì)造成多種二次污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)NOx排放量高達(dá)2 200萬噸/年，為世界第一大NOx排放國(guó)[1-3]?；痣姀S、機(jī)動(dòng)車和工業(yè)鍋爐是NOx的主要來源，其中火電廠排放量占NOx排放總量的46%。因此，進(jìn)一步降低煙氣中NOx的濃度，對(duì)于控制NOx的排放具有重要意義。國(guó)家也在逐步推出更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，以推動(dòng)火電脫硝行業(yè)的發(fā)展。2012年開始實(shí)施的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)規(guī)定，重點(diǎn)地區(qū)NOx特別排放限值為100 mg/m3。與此同時(shí)，江浙地區(qū)已提出了比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn)。在如此嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)下，火電廠“超低排放”的概念應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》(發(fā)改能源[2014]2093號(hào))中提出，NOx“超低排放”限值為50 mg/m3。

選擇性催化還原脫硝(SCR)技術(shù)是目前世界上煙氣脫硝效率最高、應(yīng)用最多、最為成熟的尾部煙氣脫硝技術(shù)。在對(duì)該技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的基礎(chǔ)上，與爐內(nèi)低氮燃燒相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)“超低排放”的可行路徑[4-6]。SCR中多使用V2O5-WO3/TiO2催化劑，催化劑的活性是決定脫硝效率的關(guān)鍵因素。此外，NH3等反應(yīng)物分布的均勻性、反應(yīng)物與催化劑的質(zhì)量傳遞等，也會(huì)對(duì)NOx的脫除造成影響，而這些又與速度場(chǎng)的分布情況密切相關(guān)。因此，為對(duì)已有SCR技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足“超低排放”，在催化劑熱態(tài)活性評(píng)價(jià)、流場(chǎng)和濃度場(chǎng)模型試驗(yàn)以及全SCR脫硝系統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)模擬等方面進(jìn)行了研究，并通過全反應(yīng)器尺度的數(shù)值模擬，對(duì)NOx“超低排放”研究中的關(guān)鍵問題，如進(jìn)口濃度上限和決速步驟等做出初步判斷。

1SCR技術(shù)創(chuàng)新探索

高活性的催化劑、流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的均勻分布等是SCR技術(shù)中決定NOx脫除效率的關(guān)鍵因素，為了達(dá)到“超低排放”要求，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的SCR小試熱態(tài)試驗(yàn)、冷態(tài)模型試驗(yàn)和SCR系統(tǒng)的CFD模擬等方面進(jìn)行了探索，對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下催化劑的脫硝活性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)煙道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流構(gòu)件和渦流混合器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了催化劑入口截面速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的均勻性。

1.1　SCR小試熱態(tài)實(shí)驗(yàn)

高活性的SCR催化劑是實(shí)現(xiàn)“超低排放”的基礎(chǔ)。由于在實(shí)際生產(chǎn)中，總體脫硝效率還受到流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布等的影響，在實(shí)驗(yàn)室搭建了小型熱態(tài)催化活性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于催化劑本征催化性能的測(cè)試和新催化劑的開發(fā)。該小試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由供氣、汽化和反應(yīng)3部分組成。使用質(zhì)量流量計(jì)控制流量，汽化部分提供定量的水蒸氣進(jìn)料，反應(yīng)器內(nèi)可放置3孔×3孔×30 cm的蜂窩狀催化劑。由于反應(yīng)器尺寸較小，且在供氣部分設(shè)置有氣體混合器，可認(rèn)為在催化劑進(jìn)口處的流場(chǎng)和氨氮比均勻。

(t=350℃，p=101 325 Pa，NH 3/NO=0.8， w NO-in=210 mg/m 3，w O 2 =2%，w H 2O =10%) 圖1　不同體積空速下出口NO x含量 Fig.1　Concentration of NO x at SCR outlet under different GHSVs

為測(cè)試現(xiàn)有V2O5-WO3/TiO2催化劑實(shí)現(xiàn)NOx“超低排放”的可能性，進(jìn)行了一系列不同煙氣量條件下的脫硝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。在小試實(shí)驗(yàn)規(guī)模、催化劑進(jìn)口截面速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)均勻的前提下，當(dāng)入口的NOx含量為210 mg/m3、氨氮摩爾比為0.8時(shí)，若進(jìn)料煙氣的體積空速低于10 800 h-1，出口煙氣即可達(dá)到NOx含量低于50 mg/m3的“超低排放”標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煙氣的體積空速通常在8 000 h-1左右，那么按照催化劑熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，應(yīng)該可以達(dá)到“超低排放”的要求。

1.2　冷態(tài)模型試驗(yàn)

SCR脫硝系統(tǒng)具有設(shè)備尺寸大、煙道布置局限性大的特點(diǎn)，幾乎每套脫硝系統(tǒng)的煙道形狀都不同，而這些不同對(duì)于速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的均勻性又有顯著影響。為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高精度的流場(chǎng)均勻分布與反應(yīng)物的均勻混合，針對(duì)每個(gè)SCR脫硝工業(yè)項(xiàng)目都搭建了1∶10的冷態(tài)模型，該模型使用探針測(cè)定法測(cè)量氣體的三維流場(chǎng)，并在流場(chǎng)斷面抽取樣品氣，測(cè)定示蹤氣體含量，以計(jì)算濃度場(chǎng)的均勻度。

根據(jù)流場(chǎng)測(cè)定結(jié)果，可對(duì)速度場(chǎng)的分布進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化步驟一直進(jìn)行到流場(chǎng)斷面不均勻性測(cè)定結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求即可。濃度場(chǎng)分布的優(yōu)化主要通過優(yōu)化渦流混合器的圓盤直徑、位置和布置方式，以及調(diào)整噴氨管的流量。根據(jù)濃度場(chǎng)不均勻度測(cè)定結(jié)果，對(duì)渦流混合器進(jìn)行優(yōu)化，一直到濃度不均勻性達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)為止。對(duì)于長(zhǎng)寬比較大的煙道，通常采用單排渦流混合器；而對(duì)于長(zhǎng)寬比較小的煙道，可通過設(shè)置雙排渦流混合器，以得到更佳的濃度分布效果。對(duì)于雙排渦流混合器，可通過對(duì)渦流盤的角度、位置、形狀、噴嘴流量分配等因素進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終獲得理想的均勻度。圖2對(duì)優(yōu)化前后的濃度場(chǎng)均勻性進(jìn)行了比較，可以明顯看出，優(yōu)化后催化劑入口截面上的示蹤氣體濃度更加均勻，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：優(yōu)化前不均勻度為31.06，而優(yōu)化后為7.73，均勻分布的反應(yīng)物有利于脫硝反應(yīng)穩(wěn)定、高效進(jìn)行。

圖2　使用雙排渦流混合器時(shí)催化劑入口截面濃度分布圖 Fig.2　Distribution of the tracer concentration with double lines vortex mixer: a) before optimization; b) after optimization

1.3　脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)CFD研究

在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)煙氣在煙道各部位的流動(dòng)、發(fā)展和相互摻混的過程進(jìn)行研究，尤其是對(duì)渦流混合器對(duì)流場(chǎng)和氨分布混合的效果進(jìn)行考察，可以對(duì)煙道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流設(shè)施和渦流混合器實(shí)施有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到適合催化劑安全、高效、穩(wěn)定反應(yīng)的目的[7-8]。對(duì)煙氣流動(dòng)情況的描述通常通過3個(gè)不同截面上的流場(chǎng)分布展開，脫硝系統(tǒng)中截面為縱向考察截面。另外，第一、二層催化劑入口斷面上的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)均勻性也需要重點(diǎn)考察。

圖3　煙氣流線分布圖 Fig.3　Stream lines of the flue gas in the SCR system

優(yōu)化前優(yōu)化后速度分布速度均值/(m/s)4.404.40方差/(m/s)0.030.03不均勻性0.68%<5%0.66%<5%氨濃度分布氨平均濃度/(mol/m3)2.04×10-42.04×10-4方差/(mol/m3)3.20×10-58.99×10-6不均勻性15.97%>5%4.41%<5%煙氣入射角最小角度0.23°0.19°平均角度3.78°3.99°最大角度4.86°<10°5.26°<10°

注：上述結(jié)果在BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量) 100%、三層催化劑的條件下得到。

圖3為某脫硝裝置的煙氣流線圖?？梢钥闯?，催化劑的入口截面上，速度場(chǎng)比較均勻；在渦流混合器部分，煙氣流速較高，且存在強(qiáng)烈湍動(dòng)，使射流混合物被高速煙氣攜帶、卷吸并進(jìn)行摻混。表1為優(yōu)化前后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，對(duì)原有設(shè)計(jì)的改進(jìn)顯著提高了氨濃度分布的不均勻度。

2NOx“超低排放”技術(shù)展望

火電廠NOx“超低排放”概念的提出，對(duì)脫硝技術(shù)的發(fā)展提出了更高要求。催化劑的活性、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的均勻性、反應(yīng)物與催化劑的氣固傳質(zhì)速率等會(huì)影響總體的脫硝效率，同時(shí)，脫硝系統(tǒng)進(jìn)口的NOx濃度對(duì)能否達(dá)到“超低排放”也起到?jīng)Q定作用，而在多種影響脫硝效率的因素中，可能存在某種決速步驟，需要將其作為未來研發(fā)工作進(jìn)行的重點(diǎn)，這是目前迫切需要解決的問題。通過對(duì)脫硝反應(yīng)器進(jìn)行熱態(tài)數(shù)值模擬，對(duì)脫硝裝置進(jìn)口的濃度上限和決速步驟的問題進(jìn)行討論。

(t=420℃，p=101325 Pa，NH 3/NO=0.8，w O 2 =2%， w H 2O =10%，GHSV=7200 h -1) 圖4　反應(yīng)器模擬得到不同入口NO x含量時(shí) 的出口濃度及脫硝效率 Fig.4　Exit concentration of NO x and the denitration efficiency at different concentration inlet

2.1　進(jìn)口NO x濃度上限

在催化劑熱態(tài)小試實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)模擬的基礎(chǔ)上，建立了脫硝反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型，用擴(kuò)散-對(duì)流方程對(duì)各種物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量衡算，N-S方程進(jìn)行總體動(dòng)量衡算，方程組用有限元法進(jìn)行數(shù)值求解。給定不同的進(jìn)口NOx濃度，可以計(jì)算得到反應(yīng)器出口的NOx濃度以及脫硝效率，如圖4所示。根據(jù)現(xiàn)有模擬結(jié)果，當(dāng)脫硝效率為75%左右時(shí)，為保證脫硝裝置出口NOx濃度低于50 mg/m3，其入口NOx濃度不能高于200 mg/m3。這就需要開發(fā)新型低氮燃燒技術(shù)，最大程度上降低鍋爐出口煙氣中NOx的濃度，以減輕下游SCR催化劑的脫硝壓力。

2.2　脫硝過程決速步驟

影響脫硝系統(tǒng)效率的3個(gè)主要因素為：催化劑本征活性、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的均勻性、氣相主體與催化劑的氣-固相間傳質(zhì)速率。在前期工作中，針對(duì)前兩個(gè)因素已進(jìn)行了相關(guān)研究，得到了較高催化活性的催化劑，并通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，使催化劑入口截面的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)均勻性滿足一定指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)脫硝反應(yīng)器的數(shù)值模擬，對(duì)影響脫硝效率的決速步驟進(jìn)行了分析。

在保證催化劑本征脫硝活性不變的前提下，擬采用填充床的反應(yīng)器形式，假定流動(dòng)形式為理想的平推流。NO濃度隨反應(yīng)器長(zhǎng)度變化情況如圖5所示?？梢钥闯?，僅需很短的催化劑段(<0.1 m)，即可實(shí)現(xiàn)NOx的幾乎完全脫除。說明在良好的傳質(zhì)條件下，現(xiàn)有催化劑的本征活性已足夠高，即催化劑的本征脫硝活性不是影響最終脫硝效果的決速步驟。

圖5　平推流固定床反應(yīng)器中NO濃度隨 反應(yīng)器長(zhǎng)度變化情況 Fig.5　The change of NO concentration versus the length of plug-flow packed bed reactor

在模擬過程中，取定速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)均勻，在此前提下，氣-固相之間的接觸和傳質(zhì)是脫硝過程的決速步驟。目前使用的催化劑為蜂窩狀催化劑，薄壁平行孔道結(jié)構(gòu)，氣體擴(kuò)散到催化劑表面，與壁面接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，再擴(kuò)散到氣相主體[9-10]。要對(duì)氣固相間的傳質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)化，主要途徑有兩條：一是提高對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)；二是增大傳質(zhì)面積。傳質(zhì)系數(shù)與流體的物理性質(zhì)、傳質(zhì)表面的形狀和布置，以及流動(dòng)狀態(tài)、流動(dòng)產(chǎn)生原因等密切相關(guān)。在煙氣溫度、氣速、催化劑孔道結(jié)構(gòu)一定的情況下，傳質(zhì)系數(shù)可提高的空間不大。

氣-固相的傳質(zhì)面積與催化劑類型密切相關(guān)，與填充床相比較，單位體積的蜂窩狀催化劑中的傳質(zhì)面積明顯較小。在以后的工作中，可以考慮改變催化劑的結(jié)構(gòu)來強(qiáng)化傳質(zhì)。例如，殼牌脫硝系統(tǒng)(SDS)中使用側(cè)流式反應(yīng)器(LFR)，其中催化劑顆粒包含在氣道之間的薄層內(nèi)，煙道廢氣經(jīng)側(cè)向推動(dòng)從催化劑層中流過，可以有效地使氣體和催化劑充分接觸，從而提高脫硝效率。

3總結(jié)

爐內(nèi)低氮燃燒結(jié)合尾部選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)火電廠NOx“超低排放”的可行路徑。在前期工作中，搭建了小型熱態(tài)催化活性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于高活性的脫硝催化劑開發(fā)和評(píng)價(jià)工作；針對(duì)不同的脫硝系統(tǒng)建設(shè)相應(yīng)的冷態(tài)模型試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)其速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)均勻性進(jìn)行測(cè)量，并使用計(jì)算流體力學(xué)的方式，對(duì)整個(gè)脫硝系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行煙道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流元件和渦流混合器設(shè)計(jì)的優(yōu)化，以保證反應(yīng)物和催化劑均勻接觸。在這些工作的基礎(chǔ)上，通過對(duì)脫硝反應(yīng)器的熱態(tài)數(shù)值模擬，確定了滿足“超低排放”要求的進(jìn)口濃度上限，并通過對(duì)不同氣固接觸方式下的脫硝效率比較，分析認(rèn)為，氣體與催化劑間的質(zhì)量傳遞是整個(gè)脫硝過程的決速步驟，為SCR技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)指明了方向。

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Perspective of NOx“Ultra-clean Emission” from Coal-fired Power Plants

CHU Yue, ZHUANG Ye, LIU Ke-wei, SONG Peng, ZHANG Dong-hui, YANG Jian-hui

(Beijing Guodian Longyuan Environmental Engineering Co., Ltd., Beijing 100039, China)

Abstract:Since coal-fired power plant is the largest source of anthropogenic emissions of NOx, much attention has been paid to the flue gas denitration technology. Low-NOx combustion combined with denitration of the flue gas is the possible way to reach the “ultra clean emission” standard. In this article the research results including catalyst with high denitration activity, optimization of the duct structure to improve the uniformity of gas velocity and concentration by model experiment, the numerical simulation of the whole system by computational fluid dynamics were introduced. Then a hot model of the reactor was established and by the simulation results, the maximum concentration of NOx in the entrance was considered to be 200 mg/m3, and that the denitration efficiency was largely decided by the rate of mass transfer between the gas and the catalyst.

Key words: coal-fired power plant; flue gas denitration; ultra-clean emission