安徽中杰 王坤

一、前言

隨著我國大氣污染排放標準中NOx排放限值調(diào)整為100mg/m3以及脫硝電價的實施，采用選擇催化還原（SCR）技術(shù)的脫硝系統(tǒng)已成為多數(shù)電站鍋爐的配套設施，脫硝系統(tǒng)可靠運行的重要性也日益凸顯。

二、SCR脫硝原理

選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在催化劑的作用下，利用還原劑（如NH3）“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應并生成無毒無污染的N2和H2O。選擇性是指在煙氣脫硝過程中煙氣脫硝催化劑有選擇性地將NOx還原為氮氣，而煙氣中的SO2極少地被氧化成SO3。這就叫選擇性在不添加催化劑的條件下，氨與氮氧化物的化學反應溫度為900℃，如果加入氨，部分氨會在高溫下分解。如果加入催化劑，反應溫度可以降低到320～400℃。催化劑一般選用TiO2為基體的V2O5和WoO3混合物；具體配方根據(jù)煙氣參數(shù)確定。

1.SCR脫硝反應

SCR脫硝系統(tǒng)是向催化劑上游的煙氣中噴入氨氣或其它合適的還原劑、利用催化劑將煙氣中的NOX轉(zhuǎn)化為氮氣和水。在通常的設計中，使用液態(tài)無水氨或氨水（氨的水溶液），無論以何種形式使用氨，首先使氨蒸發(fā)，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，最后利用噴氨格柵將其噴入SCR反應器上游的煙氣中。在SCR反應器內(nèi)，NO通過以下反應被還原：

4NO+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

當煙氣中有氧氣時，反應第一式優(yōu)先進行，因此，氨消耗量與NO還原量有一對一的關系。

在鍋爐的煙氣中，NO2一般約占總的NOX濃度的5%，NO2參與的反應如下：

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

上面兩個反應表明還原NO2比還原NO需要更多的氨。

在絕大多數(shù)鍋爐的煙氣中，NO2僅占NOX總量的一小部分，因此NO2的影響并不顯著。

SCR系統(tǒng)NOX脫除效率通常很高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOX反應。有一小部分氨不反應而是作為氨逃逸離開了反應器。一般來說，對于新的催化劑，氨逃逸量很低。但是，隨著催化劑失活或者表面被飛灰覆蓋或堵塞，氨逃逸量就會增加，為了維持需要的NOX脫除率，就必須增加反應器中NH3/NOX摩爾比。當不能保證預先設定的脫硝效率和（或）氨逃逸量的性能標準時，就必須在反應器內(nèi)添加或更換新的催化劑以恢復催化劑的活性和反應器性能。從新催化劑開始使用到被更換這段時間稱為催化劑壽命。

2.SCR系統(tǒng)組成及反應器布置

SCR反應器在鍋爐煙道中一般有三種不同的安裝位置，即熱段/高灰布置、熱段/低灰和冷段布置。

（1）熱段/高灰布置：反應器布置在空氣預熱器前溫度為350℃左右的位置，此時煙氣中所含有的全部飛灰和SO2均通過催化劑反應器，反應器的工作條件是在“不干凈”的高塵煙氣中。由于這種布置方案的煙氣溫度在300～400℃的范圍內(nèi)，適合于多數(shù)催化劑的反應溫度，因而它被廣泛采用。

（2）熱段/低灰布置：反應器布置在靜電除塵器和空氣預熱器之間，這時，溫度為300～400℃的煙氣先經(jīng)過電除塵器以后再進入催化劑反應器，這樣可以防止煙氣中的飛灰對催化劑的污染和將反應器磨損或堵塞，但煙氣中的SO3始終存在。采用這一方案的最大問題是，靜電除塵器無法在300～400℃的溫度下正常運行，因此很少采用。

（3）冷段布置：反應器布置在煙氣脫硫裝置（FGD）之后，這樣催化劑將完全工作在無塵、無SO2的“干凈”煙氣中，由于不存在飛灰對反應器的堵塞及腐蝕問題，也不存在催化劑的污染和中毒問題，因此可以采用高活性的催化劑，減少了反應器的體積并使反應器布置緊湊。當催化劑在“干凈”煙氣中工作時，其工作壽命可達3～5年（在“不干凈”的煙氣中的工作壽命為2～3年）。這一布置方式的主要問題是，當將反應器布置在濕式FGD脫硫裝置后，其排煙溫度僅為50～60℃，因此，為使煙氣在進入催化劑反應器之前達到所需要的反應溫度，需要在煙道內(nèi)加裝燃油或燃燒天然氣的燃燒器，或蒸汽加熱的換熱器以加熱煙氣，從而增加了能源消耗和運行費用。

對于一般燃油或燃煤鍋爐，其SCR反應器多選擇安裝于鍋爐省煤器與空氣預熱器之間，因為此區(qū)間的煙氣溫度剛好適合SCR脫硝還原反應，氨被噴射于省煤器與SCR反應器間煙道內(nèi)的適當位置，使其與煙氣充分混合后在反應器內(nèi)與氮氧化物反應，SCR系統(tǒng)商業(yè)運行業(yè)績的脫硝效率約為70%～90%。

三、SCR系統(tǒng)組成

SCR系統(tǒng)的主要設備包括：（1）反應器/催化劑系統(tǒng)，主要設備：反應器、催化劑、吹灰器。（2）煙氣/氨的混合系統(tǒng)，主要設備：稀釋風機、靜態(tài)混合器、氨噴射格柵（AIG)、空氣/氨混合器。（3）氨的儲備與供應系統(tǒng)，主要設備：卸料壓縮機、氨蒸發(fā)器（電/蒸汽）、氨罐、緩沖罐、稀釋槽。（4）煙道系統(tǒng)，主要設備：擋板（有旁路）、膨脹節(jié)、導流板、煙道。（5）SCR的控制系統(tǒng)，主要設備：DCS、PLC、儀表和盤柜等。

四、SCR脫硝裝置流場的數(shù)值模擬

SCR裝置中氣流場均勻分布對催化反應有著十分重要的影響，因此需要修改導流板位置，不斷地優(yōu)化氣流場分布的均勻，為提高工作效率采用SolidWorks Flow Simulation作為分析工具。

煙道口的空氣入口邊界條件為5m/s。為了提高真實性，SCR模型采用1∶1的結(jié)構(gòu)比例。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

五、Solidworks Flow Simulation中操作過程

（1）設置分析向?qū)В谙驅(qū)е性O置CFD分析的單位，流體材料的選擇，以及相關流域的設定，如圖2所示。

圖2

（2）邊界條件的設置，可設定速度入口、質(zhì)量流入口、出口速度等等，可根據(jù)需要設定，這里設定速度入口為5m/s，出口定義為壓力出口，默認環(huán)境壓力，如圖3所示。

（3）定義收斂目標，如圖4所示。

圖3

圖4

（4）網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格可智能劃分，也可以根據(jù)需要手動劃分，如圖5所示。

圖5

（5）計算求解，如圖6所示。

圖1

六、SolidWorks Flow Simulation優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過大量的調(diào)整導流板的位置得到最終的優(yōu)化結(jié)果，如下圖所示SCR脫硝裝置的氣流場速度分析分布。如圖7所示為氣流場速度分布圖。

圖7

七、結(jié)語

針對SCR脫硝裝置氣流場均勻性分布，SolidWorks Flow Simulation有著高效的工作效率，在較短的時間內(nèi)可以完成氣流場均勻性的分布。