安徽中杰 王坤

一、前言

隨著我國大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)中NOx排放限值調(diào)整為100mg/m3以及脫硝電價(jià)的實(shí)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(shè)施，脫硝系統(tǒng)可靠運(yùn)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(yīng)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?dú)?，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(xué)反應(yīng)溫度為900℃，如果加入氨，部分氨會(huì)在高溫下分解。如果加入催化劑，反應(yīng)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(yīng)

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?dú)夂退?。在通常的設(shè)計(jì)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(yīng)器上游的煙氣中。在SCR反應(yīng)器內(nèi)，NO通過以下反應(yīng)被還原：

4NO+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

當(dāng)煙氣中有氧氣時(shí)，反應(yīng)第一式優(yōu)先進(jìn)行，因此，氨消耗量與NO還原量有一對(duì)一的關(guān)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(yīng)如下：

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

上面兩個(gè)反應(yīng)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(yīng)。有一小部分氨不反應(yīng)而是作為氨逃逸離開了反應(yīng)器。一般來說，對(duì)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(huì)增加，為了維持需要的NOX脫除率，就必須增加反應(yīng)器中NH3/NOX摩爾比。當(dāng)不能保證預(yù)先設(shè)定的脫硝效率和（或）氨逃逸量的性能標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就必須在反應(yīng)器內(nèi)添加或更換新的催化劑以恢復(fù)催化劑的活性和反應(yīng)器性能。從新催化劑開始使用到被更換這段時(shí)間稱為催化劑壽命。

2.SCR系統(tǒng)組成及反應(yīng)器布置

SCR反應(yīng)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(yīng)器布置在空氣預(yù)熱器前溫度為350℃左右的位置，此時(shí)煙氣中所含有的全部飛灰和SO2均通過催化劑反應(yīng)器，反應(yīng)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(yīng)溫度，因而它被廣泛采用。

（2）熱段/低灰布置：反應(yīng)器布置在靜電除塵器和空氣預(yù)熱器之間，這時(shí)，溫度為300～400℃的煙氣先經(jīng)過電除塵器以后再進(jìn)入催化劑反應(yīng)器，這樣可以防止煙氣中的飛灰對(duì)催化劑的污染和將反應(yīng)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(yùn)行，因此很少采用。

（3）冷段布置：反應(yīng)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(duì)反應(yīng)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(yīng)器的體積并使反應(yīng)器布置緊湊。當(dāng)催化劑在“干凈”煙氣中工作時(shí)，其工作壽命可達(dá)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(dāng)將反應(yīng)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(jìn)入催化劑反應(yīng)器之前達(dá)到所需要的反應(yīng)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(yùn)行費(fèi)用。

對(duì)于一般燃油或燃煤鍋爐，其SCR反應(yīng)器多選擇安裝于鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間，因?yàn)榇藚^(qū)間的煙氣溫度剛好適合SCR脫硝還原反應(yīng)，氨被噴射于省煤器與SCR反應(yīng)器間煙道內(nèi)的適當(dāng)位置，使其與煙氣充分混合后在反應(yīng)器內(nèi)與氮氧化物反應(yīng)，SCR系統(tǒng)商業(yè)運(yùn)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(shè)備包括：（1）反應(yīng)器/催化劑系統(tǒng)，主要設(shè)備：反應(yīng)器、催化劑、吹灰器。（2）煙氣/氨的混合系統(tǒng)，主要設(shè)備：稀釋風(fēng)機(jī)、靜態(tài)混合器、氨噴射格柵（AIG)、空氣/氨混合器。（3）氨的儲(chǔ)備與供應(yīng)系統(tǒng)，主要設(shè)備：卸料壓縮機(jī)、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(shè)備：擋板（有旁路）、膨脹節(jié)、導(dǎo)流板、煙道。（5）SCR的控制系統(tǒng)，主要設(shè)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(duì)催化反應(yīng)有著十分重要的影響，因此需要修改導(dǎo)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(shí)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(shè)置分析向?qū)В谙驅(qū)е性O(shè)置CFD分析的單位，流體材料的選擇，以及相關(guān)流域的設(shè)定，如圖2所示。

圖2

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

（3）定義收斂目標(biāo)，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(dòng)劃分，如圖5所示。

圖5

（5）計(jì)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(dǎo)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(duì)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(shí)間內(nèi)可以完成氣流場均勻性的分布。