張云雷，孫仲超，梁大明，熊銀伍，李艷芳

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤基節(jié)能環(huán)保炭材料北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實驗室，北京 100013)

0 引 言

活性焦煙氣凈化技術(shù)具有可資源化、寬譜凈化與干法節(jié)水等優(yōu)勢，符合我國綠色經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等發(fā)展要求[1]。經(jīng)過多年發(fā)展，我國已掌握了高性能活性焦的制備方法，煙氣凈化工藝條件方面研究也較為成熟，但在反應(yīng)器研發(fā)設(shè)計領(lǐng)域，由于我國起步較晚，與國外仍存在一定差距。作為工藝的核心，反應(yīng)器的開發(fā)已經(jīng)成為制約活性焦煙氣凈化工藝推廣和發(fā)展的關(guān)鍵。與國外先進(jìn)水平反應(yīng)器相比，目前我國工業(yè)應(yīng)用的活性焦煙氣凈化反應(yīng)器普遍存在煙氣處理能力較小、煙氣凈化效果不理想等問題，主要原因是反應(yīng)器床型與工藝匹配性差及反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理。不同行業(yè)所排煙氣污染物組成不同，造成煙氣凈化要求不同，因此需根據(jù)實際煙氣條件選擇合適的反應(yīng)器床型。由于活性焦吸附脫除污染物過程為氣固兩相反應(yīng)過程，氣固相接觸效果優(yōu)劣也會對反應(yīng)器系統(tǒng)脫除效率產(chǎn)生直接影響[2]。本文介紹了目前活性焦煙氣凈化領(lǐng)域所應(yīng)用的各類反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，論述了反應(yīng)器內(nèi)不同類型內(nèi)構(gòu)件對氣固兩相運(yùn)動狀態(tài)的影響，最后提出了未來活性焦煙氣凈化反應(yīng)器研究及優(yōu)化的技術(shù)方向，以期促進(jìn)活性焦煙氣凈化反應(yīng)器的發(fā)展。

1 活性焦煙氣凈化反應(yīng)器研究現(xiàn)狀

活性焦煙氣凈化技術(shù)的開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，并于70年代開始工業(yè)示范，80年代在德國、日本等開始推廣，主要用于燃煤煙氣凈化及鋼鐵燒結(jié)煙氣凈化[3]。經(jīng)過多年發(fā)展，固定床、移動床以及流化床等不同形式的反應(yīng)器在工業(yè)中得到應(yīng)用驗證，反應(yīng)器也不斷向集約化、節(jié)能化方向發(fā)展，但面對愈發(fā)嚴(yán)格的煙氣排放指標(biāo)以及復(fù)雜的煙氣成分，活性焦煙氣凈化反應(yīng)器存在著占地大、結(jié)構(gòu)不合理、脫除效率不理想等問題。

1.1 擴(kuò)展反應(yīng)器功能

活性焦煙氣凈化工藝發(fā)展初期，反應(yīng)器功能比較單一，多為單獨(dú)脫硫單獨(dú)脫硝，只對NOx或SO2其中一種進(jìn)行脫除，如德國魯奇制酸法、日本住友-關(guān)電法、德國BF法等都是典型的單獨(dú)脫硫工藝。隨著工業(yè)煙氣控制指標(biāo)增多，聯(lián)合脫硫脫硝需求擴(kuò)大，對反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其適應(yīng)多污染物凈化的需求尤為重要，較為典型的反應(yīng)器為煤科院-上?？肆蚬餐邪l(fā)的錯流移動床反應(yīng)器，通過對反應(yīng)器進(jìn)行脫硫段、脫硝段的分區(qū)實現(xiàn)了煙氣中NOx及SO2的聯(lián)合脫除。

1.2 增強(qiáng)反應(yīng)器行業(yè)匹配性

經(jīng)過多年發(fā)展，活性焦煙氣凈化技術(shù)實現(xiàn)了從燃煤煙氣凈化、鋼鐵燒結(jié)煙氣凈化領(lǐng)域向焦化煙氣凈化、垃圾焚燒煙氣凈化的應(yīng)用擴(kuò)展[4]。不同行業(yè)煙氣成分差異巨大，凈化需求也不同。因此需針對不同行業(yè)對反應(yīng)器進(jìn)行針對性設(shè)計。Lei等[5]研究發(fā)現(xiàn)改變反應(yīng)器內(nèi)部脫硝段、脫硫段高度，活性焦下料速度，煙道橫縱截面比等條件都會影響最終NOx或SO2的脫除效率。反應(yīng)器設(shè)計過程中需首先確定煙氣指標(biāo)，根據(jù)煙氣指標(biāo)確定反應(yīng)器床型，并對反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其滿足煙氣凈化需求。

2 不同床型反應(yīng)器對比

基于活性焦的煙氣聯(lián)合脫硫脫硝系統(tǒng)主要包括進(jìn)氣裝置、脫除反應(yīng)器、再生器和副產(chǎn)品加工裝置等多種配套設(shè)施，其中脫除反應(yīng)器是工藝中的核心裝置[6]，工業(yè)應(yīng)用中，按照反應(yīng)器床型分類，活性焦煙氣凈化反應(yīng)器可以分為固定床、移動床、流化床等類型。為了滿足煙氣凈化的需求，首先需要根據(jù)煙氣條件及煙氣指標(biāo)確定反應(yīng)器床型。

2.1 固定床反應(yīng)器

固定床反應(yīng)器是結(jié)構(gòu)最為簡單的反應(yīng)器，其基本原理是將活性焦堆積于反應(yīng)塔內(nèi)，形成一個高孔隙率和粉塵吸收率的顆粒床層，在煙氣凈化過程中焦層保持靜止，煙氣自下而上穿過活性焦層，活性焦發(fā)生吸附反應(yīng)，實現(xiàn)對煙氣中NOx和SO2的吸附脫除。我國具有代表性的炭法固定床煙氣凈化工藝為磷氨肥法(PAFP法)，該工藝是利用糠醛渣活性炭使SO2轉(zhuǎn)化為H2SO4，水洗再生得到的稀硫酸萃取分解磷礦粉，在煙氣脫硫過程中副產(chǎn)磷氨肥料的煙氣脫硫工藝。該工藝所處理SO2濃度為2 000×10-6～3 000×10-6，溫度為55～70 ℃，空速500 h-1，4個固定床反應(yīng)塔并聯(lián)，三塔脫除一塔再生，系統(tǒng)總脫硫效率超過95%[7]。國外比具有代表性的固定床脫除工藝是日本的日立-東電工藝，其吸附反應(yīng)器由5個并聯(lián)的活性炭固定床反應(yīng)器組成，運(yùn)轉(zhuǎn)時由電廠鍋爐來的部分煙氣經(jīng)過空氣預(yù)熱器、除塵器后進(jìn)入其中的四吸附器內(nèi)吸附脫除SO2，同時第5個反應(yīng)器進(jìn)行洗滌再生，工藝流程如圖1所示[8]。

圖1 日立-東電法工藝流程Fig.1 Hitachi-Denko process flow chart

由于固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，因此控制相對容易。在煙氣凈化過程中，可以嚴(yán)格控制煙氣在床層中的有效停留時間，更有利于提高系統(tǒng)的脫除效率。但固定床反應(yīng)器中裝填的活性焦吸附能力有限，一旦達(dá)到吸附飽和就不再吸附，因此反應(yīng)器應(yīng)用過程中會出現(xiàn)隨著吸附時間延長，床層吸附能力下降的現(xiàn)象[9]。另外，處理量較大時，為了保證脫除效率需要對設(shè)備尺寸進(jìn)行放大，從上述2種代表性工藝可以看出，二者都采用了多塔并聯(lián)的形式，增加了場地成本。煙氣中含塵量較大時，需在反應(yīng)器前端安裝除塵器，避免床層阻力超限情況出現(xiàn)[10]。

綜上，煙氣處理量小時，固定床反應(yīng)器在靈活性和可控性等方面具有一定優(yōu)勢，但當(dāng)煙氣量超過活性焦的吸附上限時，系統(tǒng)凈化效果大打折扣。由于本身結(jié)構(gòu)原因，固定床反應(yīng)器一般用于單獨(dú)脫硫工藝中，適用范圍受限。為了解決固定床設(shè)備尺寸大、反應(yīng)器內(nèi)活性焦需頻繁轉(zhuǎn)移、耗能大以及適用范圍小等問題，國內(nèi)外學(xué)者采取以下方法：① 改善固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)氣路，使反應(yīng)器具備同時脫硫脫硝的能力；② 通過活性焦原位再生的方式，增強(qiáng)反應(yīng)器工作的連續(xù)性，降低活性焦處理成本[11-13]。

Pillier等[14]設(shè)計了一種環(huán)形倉式活性焦固定床脫硫脫硝反應(yīng)器，通過外殼體、中殼體以及內(nèi)殼體將固定床反應(yīng)器劃分為反應(yīng)室以及煙氣匯流室等區(qū)域，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 環(huán)形倉式固定床反應(yīng)器Fig.2 Toroidal fixed bed reactor

煙氣從進(jìn)口進(jìn)入均布室，由于反應(yīng)室內(nèi)裝填活性焦阻力較大，煙氣迅速在均布室內(nèi)擴(kuò)散，透過帶孔的中殼體進(jìn)入反應(yīng)室，活性焦吸附后經(jīng)出口排出。反應(yīng)器分區(qū)設(shè)計使其具備了脫硫脫硝能力。這種新型的環(huán)形倉式固定床反應(yīng)器操作簡單，由于其氣固接觸面積增大，所以系統(tǒng)處理能力增強(qiáng)，且系統(tǒng)阻力小，對于小場地有很強(qiáng)的適應(yīng)性。為降低固定床反應(yīng)器能耗，Chae等[15]、Zhang等[16]提出將反應(yīng)區(qū)域與再生區(qū)域整合在同一反應(yīng)器內(nèi)，對反應(yīng)器內(nèi)活性焦進(jìn)行原位再生，其經(jīng)濟(jì)性可提高23.3%，大幅降低了工藝成本。

通過優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，能夠在固定床上實行氣固兩路分離，進(jìn)而使固定床反應(yīng)器具備聯(lián)合脫硫脫硝的能力。同時采取原位再生的形式能增強(qiáng)固定床反應(yīng)器操作連續(xù)性，增強(qiáng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

2.2 流化床反應(yīng)器

流化床反應(yīng)器具有氣固通量大、反應(yīng)器內(nèi)物料流動穩(wěn)定、連續(xù)性以及自動性高、床層溫度分布均勻等優(yōu)勢，且相間傳質(zhì)傳熱效率比較理想，被廣泛應(yīng)用在粉煤鍋爐煙氣凈化、垃圾焚燒廢氣以及電解廢氣處理等氣體凈化領(lǐng)域[17-21]。流化床對內(nèi)部顆粒機(jī)械作用過強(qiáng)，容易造成顆粒磨損，其內(nèi)固相物料粒徑一般較小，而商用活性焦顆粒粒徑為9～12 mm，因此工業(yè)上應(yīng)用流化床反應(yīng)器的活性焦煙氣凈化工藝較少[22-24]。

顆粒狀活性焦不適合采用流化床，但粉末狀活性焦可應(yīng)用流化床反應(yīng)器，近年來細(xì)顆粒和高氣速的湍流流化床均已有工業(yè)應(yīng)用。山東大學(xué)邵海燕[25]設(shè)計了一種針對粉末狀活性焦的流化床煙氣凈化反應(yīng)器裝置，整個反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件分隔為2段，下段脫硫上段脫硝，脫硝段設(shè)置噴氨裝置，煙氣從反應(yīng)器入口依次進(jìn)入脫硫段和脫硝段，通過添加止逆閥等部件實現(xiàn)允許脫硫段的煙氣進(jìn)入脫硝段，同時防止脫硝段內(nèi)的活性焦進(jìn)入脫硫段，反應(yīng)器進(jìn)口管的直徑小于脫硫段的管體直徑，反應(yīng)器進(jìn)口管與脫硫段管壁形成環(huán)形槽，環(huán)形槽底部設(shè)有載硫焦出口，具體形式如圖3所示。

圖3 粉狀活性焦流化床脫硫脫硝裝置Fig.3 Desulfurization and denitrification device ofpowdered activated coke fluidized bed

張志學(xué)[26]通過模擬試驗研究了以粉狀活性焦為吸附劑，以內(nèi)循環(huán)流化床為一次凈化設(shè)備、雙層濾料顆粒床為二次凈化設(shè)備的煙氣脫硫脫硝除塵一體化方案，并對循環(huán)流化床粉狀活性焦脫硫脫硝除塵工藝條件進(jìn)行研究。

相對于顆粒狀活性焦，粉狀活性焦具有更大的比表面積，能更高效吸附煙氣中的污染物。但由于流化床的特點(diǎn)，在氣固兩相流動過程中，大量活性焦粉末會被煙氣夾帶而出，需進(jìn)行分離并循環(huán)返回床層，對反應(yīng)器后端氣固分離要求非常高，成為制約粉狀活性焦流化床煙氣凈化工業(yè)化的關(guān)鍵[27-28]。

2.3 移動床反應(yīng)器

相對于固定床反應(yīng)器，移動床反應(yīng)器連續(xù)性更好，且對于內(nèi)部顆粒的磨損作用也遠(yuǎn)小于流化床反應(yīng)器。因此，移動床反應(yīng)器適合對固體顆粒的機(jī)械性能要求中等且需要循環(huán)的反應(yīng)，與活性焦煙氣凈化工藝匹配性較好。

根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)部煙氣和活性焦運(yùn)動方向的不同，移動床可分為錯流、并流和逆流3種形式(圖4)[29]。通過分析3種不同形式移動床內(nèi)氣固相的流體運(yùn)動，曹晏等[30]認(rèn)為氣相和固相錯流運(yùn)動時更有利于分離煙氣和活性焦的流路，運(yùn)行和操作過程中可分別對兩相進(jìn)行處理，極大簡化了工業(yè)放大過程。Joun等[31]在反應(yīng)器出口固料轉(zhuǎn)化率、污染物脫除率以及氣速相同的情況下對比了3種不同形式移動床的床高和床深，氣固錯流和氣固逆流接觸方式的床層利用率明顯優(yōu)于氣固并流；在相同床層阻力情況下，氣固錯流形式接觸面積最大，反應(yīng)器氣相處理能力最大。

圖4 移動床氣固兩相流動軌跡Fig.4 Gas-solid two-phase flow trajectory of a moving bed

根據(jù)反應(yīng)器截面的差異，錯流移動床反應(yīng)器可以劃分為2類：圓柱形徑向移動床反應(yīng)器及矩形截面移動床反應(yīng)器[32]。其中徑向反應(yīng)器的固相物料布置與環(huán)形筒狀結(jié)構(gòu)中，相對一端排出?；钚越刮锪献苑磻?yīng)器上端進(jìn)入依靠自身重力向下移動，其移動速度可由下料裝置控制。氣流通過顆粒層的徑向流動狀況由床體結(jié)構(gòu)決定，分為向心Z型、向心∏型、離心Z型、離心∏型4種形式(圖5)[33]。其中，∏型是指分流流道和集流流道中氣體的流動方向相反，Z型的流動方向則相同。矩形錯流移動床內(nèi)部氣固流動布置基本與徑向錯流移動床相同，也有分集流型如∏型和Z型以及直流型等多種布?xì)夥绞?，只是床體截面為矩形。與圓形截面的徑向錯流移動床相比，矩形錯流移動床結(jié)構(gòu)更為簡單，制造較方便，便于床層結(jié)構(gòu)的布置。

圖5 徑向床內(nèi)氣流分布Fig.5 Airflow distribution in the radial bed

在活性焦煙氣凈化工業(yè)應(yīng)用中，矩形截面錯流移動移動床反應(yīng)器應(yīng)用最為廣泛，其中Mitsui-BF技術(shù)、ReACT技術(shù)BF-Uhde-Mitsui技術(shù)和中國的YJJ技術(shù)均采用矩形截面的吸附反應(yīng)器。矩形截面移動床反應(yīng)器一般采用模塊式布置，包含進(jìn)氣口、活性焦層、排氣口、下料器、卸料器等，各模塊協(xié)同配合控制反應(yīng)器內(nèi)活性焦及煙氣運(yùn)動。移動床反應(yīng)器其氣固兩相可分別處理，可合理規(guī)劃反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使煙氣完成先脫硫再脫硝的聯(lián)合脫硫脫硝過程，且其工業(yè)放大過程更加簡單。

無論是連續(xù)性還是對活性焦顆粒的磨損程度，移動床反應(yīng)器都有較大優(yōu)勢，且移動床反應(yīng)器有較強(qiáng)的煙氣適應(yīng)性，能同時滿足煙氣脫硫脫硝的需求。但由于移動床反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，煙氣進(jìn)入反應(yīng)器后容易出現(xiàn)黏壁流動等異常流動現(xiàn)象，為了避免此類情況，可在反應(yīng)器中安裝導(dǎo)流板等內(nèi)構(gòu)件提高煙氣在反應(yīng)器內(nèi)均布性，后文中詳細(xì)敘述。

綜上，當(dāng)煙氣處理量較小且煙氣中NOx含量不高時，可優(yōu)先采用固定床反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器具有靈活性的優(yōu)勢；當(dāng)使用粉末狀活性焦進(jìn)行煙氣凈化時可優(yōu)先選取流化床反應(yīng)器，流化床反應(yīng)器能充分發(fā)揮粉末活性焦比表面積大、脫硫脫硝性能好等優(yōu)勢。當(dāng)煙氣處理量較大且固體物料機(jī)械強(qiáng)度較差時可選取固定床反應(yīng)器進(jìn)行煙氣凈化。

3 反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件研究

由于活性焦煙氣凈化反應(yīng)過程為氣固兩相接觸過程，因此在選定反應(yīng)器床型后，需進(jìn)一步對反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以改善活性焦和煙氣的接觸效果。通過研究活性焦煙氣凈化過程發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對脫除效率的影響可以歸結(jié)為3方面；① 煙氣進(jìn)入反應(yīng)器后是否均勻分布，煙氣分布的均勻性決定了反應(yīng)器內(nèi)活性焦能否按照設(shè)計要求得到充分利用，如果反應(yīng)器內(nèi)煙氣分布均勻性差會造成局部活性焦得不到利用，煙氣凈化不充分，煙氣凈化效率降低；② 脫硝段噴氨是否均勻，由于活性焦脫硝反應(yīng)與SCR反應(yīng)類似，噴氨不均勻會導(dǎo)致脫硝率較低或氨逃逸率升高；③ 反應(yīng)器內(nèi)同一截面活性焦在向下移動過程中能否保持速度一致且穩(wěn)定。以上3個要素都可以通過在反應(yīng)器中添加內(nèi)構(gòu)件來達(dá)到理想效果。

3.1 反應(yīng)器內(nèi)煙氣的均布性

由于煙道較窄，煙氣從煙道進(jìn)入反應(yīng)器氣室時存在類似突擴(kuò)結(jié)構(gòu)，加之煙氣流速快，易出現(xiàn)貼壁或空腔的現(xiàn)象，造成氣室內(nèi)煙氣分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)局部活性焦得不到充分利用。為提高氣室內(nèi)煙氣分布的均勻性，通常選擇在氣室加裝煙氣導(dǎo)流導(dǎo)流裝置或整流裝置，降低或消除突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的影響。常見導(dǎo)流板形式有3種：直導(dǎo)流板、階梯型導(dǎo)流板以及弧形導(dǎo)流板，如圖6所示。

圖6 不同形式導(dǎo)流板Fig.6 Different types of deflectors

導(dǎo)流板的形式及尺寸對煙氣的均布性都有一定影響。為提高煙氣凈化反應(yīng)器內(nèi)煙氣流場的均勻性，改善反應(yīng)器的脫除性能，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一系列研究。董建勛[34]以某100 MW燃煤發(fā)電機(jī)組為對象，通過冷模試驗以及對脫硝系統(tǒng)內(nèi)流場的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)安裝傾斜導(dǎo)流葉片和整流層后，煙氣速度均布性較之未添加時提高了7.3%，數(shù)值模擬結(jié)果顯示加裝導(dǎo)流葉片和整流層后系統(tǒng)脫硝效率也提高了5.87%。此外相同的導(dǎo)流板布置情況下，隨著整流層的高度從1.2 m增加到1.7 m，煙氣速度均布性增加了3.5%，說明適當(dāng)提高整流層高度有助于改善速度分布的均勻性。李曉蕓等[35]對675 MW發(fā)電機(jī)組的的脫硝系統(tǒng)進(jìn)行研究，為了提高煙道及氣室內(nèi)部煙氣分布均勻性，在煙氣進(jìn)口彎道處添加導(dǎo)流板并進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明加裝導(dǎo)流板能明顯抑制反應(yīng)器突擴(kuò)結(jié)構(gòu)造成的氣體分離現(xiàn)象。加裝導(dǎo)流板后，氣室內(nèi)煙氣均布性提高了12.73%，直接彎道用1/4圓弧形彎道代替，可以消除低速區(qū)；另外，水平煙道內(nèi)直段引流板對改進(jìn)流場有明顯作用，煙道出口流場的均勻性比未加導(dǎo)流板時也有很大改善。郭威等[36]以脫硫脫硝反應(yīng)器為研究對象，對安裝直導(dǎo)流板、彎曲導(dǎo)流板以及圓弧形導(dǎo)流板3種不同形態(tài)的導(dǎo)流板時反應(yīng)器內(nèi)流場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明在氣室入口處添加彎曲導(dǎo)流板時氣室內(nèi)流場均勻性優(yōu)化效果最好，較未添加導(dǎo)流板時煙氣均布性提高了17.65%。陳蓮芳[37]針對彎曲板圓弧部分及直段部分的尺寸及板間距進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用“1/4圓弧板加直導(dǎo)流板”組合時，且板間距相同均勻排布時優(yōu)化效果最好。

在煙道與氣室的銜接處布置導(dǎo)流板能對來流煙氣進(jìn)行分流和切割，煙氣被分割成股后沿著導(dǎo)流板構(gòu)成的通道流動，避免了煙氣貼壁流動的情況，煙氣在反應(yīng)器進(jìn)氣室內(nèi)分布更加均勻，進(jìn)入活性焦層后有效停留時間也趨于一致，更有利于充分發(fā)揮活性焦的吸附催化性能，獲得理想的煙氣凈化效果。

3.2 反應(yīng)器下料的均勻性

煙氣分布均勻性提高后，還需考慮活性焦物料在反應(yīng)器中的流動情況。活性焦顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的流動形式可以分為漏斗流和整體流2種形式。當(dāng)活性焦在反應(yīng)器內(nèi)呈整體流流動時，能保持穩(wěn)定的速度，且活性焦顆粒遵循“先進(jìn)先出”原則[38]，這是活性焦顆粒在反應(yīng)器中比較理想的運(yùn)動形式。但由于反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)因素，漏斗流情況經(jīng)常發(fā)生，當(dāng)活性焦顆粒在反應(yīng)器內(nèi)呈漏斗流流動時，其“先進(jìn)先出”原則會被打破，靠近反應(yīng)器器壁處顆粒運(yùn)動速度趨于零，出現(xiàn)“先進(jìn)后出”及“后進(jìn)先出”情況，造成反應(yīng)器內(nèi)活性焦得不到充分利用[38]。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)活性焦物料出現(xiàn)漏斗流等異常流動情況時，可以在反應(yīng)器內(nèi)部添加內(nèi)構(gòu)件。內(nèi)構(gòu)件的形狀各異，有人字形、八字形以及三角形等多種形式，結(jié)構(gòu)如圖7所示[39-42]。

圖7 不同形式布料構(gòu)件Fig.7 Different forms of cloth components

工業(yè)上為增強(qiáng)效果還可采用多種內(nèi)構(gòu)件形式連用的手段。曹俊等[43]以錯流移動床為研究對象，對不加裝內(nèi)構(gòu)件，加裝人字形、八字形以及三角形3種不同形式的內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器內(nèi)部顆粒流動進(jìn)行了模擬對比和試驗驗證，結(jié)果表明，反應(yīng)器中不添加內(nèi)構(gòu)件時，顆粒呈現(xiàn)明顯的中心速度快，邊壁速度慢的“中心流”現(xiàn)象，而當(dāng)加裝固料導(dǎo)流構(gòu)件后，由于構(gòu)件與固體物料間存在壁面摩擦，構(gòu)件周圍物料速度降低，在漸縮下料段上部同一床層顆粒速度已幾乎相同，3種構(gòu)件形式中八字形構(gòu)件優(yōu)化效果最差，三角形構(gòu)件優(yōu)化效果最好，反應(yīng)器同一截面速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差降低了23.67%。曹晏等[44]以砂子替代活性焦為模型，在錯流移動床反應(yīng)器上進(jìn)行試驗，通過在反應(yīng)器內(nèi)添加調(diào)流部件，實現(xiàn)了減小反應(yīng)器床深、降低臨界影響高度的目的。

活性焦下料區(qū)添加三角形、八字形、人字形等不同形式的構(gòu)件后，床層中心處活性焦在流經(jīng)構(gòu)件時，速度迅速下降并處于短暫靜止?fàn)顟B(tài)，這種流動狀態(tài)會沿床層向垂直上方區(qū)域進(jìn)行傳遞，床層中心區(qū)域活性焦下降速度降低，漏斗流現(xiàn)象得到抑制，流經(jīng)下料構(gòu)件后同一截面處活性焦運(yùn)動速度基本達(dá)到一致。為氣固兩相反應(yīng)創(chuàng)造了良好的反應(yīng)條件。

3.3 反應(yīng)器內(nèi)噴氨的均勻性

除煙氣與活性焦在反應(yīng)器內(nèi)分布情況會影響系統(tǒng)煙氣凈化效率，噴氨區(qū)氨氣分布的均勻性也會影響系統(tǒng)的脫硝效率。由于活性焦脫硝反應(yīng)與傳統(tǒng)SCR反應(yīng)類似，需要噴入氨氣作為還原劑，Thomas等[45]認(rèn)為氨與煙氣的均勻混合是實現(xiàn)高NOx脫除率最關(guān)鍵的因素，局部混合不均勻易造成脫硝效率下降及氨逃逸率升高?，F(xiàn)階段國內(nèi)外工程實際中應(yīng)用的噴氨裝置主要可以分為3種：① 靜態(tài)混合器，噴氨管配合靜態(tài)混合器，根據(jù)煙道截面大小布置幾個到幾十個，結(jié)構(gòu)如圖8所示；② 噴氨格柵，將煙道劃分為若干區(qū)域，各區(qū)域布置若干氨管，氨管上根據(jù)需要開噴射孔，可獨(dú)立調(diào)節(jié)各個區(qū)域氨氣濃度，結(jié)構(gòu)如圖9所示；③ 渦流混合裝置，包含氨管和渦旋板2個主要元件，渦旋板一面朝向氨氣噴口，一面對著來流煙氣，結(jié)構(gòu)如圖10所示[46-48]。

圖8 靜態(tài)混合器裝置Fig.8 Static mixer device

圖9 噴氨格柵裝置Fig.9 Ammonia spray grid device

圖10 渦流噴氨裝置Fig.10 Vortex ammonia injection device

歐洲SULZER公司為提高脫硝系統(tǒng)氨氣與煙氣混合的均勻性，提出了噴氨技術(shù)耦合靜態(tài)混合器的方案，并對加裝靜態(tài)混合器后脫硝系統(tǒng)噴氨區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示添加靜態(tài)混合器后氨氣濃度分布均勻性提高了13.6%[49]。蘭江等[50]對330 MW系統(tǒng)機(jī)組脫硝系統(tǒng)靜態(tài)混合器噴氨口尺寸進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大噴氨口直徑有利于加強(qiáng)渦流混合效果，使催化劑入口氨氣摩爾分布更加均勻，氨氣摩爾濃度偏差、速度偏差小于15%，通過數(shù)值模擬分析最佳噴氨口直徑為0.21 m。湯元強(qiáng)等[51]以某發(fā)電機(jī)組鍋爐脫硝系統(tǒng)為研究對象，采用格柵噴氨形式進(jìn)行噴氨，并對噴氨區(qū)氨氣分布均勻性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)減小噴氨格柵噴孔直徑，增加噴孔數(shù)量，有利NH3與煙氣均勻混合，但會增加加工成本，綜合考慮2種因素確定最終噴氨口口徑為30 mm，此時氨氣分布均勻性最優(yōu)，氨氣濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降低為3.81%。由于格柵噴氨口較小在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，為解決這一問題采取了增加增大噴孔直徑，增加噴氨管數(shù)目的措施，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氨管由18根增加到36根，每根噴管開孔減半，噴孔直徑由30 mm增加到50 mm時，氨氣濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差降低了1.2%，且設(shè)備運(yùn)行過程中系統(tǒng)堵灰風(fēng)險大大降低。羅俊杰等[52]以600 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)為對象，設(shè)計了一種新型噴氨渦流混合裝置，渦流噴氨混合裝置為2排12根直徑為100 mm的還原劑氨氣噴射管，每根氨氣噴射管下部布置有1個強(qiáng)渦發(fā)生器。強(qiáng)渦發(fā)生器為四葉形平板，與煙氣流向呈40°布置，每個葉片的大小、間距相同，其中四葉形平板外徑0.5 m，內(nèi)徑0.3 m，空缺部分圓心角15°，葉片圓心角75°。煙氣流經(jīng)強(qiáng)渦發(fā)生器后在下游與噴入的氨氣混合。強(qiáng)渦發(fā)生器圓盤中心距氨氣噴射管出口0.5 m，氨氣噴射管出口距離煙道壁1 m，采用渦流噴氨混合裝置后煙氣與氨氣混合良好，截面上氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差(8.6%)低于10%的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

上述3種噴氨混合構(gòu)件中，氣量較小時靜態(tài)混合器混合效果最好，且靈活性較好；噴氨格柵氨管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)氨氣濃度的分區(qū)獨(dú)立控制，但由于噴氨區(qū)域較窄且氨管數(shù)目眾多，氨管管徑較小，在運(yùn)行過程中易堵塞管路。另外，噴氨格柵在應(yīng)用中會產(chǎn)生較大壓降，提高系統(tǒng)運(yùn)行成本；渦流噴氨構(gòu)件雖然在獨(dú)立性上不及噴氨格柵，但系統(tǒng)堵灰風(fēng)險較小且應(yīng)用過程中壓降較小。在實際應(yīng)用中，可針對實際情況選擇一種噴氨混合構(gòu)件或多種構(gòu)件聯(lián)用的形式，達(dá)到最佳的混合效果。

4 結(jié)語及展望

反應(yīng)器床型決定了活性焦煙氣凈化系統(tǒng)操作的連續(xù)性及煙氣處理量，而內(nèi)部構(gòu)件則直接影響反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相的接觸效果。工業(yè)生產(chǎn)中需根據(jù)煙氣條件選擇合適的反應(yīng)器床型，并通過添加內(nèi)構(gòu)件對反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。為獲得理想的煙氣凈化效果，未來可從以下兩方面展開研究：

1)創(chuàng)新反應(yīng)器床型，使其更適應(yīng)復(fù)雜的煙氣條件。活性焦煙氣凈化技術(shù)除在電廠、鋼鐵等行業(yè)廣泛應(yīng)用外，近年來在焦化、垃圾焚燒等領(lǐng)域也得到了一定推廣。面對復(fù)雜的煙氣條件，需在原有反應(yīng)器基礎(chǔ)上對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣固流路進(jìn)行優(yōu)化，提高反應(yīng)器的煙氣凈化性能。

2)創(chuàng)新反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件形式。雖然現(xiàn)階段反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)件能在一定程度上改善反應(yīng)器內(nèi)部氣固兩相流動狀態(tài)，但添加內(nèi)構(gòu)件后反應(yīng)器內(nèi)系統(tǒng)壓降及生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高。為了獲得理想煙氣凈化效果的同時保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對內(nèi)構(gòu)件形式進(jìn)一步優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加合理。