楊浪, 龔德鴻*, 王康, 鄧傳記, 方興蕊, 葉宗權(quán), 徐圓圓, 黃正光

(1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院, 貴陽 550025; 2.國家電投集團貴州金元茶園發(fā)電有限公司, 畢節(jié) 551800)

燃煤電廠尾氣排放中的NOx對環(huán)境影響巨大,是主要的大氣污染物之一[1]。為助力燃煤電廠實現(xiàn)超低排放,選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)技術(shù)由于其技術(shù)成熟、高效率脫硝優(yōu)點,在大氣治理應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)越,廣泛應(yīng)用于中國燃煤電廠[2]。

“雙碳”目標(biāo)背景下,光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等新能源快速發(fā)展,大規(guī)模并網(wǎng)會影響電網(wǎng)和機組運行的穩(wěn)定性[3]。因其發(fā)電具有間歇性[4-5],并網(wǎng)后需要經(jīng)常對燃煤電廠調(diào)峰,導(dǎo)致氨逃逸問題突出。催化劑作為SCR脫硝反應(yīng)過程中的核心部分,其結(jié)構(gòu)特征直接影響著NOx的脫除效率[6]。因此,為確保SCR脫硝系統(tǒng)的安全運行和高效性能,構(gòu)建精確的SCR脫硝催化劑結(jié)構(gòu)并對其進行優(yōu)化設(shè)計有著重要意義。

當(dāng)前對于煙氣脫硝的數(shù)值模擬研究,主要分為在SCR脫硝系統(tǒng)整體流場的流動特性數(shù)值模擬研究和SCR反應(yīng)器中反應(yīng)過程的數(shù)值模擬研究。在SCR整體流場特性研究,于宏超等[7]針對SCR反應(yīng)器脫硫脫硝過程中效率偏低問題,建立SCR數(shù)值計算模型對煙氣流場進行模擬,通過加裝導(dǎo)流板使速度場和氨濃度場變異系數(shù)減小,提高了脫硝效率。張媛媛等[8]通過增設(shè)噴氨格柵同時將上游煙氣轉(zhuǎn)折處豎直擋板調(diào)整為弧形擋板,加強了煙氣與氨氣混合并提高了氨氮分布均勻性,提高了3.37%脫硝效率。陳冬林等[9]在設(shè)置導(dǎo)流板、導(dǎo)流片及導(dǎo)流葉片等裝置基礎(chǔ)上加裝煙氣混合裝置,提高了入口速度場、NOx濃度場及NH3濃度場均勻性。在SCR反應(yīng)過程的數(shù)值模擬研究,文獻[10-13]基于Eley-Rideal機理建立SCR脫硝催化數(shù)學(xué)模型,考察了不同入口煙氣參數(shù)對SCR脫硝性能影響。武潔等[14]針對3組燃煤電廠的5種工況的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),采用相關(guān)分析法,對各類參數(shù)進行相關(guān)性分析。得出電廠負(fù)荷與出口NOx呈正相關(guān),但與SCR入口處NOx濃度沒有顯著相關(guān)性。賈佳[15]利用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬,研究了平板式、波紋板式、蜂窩式3種催化劑孔徑、孔節(jié)距及在脫硝系統(tǒng)中的安裝距離對SCR系統(tǒng)流場的影響。

綜上所述,前人研究主要集中在分析流場、濃度場及脫硝效率的變化,而較少考慮氨逃逸率的變化規(guī)律,對于不同負(fù)荷及不同煤質(zhì)下脫硝效率及氨逃逸率分析也較少。鑒于此,基于SCR脫硝機理構(gòu)建SCR脫硝反應(yīng)模型,研究不同催化劑節(jié)距、長度對SCR脫硝性能的影響,分析脫硝效率及氨逃逸率的變化規(guī)律,并以貴州某660 MW燃煤機組SCR脫硝系統(tǒng)為研究對象,模擬計算不同負(fù)荷、不同煤質(zhì)下SCR脫硝效率及氨逃逸率變化情況,為燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化提供理論參考。

1 SCR脫硝機理

燃煤電廠SCR煙氣脫硝系統(tǒng)多采用V2O5-WO3/TiO2高溫催化劑,其反應(yīng)溫度區(qū)間一般在300～400 ℃[16]。此時,脫硝過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)遵循Eley-Rideal機理,即NH3和NOx發(fā)生反應(yīng)的過程中,NH3先吸附于催化劑表面上再與NOx分子發(fā)生反應(yīng)[17]。脫硝原理如圖1所示,噴氨格柵向煙道中煙氣噴氨,均勻混合后在催化劑作用下選擇性將NOx轉(zhuǎn)化為H2O和N2。

圖1 SCR脫硝原理Fig.1 SCR Denitration Principle

主要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)有

(1)

(2)

(3)

由于煙氣NOx成分中NO2含量較少,因此反應(yīng)(2)可忽略不計,SCR反應(yīng)器只中考慮反應(yīng)(1)。反應(yīng)(3)為SCR反應(yīng)器中的副反應(yīng),隨著反應(yīng)條件(如溫度)的變化,NH3會與氧氣發(fā)生反應(yīng),進而導(dǎo)致脫硝效率降低。反應(yīng)(1)與反應(yīng)(3)的動力學(xué)方程為

(4)

rNH3=K2CNH3

(5)

式中:rNO為反應(yīng)(1)中NO的反應(yīng)速率;rNH3為反應(yīng)(3)中NH3的反應(yīng)速率,mol/m3;CNO、CNH3分別為NO、NH3摩爾濃度,mol/m3;K0為NH3吸附速率常數(shù);K1為NO的反應(yīng)速率常數(shù);K2為NH3反應(yīng)速率常數(shù)。

反應(yīng)速率常數(shù)計算公式為

(6)

式(6)中:ki為各吸附及反應(yīng)過程的指前因子,s-1;Ei為各吸附及反應(yīng)過程的活化能,J/mol;R為氣體常數(shù)8.314 J/(mol·K);T為反應(yīng)溫度,K。

2 SCR模型建立

2.1 SCR單孔催化劑物理模型

基于上述動力學(xué)模型,建立蜂窩式催化劑單孔道模型如圖2所示。

圖2 蜂窩式催化劑單孔道模型Fig.2 Single pore model of honeycomb catalyst

SCR反應(yīng)器催化劑孔道結(jié)構(gòu)由若干個相同的單孔道組成,單孔道模型可以更有效反映出煙氣在催化劑中發(fā)生的流動、傳質(zhì)及反應(yīng)過程,且研究表明,SCR反應(yīng)器在發(fā)生脫硝反應(yīng)過程中,孔道內(nèi)溫度沿高度增加幅度不大,可忽略不計[11],相鄰孔道之間互不影響。因此,將單孔道視為研究對象,在入口參數(shù)分布均勻條件下,基于單孔道模擬結(jié)果計算得到多孔道脫硝結(jié)果。以貴州某660 WM燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)為研究對象,催化劑材料為V2O5-WO3/TiO2,其SCR單孔道催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 單孔道催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of single pore catalyst

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

由于SCR催化劑是由若干個相同的單孔道構(gòu)成,因此單孔道作為催化劑整體的基礎(chǔ)單元,可將其作為研究對象并建立數(shù)學(xué)模型,所作簡化及假設(shè)如下:①化學(xué)反應(yīng)只考慮主反應(yīng)(1)和副反應(yīng)(3);②整個過程均為穩(wěn)態(tài);③反應(yīng)器不與外界發(fā)生換熱,為絕熱過程;④忽略組分軸向擴散,且煙氣進出口壓力保持恒定;⑤煙氣的流動方式為一維柱塞流。

基于上述假設(shè),孔道內(nèi)物質(zhì)濃度沿徑向無梯度變化。本文模型僅考慮孔道中主要反應(yīng)物NO及NH3的濃度變化,對其進行物料平衡計算得到微分方程為

(7)

式(7)中:u為反應(yīng)器中表面氣流速度;dx為差分微元。

(8)

2.3 模型準(zhǔn)確性驗證

基于上述模型及方程建立,選用MATLAB軟件編寫程序?qū)ζ溥M行數(shù)值求解,計算過程采用四階龍格庫塔法,步長為1 mm。表2為計算過程所用反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。

表2 反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)Table 2 Reaction kinetic parameters

為驗證模型準(zhǔn)確性,模擬過程所選工況與實驗工況一致,測試得到不同溫度下SCR脫硝效率變化情況如圖3所示?？梢钥闯?模型預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)變化趨勢相同,結(jié)果吻合度高[11]。說明所建立的SCR單孔道模型合理準(zhǔn)確,可以通過該模型對SCR催化劑的脫硝性能進行預(yù)測計算。

圖3 模型與實驗結(jié)果對比Fig.3 Comparison of model and experimental results

3 結(jié)果與討論

3.1 催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)對脫硝性能影響

3.1.1 催化劑節(jié)距對脫硝性能的影響

蜂窩式催化劑因其表面積大、活性高、催化體積小等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于燃煤電廠,其蜂窩孔節(jié)距P的大小直接影響SCR脫硝性能,是其最重要的性能指標(biāo)。P的大小會影響到催化劑中化學(xué)反應(yīng)的壓降和停留時間,可表示為

P=d+h

(9)

式(9)中:d為孔徑(蜂窩孔寬度);h為蜂窩催化劑的壁面厚度。

圖4為蜂窩式催化劑節(jié)距。

為考察不同節(jié)距催化劑的脫硝性能,在入口速度6.312 4 m/s、NO濃度為0.015 6 mol/m3、氨氮比為1的邊界條件下,計算得到不同節(jié)距催化劑的脫硝效率、氨逃逸率隨溫度變化情況如圖5所示。

圖5 不同節(jié)距下脫硝效率及氨逃逸率隨溫度的變化Fig.5 Changes in denitrification efficiency and ammonia escape rate with temperature under different pitch

從圖5中可以看出,SCR脫硝性能隨著催化劑節(jié)距增加而逐漸降低。6 mm節(jié)距的催化劑始終有著最佳的脫硝效率和最低的氨逃逸率。反應(yīng)溫度小于500 K時,催化劑節(jié)距對脫硝性能影響較小,這是由于反應(yīng)溫度過低導(dǎo)致了還原反應(yīng)速度過慢。而后隨溫度升高,不同節(jié)距的催化劑脫硝性能差距逐漸增大。反應(yīng)溫度達到629.15 K時,不同節(jié)距下的脫硝性能差距最為顯著,此時6 mm節(jié)距的催化劑脫硝性能達到峰值,脫硝效率和氨逃逸率分別為72.63%、9.76%。催化劑節(jié)距從6 mm增加到12 mm,SCR脫硝效率從72.63%降到51.04%,氨逃逸率從9.76%上升到25.1%。這是由于隨著孔節(jié)距的增大,催化劑的比表面積逐漸減小、活性點位變少,降低了催化劑活性,從而導(dǎo)致脫硝性能降低。達到最佳脫硝反應(yīng)溫度后,繼續(xù)升高溫度至700 K,脫硝效率逐漸下降,氨逃逸率變化減緩,這是由于溫度過高,SCR反應(yīng)器中的NH3自行燃燒不與NO反應(yīng)所導(dǎo)致。然而在燃煤電廠實際的運行過程中,還需考慮飛灰影響。煙氣中的飛灰容易導(dǎo)致SCR催化劑孔道堵塞,因此,在實際SCR催化劑選用中,并非孔徑越小越好,一般大于5 mm。對于應(yīng)用場景為高灰煙氣的煙道,應(yīng)布置更大的孔節(jié)距催化劑。

3.1.2 催化劑長度對脫硝性能的影響

在入口速度為6.312 4 m/s,NO濃度為0.015 6 mol/m3、氨氮比為1的邊界條件下,催化劑長度從300 mm逐漸遞增至1 000 mm,計算得到不同催化劑長度的脫硝效率及氨逃逸率隨溫度的變化如圖6所示。

圖6 不同催化劑長度的脫硝效率及氨逃逸率隨溫度的變化Fig.6 Changes in denitrification efficiency and ammonia escape rate with temperature for different catalyst lengths

從圖6可以看出,在反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi),SCR脫硝性能隨著催化劑長度加長而增強。反應(yīng)溫度小于500 K時,各長度催化劑的脫硝性能變化不大。反應(yīng)溫度由500 K上升至639.15 K,此階段SCR催化劑的脫硝性能受溫度影響較大,由于提高了還原反應(yīng)速率,各長度催化劑脫硝性能均大幅提升,此時1 000 mm長度催化劑脫硝效率由12.63%提高至69.05%;氨逃逸率由89.33%下降至8.90%。反應(yīng)溫度為639.15 K時,催化劑長度從300 mm增加到1 000 mm,脫硝效率由36.23%上升至69.05%;氨逃逸率由51.15%降低至8.90%。這是由于增加了催化劑長度會增加SCR催化劑體積、減少空速,煙氣在催化劑中停留時間加長,提高了SCR脫硝性能[17]。但SCR脫硝效率及氨逃逸率并非隨催化劑長度線性改變,催化劑長度從300 mm增加至700 mm時,脫硝效率大幅提升,由36.32%上升至60.73%,增幅為24.41%;氨逃逸率由51.15%降低至19.51%,降幅為31.64%;催化劑長度繼續(xù)由700增加至1 000 mm時,脫硝效率由60.73%增加至69.05%,增幅僅為8.32%;氨逃逸率由19.51%降低至8.90%,降幅為10.51%。這是由于SCR催化還原反應(yīng)主要發(fā)生在催化劑前段,而未充分反應(yīng)的殘留煙氣在催化劑后段繼續(xù)參加反應(yīng)。因此,在實際SCR催化劑選擇中,為保證經(jīng)濟效益同時兼顧催化劑有較高的脫硝強度下,應(yīng)合理選用催化劑長度。

3.2 實際工況下脫硝性能分析

3.2.1 不同負(fù)荷下SCR脫硝性能分析

在大規(guī)模新能源并網(wǎng)燃煤機組頻繁調(diào)峰背景下,SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣隨機組負(fù)荷改變而改變。SCR脫硝裝置實際運行工況偏離了設(shè)計工況后,入口煙氣NOx濃度會隨負(fù)荷降低而降低,過量的噴氨會導(dǎo)致鍋爐尾部設(shè)備積灰堵塞等一系列問題[18-19],影響機組安全穩(wěn)定運行。以貴州某660 MW超臨界機組SCR脫硝系統(tǒng)為研究對象,選用蜂窩式孔節(jié)距6 mm、長度為1 000 mm的催化劑,測試不同負(fù)荷下SCR催化劑脫硝效率及氨逃逸率。表3為貴州某660 MW超臨界機組不同負(fù)荷下SCR反應(yīng)器入口煙氣實際運行數(shù)據(jù)。圖7為不同負(fù)荷下SCR脫硝效率及氨逃逸率變化情況。

圖7 不同燃煤機組負(fù)荷下的脫硝效率及氨逃逸率Fig.7 Denitration efficiency and ammonia escape rate under different coal-fired unit loads

由圖7可知,SCR反應(yīng)器脫硝效率隨負(fù)荷降低呈升高趨勢,負(fù)荷從550 MW降低至330 MW脫硝效率由67.71%上升至73.28%,在350 MW時脫硝效率最高,為73.77%。其中,負(fù)荷由350 MW下降至330 MW,脫硝效率有小幅下降是由于此時入口煙氣速度較低,煙氣在SCR反應(yīng)器中停留時間較長,而入口NO濃度大幅下降所導(dǎo)致。而負(fù)荷由500 MW下降至450 MW過程中脫硝效率大幅上升是由于入口煙氣速度降低,提高了煙氣在SCR反應(yīng)器中停留時間;且反應(yīng)溫度由655.65 ℃下降至650.65 ℃,使SCR反應(yīng)器中反應(yīng)溫度更趨近于最佳反應(yīng)溫度所導(dǎo)致。

氨逃逸率隨負(fù)荷降低而降低,550 MW負(fù)荷時的氨逃逸最高,此時氨逃逸率為1.1%,負(fù)荷降低至330 MW后氨逃逸率僅為0.14%。這是由于隨著燃煤機組的負(fù)荷降低,入口煙氣量減小導(dǎo)致煙氣平均流速降低,NO與NH3在催化劑表面停留反應(yīng)時間增加,提高了脫硝性能并降低了氨逃逸率。其中,450 MW負(fù)荷下降至400 MW過程中,入口煙氣速度降低理應(yīng)使氨逃逸率下降,但由于入口NO濃度大幅下降,減少了NH3與NO的反應(yīng),導(dǎo)致氨逃逸率上升,且溫度下降也會使得氨逃逸率上升,綜合多因素影響,導(dǎo)致此過程呈較平緩的下降趨勢。

因此,燃煤機組低負(fù)荷運行時脫硝效率較高,在保證脫硝效率較高、環(huán)保指標(biāo)達標(biāo)的前提下,可通過控制噴氨量以降低氨逃逸率;還可通過增加催化劑層數(shù)增加煙氣停留時間,提高脫硝效率以降低氨逃逸率。

3.2.2 不同煤質(zhì)下脫硝性能分析

燃煤電廠發(fā)電過程中,燃煤是主要能耗,其成本占比大約為總成本的70%。由于地區(qū)和煤炭資源限制,電廠用煤一般多樣復(fù)雜,在不能穩(wěn)定采購使用單一煤種時,需要摻配其他不同煤種實現(xiàn)混合燃燒。研究表明,在使用非設(shè)計煤種時,可通過合理配煤方式和運行調(diào)整,以提高劣質(zhì)煤的利用率,實現(xiàn)低成本發(fā)電、節(jié)約優(yōu)質(zhì)煤炭和降低污染物排放[20-22]。貴州煤炭普遍為熱值低和灰分高的特點,使用不同煤質(zhì)入爐燃燒,煙氣含量及成分比例各不相同。為測試不同煤質(zhì)下SCR反應(yīng)器脫硝情況,在550 MW機組負(fù)荷、氨氮比為1入口條件下,選用7種不同煤質(zhì),分析SCR反應(yīng)器效率及氨逃逸率變化規(guī)律。表4為550 MW負(fù)荷不同煤質(zhì)的SCR入口煙氣參數(shù)。圖8為不同煤質(zhì)下SCR脫硝效率及氨逃逸率的變化情況。

表4 500 MW負(fù)荷不同煤質(zhì)下入口煙氣參數(shù)Table 4 Inlet flue gas parameters under different coal qualities under 500 MW load

圖8 不同煤質(zhì)下SCR脫硝效率及氨逃逸率變化Fig.8 Changes in SCR denitrification efficiency andammonia escape rate under different coal qualities

由表4可知,隨著煤質(zhì)熱值降低,為保證機組負(fù)荷穩(wěn)定運行需要增加入爐煤量,因此入口煙氣量隨煤質(zhì)降低而增加,提高了入口煙氣速度;且NO濃度也隨煤質(zhì)熱值降低呈上升趨勢。由圖8可知,隨著煤質(zhì)熱值的降低,SCR脫硝效率及氨逃逸率均呈上升趨勢。煤質(zhì)熱值由16 747.2 J下降至15 491.16 J脫硝效率由71.14%小幅上升至71.73%,這是因為隨著煤質(zhì)降低,入口煙氣速度上升較小,對脫硝效率的抑制較小,而入口 NO濃度上升幅度較大,是影響SCR反應(yīng)器脫硝效率的主要因素;而隨煤質(zhì)熱值降低氨逃逸率由1.47%上升至1.72%,是因為煤質(zhì)降低,提高了SCR反應(yīng)器的入口煙氣速度,降低了煙氣在SCR反應(yīng)器中的停留時間。此時,入口煙氣速度對氨逃逸率的影響比NO濃度的影響更大,是影響氨逃逸率的主要因素。

4 結(jié)論

(1)在催化劑反應(yīng)窗口內(nèi),隨著催化劑節(jié)距的增加,脫硝效率逐漸降低,氨逃逸率逐漸增高。蜂窩節(jié)距為6 mm,反應(yīng)處于最佳溫度629.15 K時,脫硝性能最強,此時脫硝效率可高達72.63%,氨逃逸率僅為9.76%。

(2)SCR脫硝效率隨催化劑長度增加而增加,氨逃逸率隨催化劑長度增加而減小,但不是呈線性變化。催化劑長度由300 mm增加700 mm時,脫硝效率大幅提升24.41%,氨逃逸率降幅31.64%;繼續(xù)增加催化劑長度至1 000 mm,脫硝效率增速相對減緩,脫硝效率增幅僅為8.32%,氨逃逸率降幅10.51%。

(3)SCR反應(yīng)器脫硝效率隨負(fù)荷降低呈升高趨勢,負(fù)荷從550 MW降低至330 MW脫硝效率由67.71%上升至73.28%,氨逃逸率隨負(fù)荷降低而降低,負(fù)荷由550 MW降低至330 MW,氨逃逸率由1.1%降低至0.14%。

(4)隨著煤質(zhì)熱值降低,SCR反應(yīng)器脫硝效率及氨逃逸率逐漸升高。煤質(zhì)熱值由16 747.2 J下降至15 491.16 J脫硝效率由71.14%小幅上升至71.73%,氨逃逸率由1.47%上升至1.72%。