分区控氨技术在烟气NOx超低排放中的应用

王明星，李 欣，李 勇，刘忠生，金 平

（中国石化 大连石油化工研究院，辽宁 大连 116045）

NOx可造成酸雨，危害人体健康，是光化学烟雾的诱因之一，世界各国对其排放控制均很严格。选择性催化还原（SCR）脱硝技术以其结构简单、运行可靠、维护方便、脱硝效率高等优点，在国内外烟气脱硝装置中广泛应用［1］。我国的烟气SCR脱硝装置在早期都按照ρ（NOx）≤100 mg/Nm3设计。在国家相关部门发布《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》后，绝大多数装置都进行了改造，通过设置选择性非催化还原（SNCR）反应器或低氮燃烧器，采用“SNCR或低氮燃烧+SCR”的联合技术实现ρ（NOx）≤50 mg/Nm3的超低排放。

某燃煤锅炉烟气脱硝装置在设置低氮燃烧器后，仍无法保证ρ（NOx）≤50 mg/Nm3的超低排放指标，且氨逃逸量超标较严重。本文通过对装置进行现场检测和问题分析，提出分区控制式喷氨格栅的结构方案，实现了超低排放和对氨逃逸的控制，可为类似装置的设计或改造提供参考。

1 SCR脱硝工艺常用的喷氨装置

1.1 涡流式静态混合喷射装置

该装置配合静态混合器使用。喷氨喷嘴数与静态混合器单元数保持一致，喷嘴直径一般较大，不易发生堵塞，且加工成本低，具有好的操作弹性，系统综合效果好。主要缺点是静态混合器结构复杂，压降较大，烟气混合距离较长。［2-4］

1.2 线性控制式喷氨格栅

该装置特点是沿着烟道相互垂直的2个方向分别引出若干根喷氨管，每根管上又设置若干个喷嘴，每根管的流量可以单独调节，从而实现喷氨量与烟气中NOx含量的相互匹配。主要优点是结构简单，系统压降小；同时建设维护成本低，操控简单。缺点是只能调节整根管流量，同一根管上各喷嘴流量不可调节，无法适应烟气横截面NOx分布不均的状况，对下游的导流板依赖程度高；而且喷嘴数量多、口径小，制造成本高，容易堵塞，导致喷氨不均匀。［2-4］

1.3 分区控制式喷氨格栅

该装置特点是把烟道横截面分成若干个区域，每个区域有若干个喷嘴，可以单独控制每个区域的喷氨量，从而实现喷氨量与烟气中NOx含量的相互匹配。该装置适用于烟道横截面积大、且NOx浓度分布严重不均或需要高效脱硝等工况［5］。喷氨分区控制克服了线性控制喷氨格栅调节性差的缺点，但控制较复杂、系统联动性强、操作要求高。［2-4］

2 现场检测与问题分析

2.1 SCR脱硝装置设计工况

某燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统安装在锅炉省煤器和空预器之间。该装置以氨为还原剂，烟气处理量为450 000 Nm3/h。原设计SCR脱硝反应器入口ρ（NOx）为550 mg/Nm3，出口ρ（NOx）≤100 mg/Nm3，喷氨格栅采用线性控制式氨喷射技术，喷氨格栅横截面与脱硝反应器横截面相同，均为10 000 mm×7 000 mm。为满足《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》燃煤锅炉净化烟气中ρ（NOx）≤50 mg/Nm3的超低排放指标，该公司于2016年在锅炉上游增设低氮燃烧器，更换更加高效的脱硝催化剂，并将催化剂单体高度由原1 000 mm提高至1 400 mm，以减小反应器空速。改造后设计的SCR入口ρ（NOx）为450 mg/Nm3，要求出口烟气ρ（NOx）＜50 mg/Nm3。但处理效果无法稳定达标，主要表现在出口烟气的NOx浓度不稳定（ρ（NOx）为40～90 mg/Nm3），氨逃逸量超标（经常超过仪器检测上限7.59 mg/Nm3），空预器有较严重的刺激性氨味。

2.2 NOx质量浓度检测点布置及数据处理

为查找装置无法稳定达标排放的原因和确定解决方案，在脱硝反应器主体进气端和出气端的横截面布置检测点。脱硝反应器横截面烟气NOx质量浓度检测点布置方式见图1，在SCR反应器横截面上均匀设置了36个检测点。烟气中NO、O2质量浓度以德国德图Testo-350型烟气分析仪进行测定，然后将NO质量浓度换算成NOx质量浓度。NOx质量浓度的标准偏差计算公式见式（1）和式（2）。

图1 脱硝反应器横截面烟气NOx质量浓度检测点布置方式

式中：σ为NOx质量浓度的标准偏差，mg/Nm3；xi为各检测点的NOx质量浓度，mg/Nm3；n为检测点数量；为NOx质量浓度平均值，mg/Nm3。

2.3 检测结果与分析

图2是脱硝反应器进气端横截面的NOx质量浓度分布。由图2可见，脱硝反应器进气端的ρ（NOx）为398～462 mg/Nm3，平均值为421 mg/Nm3，标准偏差为17 mg/Nm3。图3是脱硝反应器出气端横截面的NOx质量浓度分布。由图3可见，脱硝反应器出气端的ρ（NOx）为0～266 mg/Nm3，平均值为60 mg/Nm3，标准偏差为81 mg/Nm3。从图3还可看出，炉前10 000 mm×3 500 mm区域的ρ（NOx）基本在仪器检测限以下，而炉后10 000 mm×3 500 mm区域的ρ（NOx）为41～266 mg/Nm3，而且越靠近炉后ρ（NOx）越高。很明显，在脱硝反应器横截面不同区域，单位时间内喷氨量与NOx通过量存在严重的不匹配。在反应器出气端ρ（NOx）较低的炉前区域，n（NH3）∶n（NOx）＞1.0，喷氨量是过剩的，而反应器出气端NOx浓度较高的炉后区域，n（NH3）∶n（NOx）＜1.0，喷氨量严重不足。氨逃逸主要发生在炉前区域。本装置氨逃逸在线分析仪安装在B侧7 000 mm与炉前10 000 mm夹角处，也直观地证明装置存在NH3逃逸问题。这就是造成本装置氨逃逸量和ρ（NOx）无法达标的主要原因。

图2 脱硝反应器进气端NOx质量浓度分布

图3 脱硝反应器出气端NOx质量浓度分布

根据对装置的检测分析，认为造成此现象主要有以下两个原因：

1）氨气稀释用风来自锅炉空预器。该空预器为回转式空预器，漏灰较严重。当氨/空混合气由炉后以15 m/s的高速通过弯头进入喷氨格栅时，在弯头内侧产生涡流，使得气相中的灰尘在此沉积。本装置喷氨格栅入口支管积灰照片见图4。由图4可见，喷氨格栅入口支管超过一半的管道截面被灰尘堵塞，造成氨/空混合气的实际流速比设计值提高了约1倍。而由于惯性，高速流动的气体会越过积灰，并在积灰后很长一段距离的管道内形成氨气“死区”，氨/空混合气流速越大产生的氨气“死区”就越大，造成绝大部分氨气由炉前喷入锅炉，从而导致炉前氨过量而炉后供氨不足。喷氨格栅支管内流动示意见图5。

图4 喷氨格栅入口支管积灰照片

图5 喷氨格栅支管内氨流动示意

2）本装置采用线性控制式喷氨格栅，其控制方式见图6。由图6可见，喷氨格栅入口各支管阀门所控制的喷氨区域与横截面7 000 mm宽度方向平行，阀门的调节作用无法与烟气ρ（NOx）由炉前向炉后升高的趋势相匹配。因此，为实现NOx超低排放和减少氨逃逸，必须对喷氨格栅进行改造，采用分区控制式喷氨格栅，并以脱硝反应器出气端横截面各区域ρ（NOx）为控制目标，使出气端横截面各区域ρ（NOx）均满足超低排放要求，并与总排口ρ（NOx）相统一，从而实现NOx超低排放和减少氨逃逸。

图6 喷氨格栅的线性控制方式示意

3 分区喷氨技术工业应用

3.1 分区喷氨格栅设计

由于脱硝反应器出口横截面的ρ（NOx）偏差主要体现在炉前至炉后的跨度方向，即由炉前向炉后升高，因此，为便于实施分区供氨，使分区供氨量与单位时间通过各分区的NOx质量相匹配，本装置沿7 000 mm方向划分为8列，沿10 000 mm方向划分为4行，即将整个横截面分成32个区域。原喷氨格栅支管按照4行分组，每组8支，分别延伸至本行的8个区域，每个区域设置2根喷氨管支路，即将喷氨格栅入口各支管阀门所控制的区域由与横截面炉前至炉后平行方向改为垂直方向。经此改造，可利用原喷氨格栅入口的32根支管及各支管上的阀门分别控制32个区域的供氨量，如图7所示。

图7 喷射格栅的分区控制方式示意

3.2 分区喷氨调整原则

装置改造完成后，脱硝系统氨消耗总量仍以脱硝反应器入口ρ（NOx）、烟气量和NOx去除目标为依据，由喷氨格栅入口氨气管道上的气动调节阀自动调节控制。各区域的供氨按照分区控制式喷氨格栅入口32根支管与脱硝反应器横截面32个分区的对应关系，手动调整喷氨格栅入口各支管阀门，并分别检测各分区出气端的ρ（NOx），ρ（NOx）控制目标为20～45 mg/m3。喷氨格栅各区域喷氨量调整遵循以下原则：1）消除脱硝反应器出口横截面上ρ（NOx）为0和接近0的区域，即消除氨逃逸特别严重的区域。2）消除脱硝反应器出口横截面上ρ（NOx）较高区域，即减小整个横截面各区域的NOx浓度差，使各区域ρ（NOx）与总排口ρ（NOx）趋于一致。

3.3 喷氨格栅改造前后脱硝系统性能比较

喷氨格栅改造后脱硝反应器出气端横截面的ρ（NOx）分布见图8。由图8可见，分区喷氨后，脱硝反应器出口实际ρ（NOx）为30～43 mg/Nm3。氨浓度分析结果显示氨逃逸量降至1.20 mg/Nm3以下。

图8 喷氨格栅改造后脱硝反应器出气端ρ（NOx）分布

喷氨格栅改造前后脱硝系统性能比较见表1。由表1可见，经改造后，装置氨消耗量有所增加，脱硝反应器出口横截面ρ（NOx）标准偏差由改造前的81 mg/Nm3降至改造后的3 mg/Nm3，总排口ρ（NOx）由57 mg/Nm3降至38 mg/Nm3，达到了超低排放要求，NOx脱除率提高了6.76%。装置运行结果表明，各区域单位时间内的喷氨量与NOx通过量能够得到很好匹配。根据脱硝反应器出气端横截面ρ（NOx）分布设计的喷氨区域及分区控制式喷氨格栅，能够克服喷氨格栅入口支管积灰堵塞对喷氨造成的不利影响，分区供氨可以实现脱硝装置的NOx超低排放。

表1 喷氨格栅改造前后脱硝系统性能比较

4 结论

a）喷氨格栅改造前，ρ（NOx）在整个脱硝反应器出气端横截面上分布非常不均，为0～266 mg/Nm3，平均为60 mg/Nm3，ρ（NOx）标准偏差为81 mg/Nm3，氨逃逸量最高时超过仪器检测上限（7.59 mg/Nm3）；改造后，在氨消耗量增加及NOx超低排放（ρ（NOx）=30～43 mg/Nm3）的前提下，氨逃逸量降至1.20 mg/Nm3以下，NOx脱除率提高了6.76%。

b）以脱硝反应器出气端横截面ρ（NOx）分布为基础划分喷氨区域，调整喷氨格栅的供氨方式，对于实现NOx超低排放和减少氨逃逸是可行的。