大型電站鍋爐SNCR-SCR脫硝工藝試驗研究、數(shù)值模擬及工程驗證.pdf

1、電站燃煤鍋爐產(chǎn)生的NOx是我國NOx排放的主要來源之一，降低燃煤鍋爐的NOx排放是十分緊迫的環(huán)保任務(wù)。目前，燃煤鍋爐基于尿素作還原劑的煙氣脫硝技術(shù)主要是選擇性催化還原法(Selective CatalyticReduction，SCR)、選擇性非催化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)和SNCR/SCR聯(lián)合脫硝三種工藝。SNCR/SCR聯(lián)合脫硝是耦合了SNCR、SCR和煙道內(nèi)尿素?zé)峤獾囊?/p>

2、種改進型工藝，不僅利用爐膛SNCR反應(yīng)降低了SCR反應(yīng)器入口NOx濃度，還可省掉高耗能的尿素?zé)峤庋b置和噴氨系統(tǒng)等設(shè)備，特別適合原煙氣中NOx濃度不高、現(xiàn)場位置受限、不能采用液氨作還原劑的電站鍋爐機組。本文以某燃煤電站300MW機組SNCR/SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)作為研究對象，通過冷態(tài)混合試驗、數(shù)值模擬計算和熱態(tài)試驗等途徑，先后對爐膛SNCR反應(yīng)后的鍋爐尾部煙道和SCR反應(yīng)器內(nèi)的多相流動特性和均勻混合方法展開了研究工作，獲得了SNCR/SCR

3、聯(lián)合脫硝系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)工藝和參數(shù)，并據(jù)此設(shè)計和實施了300MW機組SNCR/SCR聯(lián)合脫硝裝置，為工業(yè)應(yīng)用提供了重要理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。
　　鑒于SNCR/SCR聯(lián)合脫硝需要將尿素溶液噴入爐膛和尾部煙道進行熱解反應(yīng)，本文對尿素溶液液滴在熱煙氣流中的熱分解過程進行數(shù)值模擬和熱態(tài)試驗。研究結(jié)果表明，尿素溶液液滴在高溫?zé)釤煔庵械臒岱纸獯嬖谝粋€有效溫度窗口(450～730K)。當(dāng)溫度在低限以下時，尿素?zé)岱纸饴屎艿?溫度超過低限時，尿素分解

4、率迅速上升;當(dāng)溫度達到高限時，HNCO+NH3的轉(zhuǎn)化率接近98％，其中NH3的占比達85％左右。隨著煙氣溫度的升高，尿素?zé)岱纸饴试谝欢ǖ臏囟确秶S持不變，當(dāng)溫度接近1100K時，尿素的有效分解率迅速下降，并伴有少量的NO和N2O的生成，且其濃度值隨著溫度的升高而增加，由此得到SNCR/SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)補氨噴射位置（轉(zhuǎn)向室煙道內(nèi)尿素?zé)峤鈪^(qū)域）的合理依據(jù)。煙氣中尿素?zé)岱纸猱a(chǎn)物HNCO未完全轉(zhuǎn)化為NH3，為觀察脫硝催化劑對HNCO的催化水解

5、效果，在尿素?zé)峤鉅t出口建立了催化反應(yīng)模塊試驗裝置，對催化反應(yīng)模塊進出口的NH3和HNCO成分進行測試，發(fā)現(xiàn)脫硝催化劑能促使HNCO在較低的溫度區(qū)間迅速與水汽反應(yīng)生成NH3，且溫度越高，HNCO的轉(zhuǎn)化率也越高，當(dāng)溫度接近300℃時，HNCO的轉(zhuǎn)化率接近95％左右，驗證了SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度（一般在300-420℃）符合HNCO水解轉(zhuǎn)化反應(yīng)條件。
　　為綜合研究影響SNCR/SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)內(nèi)氣固兩相流動和均勻混合的各個因素，搭

6、建了可以進行SNCR噴槍噴射、補氨噴槍噴射、飛灰流動沉積以及煙氣導(dǎo)流混合的冷態(tài)試驗臺。還原劑以CO氣體代替，系統(tǒng)通道內(nèi)處于自?；鲃訝顟B(tài)，冷態(tài)試驗表明:由爐膛SNCR噴槍噴入的還原劑，在鍋爐省煤器出口和反應(yīng)器內(nèi)呈現(xiàn)大濃度梯度的L型非均勻分布特性;轉(zhuǎn)向室區(qū)域補氨噴槍位置越靠近轉(zhuǎn)向角，越能促進還原劑的均勻分布，但改善效果有限，據(jù)此提出了一種特殊的復(fù)合X型混合器，能夠使煙氣組分在狹長空間長距離遷移與分區(qū)強混，保證SCR反應(yīng)器內(nèi)首層催化劑入口截

7、面獲得良好的氨氮濃度分布均勻性。基于來自爐膛的高含塵煙氣，在省煤器出口引出后連續(xù)經(jīng)歷多個90°彎頭，且會遇到煙道空間尺寸的急劇變化，經(jīng)煙道彎頭設(shè)置弧形導(dǎo)流板，反應(yīng)器首層催化劑入口截面的煙氣流速和飛灰濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)仍偏大，設(shè)計了適用于斜坡頂SCR反應(yīng)器氣固相濃度場均布優(yōu)化的近貼頂棚壁面多排列長桿形整流構(gòu)件，不僅大大降低了固相流場的不均勻性，而且進一步改善了氣相流場。
　　在獲得尿素溶液熱分解特性和還原劑混合優(yōu)化方法基礎(chǔ)上，建立了一

8、個300MW機組的SNCR/SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)全尺寸三維數(shù)值模型。掌握了鍋爐各區(qū)域的流場、溫度場和NOx濃度場的變化規(guī)律，據(jù)此提出了在鍋爐轉(zhuǎn)向室側(cè)墻直接噴射尿素溶液代替常規(guī)的尿素?zé)峤夥磻?yīng)器;通過優(yōu)化補氨噴槍噴入位置、噴射速度、各點噴入量大小等控制條件，以及與前部SNCR添加尿素還原劑的匹配耦合，解決了單獨SNCR反應(yīng)后的氨逃逸濃度波動引起的脫硝運行不穩(wěn)定和SCR反應(yīng)器出口局部區(qū)域NH3逃逸濃度過量的問題。研究表明:鍋爐300MW滿負(fù)荷時

9、，霧化液滴平均粒徑0.4mm，液滴初始速度為30m/s，SNCR脫硝效果較好;氨氮摩爾比與SNCR脫硝率呈非線性關(guān)系，且當(dāng)氨氮摩爾比大于1.2后，對SNCR效率影響不明顯;SNCR反應(yīng)后的逃逸NH3在尾部煙道和反應(yīng)器內(nèi)的分布規(guī)律與冷態(tài)試驗吻合，更進一步改善提高流場均勻性，獲得了復(fù)合X型混合器和反應(yīng)器頂棚長桿形整流構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，有效改善催化劑入口速度分布、NH3濃度分布和飛灰顆粒濃度分布的均勻性。
　　最后進行了燃煤鍋爐3

10、00MW機組SNCR/SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)成套技術(shù)的集成設(shè)計與開發(fā)，包括煙氣系統(tǒng)、尿素站系統(tǒng)、計量分配模塊、SNCR噴槍模塊、補氨噴槍模塊、煙道及反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)流板、復(fù)合X型混合器、整流桿等。進行了相關(guān)熱態(tài)試驗研究。試驗發(fā)現(xiàn):對于單獨SNCR系統(tǒng)，氨氮摩爾比為1.12的情況下能獲得33％以上的SNCR效率，氨逃逸濃度為25ppm，噴射層溫度、液滴粒徑、噴射速度等均影響SNCR效率，通過在鍋爐轉(zhuǎn)向室側(cè)墻補氨噴槍補氨，SCR反應(yīng)器入口煙道安

11、裝特殊復(fù)合X型混合器，反應(yīng)器頂棚增設(shè)多組圓形整流桿構(gòu)件，可實現(xiàn)聯(lián)合脫硝系統(tǒng)中SCR反應(yīng)器內(nèi)的NH3濃度均勻分布;在聯(lián)合脫硝總的氨氮摩爾比為1.418時，SNCR效率35％，SCR效率78.4％，SNCR/SCR聯(lián)合脫硝總效率85.96％，脫硝效果良好;試驗結(jié)果還可看出，SNCR反應(yīng)后，省煤器A、B側(cè)出口NOx濃度不同，A側(cè)大于B側(cè)，計算值與測試值吻合;同時尿素溶液噴入鍋爐對鍋爐效率產(chǎn)生影響，尿素溶液濃度為5％時，鍋爐熱效率降低0.811