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。目前，燃煤鍋爐基于尿素作還原劑的煙氣脫硝技術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和煙道內尿素熱解的一

2、種改進型工藝，不僅利用爐膛SNCR反應降低了SCR反應器入口NOx濃度，還可省掉高耗能的尿素熱解裝置和噴氨系統(tǒng)等設備，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反應后的鍋爐尾部煙道和SCR反應器內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)的關鍵技術工藝和參數(shù)，并據(jù)此設計和實施了300MW機組SNCR/SCR聯(lián)合脫硝裝置，為工業(yè)應用提供了重要理論依據(jù)和實踐經驗。
　　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，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。研究結果表明，尿素溶液液滴在高溫熱煙氣中的熱分解存在一個有效溫度窗口(450～730K)。當溫度在低限以下時，尿素熱分解率很低;溫度超過低限時，尿素分解

4、率迅速上升;當溫度達到高限時，HNCO+NH3的轉化率接近98％，其中NH3的占比達85％左右。隨著煙氣溫度的升高，尿素熱分解率在一定的溫度范圍維持不變，當溫度接近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（轉向室煙道內尿素熱解區(qū)域）的合理依據(jù)。煙氣中尿素熱分解產物HNCO未完全轉化為NH3，為觀察脫硝催化劑對HNCO的催化水解

5、效果，在尿素熱解爐出口建立了催化反應模塊試驗裝置，對催化反應模塊進出口的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)間迅速與水汽反應生成NH3，且溫度越高，HNCO的轉化率也越高，當溫度接近300℃時，HNCO的轉化率接近95％左右，驗證了SCR反應器入口煙氣溫度（一般在300-420℃）符合HNCO水解轉化反應條件。
　　為綜合研究影響SNCR/SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)內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器內呈現(xiàn)大濃度梯度的L型非均勻分布特性;轉向室區(qū)域補氨噴槍位置越靠近轉向角，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反應器內首層催化劑入口截

7、面獲得良好的氨氮濃度分布均勻性?；趤碜誀t膛的高含塵煙氣，在省煤器出口引出后連續(xù)經歷多個90°彎頭，且會遇到煙道空間尺寸的急劇變化，經煙道彎頭設置弧形導流板，反應器首層催化劑入口截面的煙氣流速和飛灰濃度標準偏差系數(shù)仍偏大，設計了適用于斜坡頂SCR反應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)此提出了在鍋爐轉向室側墻直接噴射尿素溶液代替常規(guī)的尿素熱解反應器;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反應后的氨逃逸濃度波動引起的脫硝運行不穩(wěn)定和SCR反應器出口局部區(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脫硝率呈非線性關系，且當氨氮摩爾比大于1.2后，對SNCR效率影響不明顯;SNCR反應后的逃逸NH3在尾部煙道和反應器內的分布規(guī)律與冷態(tài)試驗吻合，更進一步改善提高流場均勻性，獲得了復合X型混合器和反應器頂棚長桿形整流構件的結構優(yōu)化設計參數(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)成套技術的集成設計與開發(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、煙道及反應器系統(tǒng)內的導流板、復合X型混合器、整流桿等。進行了相關熱態(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，通過在鍋爐轉向室側墻補氨噴槍補氨，SCR反應器入口煙道安

11、裝特殊復合X型混合器，反應器頂棚增設多組圓形整流桿構件，可實現(xiàn)聯(lián)合脫硝系統(tǒng)中SCR反應器內的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;試驗結果還可看出，SNCR反應后，省煤器A、B側出口NOx濃度不同，A側大于B側，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生影響，尿素溶液濃度為5％時，鍋爐熱效率降低0.811