火电厂NO_x“超低排放”技术探索与展望

通讯作者：庄烨(1969—)，男，上海人，国家千人计划专家，博士，主要研究方向为环境工程与科学，E-mail：zhuangy@lyhb.cn

火电厂NOx“超低排放”技术探索与展望

褚玥，庄烨，刘科伟，松鹏，张东辉，杨建辉

(北京国电龙源环保工程有限公司， 北京100039)

摘要：火电行业是NOx等大气污染物减排的重点行业，通过炉内低氮燃烧结合尾部烟气脱硝技术对NOx排放进行控制，是实现“超低排放”的可行路径。对选择性催化还原(SCR)脱硝系统进行改进，包括催化剂热态活性评价、冷态流场和浓度场模型试验以及全SCR脱硝系统的计算流体力学(CFD)模拟等。通过对现有催化剂全反应器尺度的数值模拟，认为脱硝系统要达到“超低排放”(NOx低于50 mg/m3)，SCR入口NOx浓度上限为200 mg/m3。脱硝效率的主要影响因素包括催化剂活性、流场和浓度场均匀度、气体与催化剂间的气-固相传质速率，其中气-固相传质速率是整个脱硝过程的决速步骤，是下一步研究工作关注的重点。

关键词：火电厂；烟气脱硝；超低排放

作者简介：褚玥(1987—)，女，河南人，工程师，博士，主要研究方向为化学工程与技术，E-mail：chuy@lyhb.cn

中图分类号：X701

收稿日期：2015-05-13

基金项目：江苏省环保科研课题(2014037)

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.006

NOx是大气主要污染物，不仅危害人体健康，还会造成多种二次污染。据统计，我国NOx排放量高达2 200万吨/年，为世界第一大NOx排放国[1-3]。火电厂、机动车和工业锅炉是NOx的主要来源，其中火电厂排放量占NOx排放总量的46%。因此，进一步降低烟气中NOx的浓度，对于控制NOx的排放具有重要意义。国家也在逐步推出更为严格的排放标准，以推动火电脱硝行业的发展。2012年开始实施的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)规定，重点地区NOx特别排放限值为100 mg/m3。与此同时，江浙地区已提出了比国家标准更加严格的地方排放标准。在如此严峻的环保形势下，火电厂“超低排放”的概念应运而生。国家发改委、环保部和能源局联合发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》(发改能源[2014]2093号)中提出，NOx“超低排放”限值为50 mg/m3。

选择性催化还原脱硝(SCR)技术是目前世界上烟气脱硝效率最高、应用最多、最为成熟的尾部烟气脱硝技术。在对该技术进行优化和改进的基础上，与炉内低氮燃烧相结合，是实现“超低排放”的可行路径[4-6]。SCR中多使用V2O5-WO3/TiO2催化剂，催化剂的活性是决定脱硝效率的关键因素。此外，NH3等反应物分布的均匀性、反应物与催化剂的质量传递等，也会对NOx的脱除造成影响，而这些又与速度场的分布情况密切相关。因此，为对已有SCR技术进行改进，以满足“超低排放”，在催化剂热态活性评价、流场和浓度场模型试验以及全SCR脱硝系统的计算流体力学模拟等方面进行了研究，并通过全反应器尺度的数值模拟，对NOx“超低排放”研究中的关键问题，如进口浓度上限和决速步骤等做出初步判断。

1SCR技术创新探索

高活性的催化剂、流场和浓度场的均匀分布等是SCR技术中决定NOx脱除效率的关键因素，为了达到“超低排放”要求，在实验室规模的SCR小试热态试验、冷态模型试验和SCR系统的CFD模拟等方面进行了探索，对不同实验条件下催化剂的脱硝活性进行了评价，并对烟道结构、导流构件和涡流混合器的设计进行了优化，提高了催化剂入口截面速度场和浓度场的均匀性。

1.1　SCR小试热态实验

高活性的SCR催化剂是实现“超低排放”的基础。由于在实际生产中，总体脱硝效率还受到流场、温度场、浓度场分布等的影响，在实验室搭建了小型热态催化活性评价实验平台，用于催化剂本征催化性能的测试和新催化剂的开发。该小试实验平台由供气、汽化和反应3部分组成。使用质量流量计控制流量，汽化部分提供定量的水蒸气进料，反应器内可放置3孔×3孔×30 cm的蜂窝状催化剂。由于反应器尺寸较小，且在供气部分设置有气体混合器，可认为在催化剂进口处的流场和氨氮比均匀。

(t=350℃，p=101 325 Pa，NH 3/NO=0.8， w NO-in=210 mg/m 3，w O 2 =2%，w H 2O =10%) 图1　不同体积空速下出口NO x含量 Fig.1　Concentration of NO x at SCR outlet under different GHSVs

为测试现有V2O5-WO3/TiO2催化剂实现NOx“超低排放”的可能性，进行了一系列不同烟气量条件下的脱硝实验。实验结果如图1所示。在小试实验规模、催化剂进口截面速度场和浓度场均匀的前提下，当入口的NOx含量为210 mg/m3、氨氮摩尔比为0.8时，若进料烟气的体积空速低于10 800 h-1，出口烟气即可达到NOx含量低于50 mg/m3的“超低排放”标准。在实际生产过程中，烟气的体积空速通常在8 000 h-1左右，那么按照催化剂热态实验的结果，应该可以达到“超低排放”的要求。

1.2　冷态模型试验

SCR脱硝系统具有设备尺寸大、烟道布置局限性大的特点，几乎每套脱硝系统的烟道形状都不同，而这些不同对于速度场和浓度场的均匀性又有显著影响。为优化工程设计，实现高精度的流场均匀分布与反应物的均匀混合，针对每个SCR脱硝工业项目都搭建了1∶10的冷态模型，该模型使用探针测定法测量气体的三维流场，并在流场断面抽取样品气，测定示踪气体含量，以计算浓度场的均匀度。

根据流场测定结果，可对速度场的分布进行优化。优化步骤一直进行到流场断面不均匀性测定结果满足设计要求即可。浓度场分布的优化主要通过优化涡流混合器的圆盘直径、位置和布置方式，以及调整喷氨管的流量。根据浓度场不均匀度测定结果，对涡流混合器进行优化，一直到浓度不均匀性达到设计指标为止。对于长宽比较大的烟道，通常采用单排涡流混合器；而对于长宽比较小的烟道，可通过设置双排涡流混合器，以得到更佳的浓度分布效果。对于双排涡流混合器，可通过对涡流盘的角度、位置、形状、喷嘴流量分配等因素进行调节，最终获得理想的均匀度。图2对优化前后的浓度场均匀性进行了比较，可以明显看出，优化后催化剂入口截面上的示踪气体浓度更加均匀，数据统计结果为：优化前不均匀度为31.06，而优化后为7.73，均匀分布的反应物有利于脱硝反应稳定、高效进行。

图2　使用双排涡流混合器时催化剂入口截面浓度分布图 Fig.2　Distribution of the tracer concentration with double lines vortex mixer: a) before optimization; b) after optimization

1.3　脱硝系统流场CFD研究

在模型试验的基础上，通过计算流体力学(CFD)的方法对SCR脱硝系统的烟道结构进行数值模拟，对烟气在烟道各部位的流动、发展和相互掺混的过程进行研究，尤其是对涡流混合器对流场和氨分布混合的效果进行考察，可以对烟道结构、导流设施和涡流混合器实施有针对性的优化设计，以达到适合催化剂安全、高效、稳定反应的目的[7-8]。对烟气流动情况的描述通常通过3个不同截面上的流场分布展开，脱硝系统中截面为纵向考察截面。另外，第一、二层催化剂入口断面上的速度场和浓度场均匀性也需要重点考察。

图3　烟气流线分布图 Fig.3　Stream lines of the flue gas in the SCR system

优化前优化后速度分布速度均值/(m/s)4.404.40方差/(m/s)0.030.03不均匀性0.68%<5%0.66%<5%氨浓度分布氨平均浓度/(mol/m3)2.04×10-42.04×10-4方差/(mol/m3)3.20×10-58.99×10-6不均匀性15.97%>5%4.41%<5%烟气入射角最小角度0.23°0.19°平均角度3.78°3.99°最大角度4.86°<10°5.26°<10°

注：上述结果在BMCR(锅炉最大连续蒸发量) 100%、三层催化剂的条件下得到。

图3为某脱硝装置的烟气流线图。可以看出，催化剂的入口截面上，速度场比较均匀；在涡流混合器部分，烟气流速较高，且存在强烈湍动，使射流混合物被高速烟气携带、卷吸并进行掺混。表1为优化前后的统计结果，可以看出，对原有设计的改进显著提高了氨浓度分布的不均匀度。

2NOx“超低排放”技术展望

火电厂NOx“超低排放”概念的提出，对脱硝技术的发展提出了更高要求。催化剂的活性、速度场和浓度场的均匀性、反应物与催化剂的气固传质速率等会影响总体的脱硝效率，同时，脱硝系统进口的NOx浓度对能否达到“超低排放”也起到决定作用，而在多种影响脱硝效率的因素中，可能存在某种决速步骤，需要将其作为未来研发工作进行的重点，这是目前迫切需要解决的问题。通过对脱硝反应器进行热态数值模拟，对脱硝装置进口的浓度上限和决速步骤的问题进行讨论。

(t=420℃，p=101325 Pa，NH 3/NO=0.8，w O 2 =2%， w H 2O =10%，GHSV=7200 h -1) 图4　反应器模拟得到不同入口NO x含量时 的出口浓度及脱硝效率 Fig.4　Exit concentration of NO x and the denitration efficiency at different concentration inlet

2.1　进口NO x浓度上限

在催化剂热态小试实验和计算流体力学模拟的基础上，建立了脱硝反应器的数学模型，用扩散-对流方程对各种物质进行质量衡算，N-S方程进行总体动量衡算，方程组用有限元法进行数值求解。给定不同的进口NOx浓度，可以计算得到反应器出口的NOx浓度以及脱硝效率，如图4所示。根据现有模拟结果，当脱硝效率为75%左右时，为保证脱硝装置出口NOx浓度低于50 mg/m3，其入口NOx浓度不能高于200 mg/m3。这就需要开发新型低氮燃烧技术，最大程度上降低锅炉出口烟气中NOx的浓度，以减轻下游SCR催化剂的脱硝压力。

2.2　脱硝过程决速步骤

影响脱硝系统效率的3个主要因素为：催化剂本征活性、速度场和浓度场的均匀性、气相主体与催化剂的气-固相间传质速率。在前期工作中，针对前两个因素已进行了相关研究，得到了较高催化活性的催化剂，并通过设计优化，使催化剂入口截面的速度场和浓度场均匀性满足一定指标。在此基础上，通过对脱硝反应器的数值模拟，对影响脱硝效率的决速步骤进行了分析。

在保证催化剂本征脱硝活性不变的前提下，拟采用填充床的反应器形式，假定流动形式为理想的平推流。NO浓度随反应器长度变化情况如图5所示。可以看出，仅需很短的催化剂段(<0.1 m)，即可实现NOx的几乎完全脱除。说明在良好的传质条件下，现有催化剂的本征活性已足够高，即催化剂的本征脱硝活性不是影响最终脱硝效果的决速步骤。

图5　平推流固定床反应器中NO浓度随 反应器长度变化情况 Fig.5　The change of NO concentration versus the length of plug-flow packed bed reactor

在模拟过程中，取定速度场和浓度场均匀，在此前提下，气-固相之间的接触和传质是脱硝过程的决速步骤。目前使用的催化剂为蜂窝状催化剂，薄壁平行孔道结构，气体扩散到催化剂表面，与壁面接触并发生化学反应，再扩散到气相主体[9-10]。要对气固相间的传质进行强化，主要途径有两条：一是提高对流传质系数；二是增大传质面积。传质系数与流体的物理性质、传质表面的形状和布置，以及流动状态、流动产生原因等密切相关。在烟气温度、气速、催化剂孔道结构一定的情况下，传质系数可提高的空间不大。

气-固相的传质面积与催化剂类型密切相关，与填充床相比较，单位体积的蜂窝状催化剂中的传质面积明显较小。在以后的工作中，可以考虑改变催化剂的结构来强化传质。例如，壳牌脱硝系统(SDS)中使用侧流式反应器(LFR)，其中催化剂颗粒包含在气道之间的薄层内，烟道废气经侧向推动从催化剂层中流过，可以有效地使气体和催化剂充分接触，从而提高脱硝效率。

3总结

炉内低氮燃烧结合尾部选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术，是实现火电厂NOx“超低排放”的可行路径。在前期工作中，搭建了小型热态催化活性评价实验平台，用于高活性的脱硝催化剂开发和评价工作；针对不同的脱硝系统建设相应的冷态模型试验台，对其速度场和浓度场均匀性进行测量，并使用计算流体力学的方式，对整个脱硝系统的流场进行模拟，在其基础上进行烟道结构、导流元件和涡流混合器设计的优化，以保证反应物和催化剂均匀接触。在这些工作的基础上，通过对脱硝反应器的热态数值模拟，确定了满足“超低排放”要求的进口浓度上限，并通过对不同气固接触方式下的脱硝效率比较，分析认为，气体与催化剂间的质量传递是整个脱硝过程的决速步骤，为SCR技术的进一步改进指明了方向。

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Perspective of NOx“Ultra-clean Emission” from Coal-fired Power Plants

CHU Yue, ZHUANG Ye, LIU Ke-wei, SONG Peng, ZHANG Dong-hui, YANG Jian-hui

(Beijing Guodian Longyuan Environmental Engineering Co., Ltd., Beijing 100039, China)

Abstract:Since coal-fired power plant is the largest source of anthropogenic emissions of NOx, much attention has been paid to the flue gas denitration technology. Low-NOx combustion combined with denitration of the flue gas is the possible way to reach the “ultra clean emission” standard. In this article the research results including catalyst with high denitration activity, optimization of the duct structure to improve the uniformity of gas velocity and concentration by model experiment, the numerical simulation of the whole system by computational fluid dynamics were introduced. Then a hot model of the reactor was established and by the simulation results, the maximum concentration of NOx in the entrance was considered to be 200 mg/m3, and that the denitration efficiency was largely decided by the rate of mass transfer between the gas and the catalyst.

Key words: coal-fired power plant; flue gas denitration; ultra-clean emission