涡流混合器在SCR系统上的应用

王巨川

大唐国际发电有限公司张家口发电厂 河北张家口 075000

摘要：新《火电厂大气污染物排放标准》的执行对电力行业氮氧化物的排放提出严格限制，地方政府弹性减排日益增加。脱硝喷氨格栅的堵塞问题越来越突出。为减少尿素过喷及格栅式喷射装置喷嘴口径较小，经常发生堵塞的问题，引用空气动力学“驻涡”原理，通过实验室流场模拟，按照实际装置比例制造1:20的模型，通过模型试验确定扰流板的大小、位置和角度，从而得到最佳的混合效果，通过对脱硝喷氨格栅进行改造，解决了喷氨格栅堵塞和尿素过喷问题。

关键词：选择性催化还原，涡流混合器，应用

选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction,SCR）烟气脱硝技术作为一种高效的NOX控制技术，在燃煤电厂得到广泛的应用。其中，喷氨格栅的设计决定着进入首层催化剂氨氮比分布的均匀性，并直接影响着脱硝效率。为了获得理想的混氨效果，喷氨格栅的喷嘴往往设计的数量较多且喷嘴口径较小，当AIG供气管阀门长期保持低开度运行或机组启动时，支管流量低，在烟气温度较低的环境中，喷氨管内未热解的尿素结晶易与一次风中粉尘及烟气中的灰尘粘沾从而堵塞喷管。喷管堵塞后，严重影响了氨氮混合的均匀程度，进而降低脱硝效率，增大氨逃逸。因此，为了减少尿素过喷及格栅式喷射装置喷嘴口径较小，经常发生堵塞的问题，引用空气动力学“驻涡”原理，对喷氨格栅改造具有重大的意义。

1 脱硝系统概述

1.1尿素炉外热解脱硝系统简述

本烟气脱硝系统为尿素热解法选择性催化还原（SCR）烟气脱硝工艺，为中国大唐集团科技工程有限公司设计制造，采用洛卡技术，全厂八台锅炉公用一个还原剂储存、卸载及供应区域，并按照90%脱硝效率进行公用区设计，脱硝装置可用率不小于98%，采用尿素法制备脱硝还原剂作为还原剂。脱硝系统不设置烟气旁路和省煤器高温旁路系统。每台炉脱硝系统按双烟道、双SCR反应器形式设计。

尿素热解法制氨系统包括斗式提升机、尿素溶解罐、尿素溶液给料泵、尿素溶液储罐、高流量循环泵、计量和分配装置、热解炉、控制装置等。袋装尿素颗粒储存于尿素储备间，由斗式提升机输送到溶解罐里，用除盐水将干尿素溶解成40～60%质量浓度的尿素溶液，通过尿素溶液给料泵输送到尿素溶液储罐。尿素溶液经由高流量循环泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入绝热分解器内分解，生成NH₃、H₂O和CO₂，分解产物与稀释空气混合均匀并喷入喷氨格栅与烟气中的氮氧化物反应,生成氮气和水。

1.2热解炉系统

热解炉系统包括热解炉本体、稀释风（热稀释风（热一次风来）道来）系统、电加热系统等。系统根据锅炉负荷变化情况，调节尿素需求量，尿素经过计量分配装置及喷枪注入到热解炉中，经热解后在管道出口处形成出口氨气含量低于5%的空气/氨气混合物。

1.2.1绝热分解炉

每台锅炉设一套绝热分解炉。尿素溶液由316 L不锈钢制造的喷射器雾化后喷入热解炉，在500～600℃的高温热风条件下，尿素液滴分解成NH₃、H₂O、CO₂。尿素热解采用一次高温空气，用电加热器将高温空气加热到约500～600℃。绝热分解炉尾部部分钢材材质最高允许温度值为450℃，高于工作温度约100℃。

1.2.2计量分配装置

尿素溶液的计量分配装置能精确地测量和控制输送到分解室的尿素溶液流量。每台炉设置1套计量分配装置(4根喷枪)，用于控制每只尿素溶液喷射器的流量及雾化和冷却空气的压力和流量。

1.2.3压缩空气系统

脱硝系统用的仪用空气由四单元压缩空气系统提供，做为计量模块和测点吹扫气源。

1.2.4除盐水系统

除盐水系统主要用于尿素溶液的配制以及计量与分配装置的冲洗，供应全厂计量与分配装置（MDM)尿素溶液喷枪反冲洗使用。

1.2.5加热蒸汽系统

蒸汽主要用于尿素溶解热以及稀释风的加热以及管道伴热。

1.3SCR反应器区系统

每台锅炉各设置一套炉外布置的SCR 反应器系统，不设置烟气旁路。SCR反应器采用高尘布置方式，SCR布置于省煤器与空预器之间，省煤器出口300—400℃的烟气通过喷氨格栅及导流板和整流板后，在触媒的作用下，烟气中的NOx与气氨发生反应，脱除NOx后的烟气依次经过空气预热器、电袋除尘器和脱硫系统后进入烟囱排入大气。从脱硝装置入口到出口之间的系统压力损失不大于1000Pa。

反应器壳体是包含催化剂的外部结构，主要由框架钢结构、钢板焊接而形成密闭的空间。为了防止烟气的散热，在反应器外护板之间布置保温材料。为支撑催化剂，在每层催化剂的下面布置有支撑钢结构梁，将催化剂模块成排布置在支撑梁上。在反应器的入口设置气流均布装置，反应器内部易于磨损的部位设有防磨措施。内部各种加强板及支架均设计成不易积灰的型式，同时将考虑热膨胀的补偿措施。在反应器壳体上设置更换催化剂的门、人孔门和安装声波吹灰器的孔。

该系统由烟气系统，SCR反应器本体，SCR催化剂，氨喷射系统，吹灰系统，压缩空气系统组成。

1.3.1SCR催化剂

催化剂原设置为两用一备，为满足超低排放要求，增加了备用层催化剂。催化剂为板式催化剂，主要成分有二氧化钛（TiO₂）、五氧化二钒（V₂O₅）、三氧化钨（WO₃）等。

1.3.2氨喷射系统

氨喷射系统主要指喷氨格栅，每台脱硝布置两层格栅，格栅上有喷嘴，氨/空气混合气体通过喷嘴喷入烟道内与烟气混合。

1.3.3吹灰系统

SCR反应器采用声波吹灰器和蒸汽吹灰器，每台反应器安装一套声波吹灰系统和一套蒸汽吹灰系统。每一层催化剂设置3台声波吹灰器，2台蒸汽吹灰器，一台锅炉共装有18台声波吹灰器，12台蒸汽吹灰器。

1.4尿素热解制氨工艺的基本原理

SCR工艺所用的脱硝还原剂氨的来源采用尿素。尿素经溶解成50％的尿素溶液，尿素在温度高于150℃时不稳定，高温下可发生分解生成NH₃ 和异氰酸HNCO，异氰酸HNCO与水反应生成NH₃ 和CO₂，得到脱硝所用的还原剂氨。主要的反应如下：

1.5脱硝反应基本原理

反应剂（氨）在SCR脱硝反应后，生成氮气和水，无有害物质，随烟气流走。主要反应描述如下：

2 脱硝格栅式喷射装置的缺点

常见的传统喷射格栅氨混合器未静态混合器，静态混合器内的主要构件静态混合单元在混合过程汇总自身并不运行，而是凭借流体本身的能量并借助静态混合单元的作用使流体得到分散混合，设备内无一运行部件。格栅型AIG（静态混合器)喷嘴数量多，混合距离短，负荷适应性低。具体是：

（1）由于格栅式喷射装置喷嘴口径较小，经常发生堵塞现象，难以保证整个混合面的氨均匀度，使得控制系统在脱硝效率不够的情况下，增大液氨喷入量，脱硝效率不能得到有效提高，而氨的逃逸率又明显增加。

（2）喷射管磨损严重，很多已经完全磨穿，实际已经不能发挥其均匀布氨的功能。

（3）脱硝效率指标不真实，氨耗多机组的脱硝效率低，氨耗低的机组脱硝效率高，此问题与前两个问题密切相关。

3 涡流混合器原理

涡流混合器方案适合于高含尘SCR项目的氨混合系统，能够克服常规格栅混合器普遍存在的堵塞、磨损、控制难度大、混合不均匀等问题，主要工作原理是：

在SCR入口垂直烟道布置若干圆形扰流板，在扰流板下游适当位置布置氨气喷入管，烟气在扰流板的作用下产生激烈的涡流，氨气将与烟气充分混合，该技术利用了空气动力学“驻涡”的概念，烟气流速在很大的范围变化时，在扰流板下游都会形成稳定的涡流区，氨气只要喷入该涡流区内就能够实现均匀充分的混合，而该设备结构很简单，烟道内仅布置几块金属扰流板，和常规碳钢钢管，所以工程造价很低。稀释后的氨气通过管道喷射到驻涡区，在涡流的强制作用下充分混合，达到催化剂入口混合度均匀的技术要求。

氨气/空气涡流混合技术除了可优化烟气和氨混合状况以外，还具有以下优点：

1. 减少注射孔。

2. 降低喷嘴因氨中颗粒而形成堵塞概率。

3. 控制简便，调试时间短。

4. 压力损失小，节约装置用电。

4 流场模拟实验

4.1建立模型

该技术的主要难点是需要进行模型试验，按照实际装置比例造1:20的模型，通过模型试验确定扰流板的大小，位置和角度，从而得到最佳的混合效果。模型采用有机玻璃制造，按照原设计比例缩小相关系统内的导流板，导叶，格栅层等设施，风速在0.5-2米/s之间进行测试。

4.2试验结果

从测量数据分析，高速区位于两台反应器相邻的位置，这是省煤器出口烟道大小头往两侧大角度偏斜造成的，从数据来看，比一般的锅炉此处的流场已经好得多，此大小头位置应该已经装设了导流流板，如果希望进一步改善，可以将省煤器出口水平大小头内的导流板加密，会有很好的改善效果。

本次试验对涡流板的位置和角度经行了逐级测试，下列数据是角度30/35/45度，水平位置1000mm（涡流板中心至反应器侧烟道内壁的距离）时的数据，此数据是所有试验数据中的最佳数据，设备制造图和设备安装图按照此套数据进行设计。

5 现场安装方案

烟道内布置6块扰流板，采用12mm后Q345钢板制造，直径1300mm，模型试验确定安装位置和角度，喷氨管为Dn150，Q345材料的钢管制造，烟道外设Pn1,0，Dn150手动蝶阀。原氨气混合系统和控制系统不变。

装置改造时需要停炉，并拆除原有格栅喷射系统，烟道侧面需要开2000mm*2000mm的安装孔，以便扰流板的装入，原烟道内支撑杆需要根据情况进行改造，预计停炉时间为1周。

现场安装完毕后可以看出：将烟气脱硝混合器的混合原件斜置于与SCR反应器顶部连接的烟道内，将还原剂喷管从烟道壁插入烟道内，使混合元件的向流面朝向烟气的流动方向，使还原剂氨从还原剂喷管的喷口喷射到混合器元件背流面，还原剂氨从混合元件中心，均匀分布到整个背流面，并扩散至混合元件的边缘形成涡流，在斜置的混合元件两端形成压差，引起两侧涡流的不平衡，在形成的涡流中，使催化剂氨与烟气混合均匀。利用烟气形成的涡流对还原剂氨进行均匀混合，使得NH3/NOX在第一层催化剂入口断面各点混合均匀偏差在±5%以内，完全达到了NH3/NOX充分混合的目的。

6 结论

通过流场模拟实验，获得了合理的SCR涡流混合器结构和尺寸，数据计算结果与模型试验数据吻合较好，数值计算结果具有较高的准确性和可靠性；在最佳流场布置前提下，优化涡流混合器的扰流板直径和布置位置、角度，以及调整6个氨气管道的流量，氨与反应器得到了充分的掺混，实现了NH3/NOX充分混合的目的；通过定期对喷氨各支管的测温发现，各喷氨支管温度均较高，停炉后检查无喷氨支管堵塞现象。

参考文献:

1. 夏怀祥，段传和，等，选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝，中国电力出版社.

2. 王巨川，赵满江，等，大唐国际张家口发电厂运行规程，大唐国际张家口发电厂.

3. 汪淑奇，文炼红，等，单元机组设备运行（锅炉设备与运行），中国电力出版社.