分区控氨技术在炼油厂选择性催化还原烟气脱硝中的应用

魏晓霞，齐慧敏，王明星，李 欣，李 勇，姜 阳，王昊辰

（中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001）

分区控氨技术在炼油厂选择性催化还原烟气脱硝中的应用

魏晓霞，齐慧敏，王明星，李 欣，李 勇，姜 阳，王昊辰

（中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001）

针对选择性催化还原（SCR）脱硝反应器同截面温度分布不均，导致NOx浓度分布不均，严重影响脱硝效果，采用传统的均匀喷氨方式无法有效解决脱硝率低、局部氨逃逸的问题，以炼油厂自备锅炉SCR脱硝装置为研究对象，在SCR脱硝反应器入口烟气NOx浓度分布不均的情况下，采用分区喷氨的控氨方式，提高脱硝率的同时改善反应器出口截面NOx浓度分布的均匀性，有效控制了氨逃逸。分区喷氨与均匀喷氨实验数据相比，分区喷氨后脱硝率提高11.5百分点，氨耗量减少5kg/h，氨逃逸浓度降低77.5%。根据温度和浓度的关系估算，均匀喷氨时反应器入口同截面温度最高处和最低处温差应不超过30℃，否则需考虑分区喷氨方式。

烟气脱硝 分区喷氨 NOx分布 氨逃逸 脱硝率

氮氧化物是大气主要污染物之一，降低炼油厂锅炉尾气NOx排放越来越受到关注［1－4］。选择性催化还原（SCR）技术是当前研究广泛、技术成熟的NOx末端处理工艺［5］。SCR烟气脱硝的原理是在催化剂作用下，在烟气中喷入还原剂NH3，将烟气中的NOx还原成N2和H2O［6］。烟气NOx与还原剂NH3适宜的配比是影响脱硝效果的主要因素之一，为了尽量避免氨逃逸［7］，实际运行中氨/氮摩尔比都会小于1，因为氨气也是大气污染物之一。一般的中小型SCR脱硝装置，烟气中的NOx可以通过混氨内构件实现二次混合，使烟气中的NO和NH3达到均匀混合状态，但如果烟道截面积过大，就无法通过局部混合解决整体分布不均的问题。在反应器的某些区域，NH3含量大于烟气中的NOx含量，出现局部NH3过剩，从而形成氨逃逸；某些区域NH3含量小于烟气中NOx含量，造成局部脱硝率降低。因为锅炉设计的因素，有些烟气NOx浓度分布不均问题无法彻底消除［8］，这种情况下可改变氨分布方式，提高NOx和NH3的匹配度。目前应用于燃煤锅炉的几种氨分布技术中，分区喷氨的控制方式能够使喷入脱硝系统的氨气与烟气中的NOx浓度分布趋于一致，有效应对烟气中NOx浓度分布不均问题，在提高脱硝率的同时也降低了氨逃逸量［9］。本课题通过研究炼油厂自备锅炉均匀喷氨与分区喷氨方式烟气中NOx的变化情况，分析温度对NOx浓度分布的影响，并给出分区控氨合理的径向烟温变化范围，对提高反应器出口截面NOx均匀性和解决大型锅炉烟气中NOx浓度分布不均造成的SCR脱硝反应器氨逃逸具有重要的现实意义。

1 分区喷氨优化实验

1.1 SCR脱硝装置基本设计工况

国内某炼油厂自备锅炉，SCR脱硝反应器设计气量450kt/a，脱硝设计入口NOx质量浓度在标准状态下不大于550mg/m3，催化剂实际装填2层，不设置备用催化剂床层，喷氨格栅在催化剂床层上方2 000mm处，均匀喷氨设计。设计脱硝率（以NO2计）不小于83.6%，氨逃逸质量浓度在标准状态下不大于2.5mg/m3，在运行数月后空气预热器压降升高，氨逃逸质量浓度在标准状态下最高时可达8mg/m3，检修时发现空气预热器处铵盐结垢问题严重，查找原因后认为因锅炉取热方式不同，造成同截面烟气中NOx浓度分布不均，原均匀喷氨装置无法解决这一问题，后对喷氨系统进行了分区改造，并在分区改造结束后进行现场试验。

1.2 测点分布及试验方法

SCR脱硝反应器横截面10 320mm×7 040mm，测点的布置是从反应器A侧到B侧（7 040 mm方向）间隔1 000mm取1个点，共取6个点，从炉前到炉后（10 320mm方向）间隔1 450mm取1个点，共取6个点，形成网格布点的6×6个测试点。分别对SCR反应器入口（喷氨格栅前）第1层催化剂床层出口截面和反应器出口截面进行NO浓度检测。喷氨格栅分为32个喷氨区域，每个喷氨阀门控制1个喷氨区域，通过调节阀开度控制该区域的喷氨量。根据测试结果调整分区喷氨量，直至出口截面NO浓度和氨逃逸浓度达到设计值要求，记录所测数据。烟气中的NO浓度使用烟气分析仪进行测定。温度使用多点热电偶测定，型号YAML7038G－6－K－L，长度3 700mm，范围0～800℃。实验中NO浓度的标准偏差计算式如下：

式中：σ为NO质量浓度的标准偏差，mg/m3；xi为测点NO质量浓度，mg/m3；n为测点个数；x—为NO质量浓度平均值，mg/m3。

2 结果与讨论

2.1 均匀喷氨与分区喷氨方式的脱硝效果对比

SCR脱硝反应器均匀喷氨与分区喷氨方式的脱硝效果对比见表1。由表1可见：采用均匀喷氨时，装置脱硝率为72.8%，氨耗量为38kg/h，氨逃逸浓度在标准状态下为8mg/m3；采用分区喷氨时，装置脱硝率为84.3%，氨耗量为33kg/h，氨逃逸浓度在标准状态下为1.8mg/m3；与采用均匀喷氨方式相比，采用分区喷氨的脱硝率提高11.5百分点，氨耗量减少5kg/h，氨逃逸浓度降低77.5%，分区喷氨方式的脱硝效果显著改善。

2.2 NOx浓度分布

用烟气分析仪检测SCR反应器入口NOx浓度（烟气中NOx的组成为NO体积分数95%、NO2体积分数5%），从炉前到炉后各测点编号依次为1～6号，从A侧到B侧编号依次为1～6。SCR进口截面NO浓度分布见图1。由图1可见，炉前B侧NO浓度低于炉后A侧，而炉前A侧NO浓度最高，整个截面NO浓度在标准状态下最大值为104mg/m3，最小值为84mg/m3，最大值与最小值相差20mg/m3。另外，测量最大值与最小值间距离为7.5m，这个距离很难靠混氨内构件消除浓度差。根据式（1）、式（2）计算可知，NO浓度标准偏差为6.1mg/m3，反应器入口NO浓度分布偏离平均值幅度较大，烟气中NO浓度分布不均匀。

表1 SCR脱硝反应器均匀喷氨与分区喷氨方式的脱硝效果对比

图1 SCR进口截面NO浓度分布

分别对均匀喷氨和分区喷氨前后第一床层催化剂出口截面和反应器出口截面NO浓度进行检测，并根据温度和体积的关系，将测点NO标准状态下的浓度换算为工况浓度，结果见图2～图5。从图2可以看出，采用均匀喷氨时，NOx和NH3经过第一床层催化剂，在催化剂表面发生还原反应后烟气中的NO浓度发生较大变化，炉后NO浓度高于炉前NO浓度，其中最大值为79.6mg/m3，最小值为7.6mg/m3，相差72mg/m3。根据式（1）、式（2）计算可知，采用均匀喷氨时，第一床层催化剂出口截面NO浓度标准偏差为21.41mg/m3，是入口NO浓度偏差的3.5倍。从图3可以看出，采用均匀喷氨时，NOx和NH3经过第二床层催化剂后，烟气中的NO浓度偏差趋势进一步加剧，其中NO浓度最大值为71.4mg/m3，最小值为0（靠近炉前一侧多个测点NO浓度为0）。根据式（1）、式（2）计算可知，采用均匀喷氨，反应器出口截面NO浓度标准偏差为20.28mg/m3。由反应动力学［10］可知，反应速率随温度、反应物浓度和催化剂的变化而变化，反应物氨浓度的增加促使反应速率加快，经催化剂床层后，入口NO浓度分布的偏差加大，而此时脱硝率为72.8%，并没有达到设计值（83.6%）的要求，为了提高装置的脱硝率只能增加氨投量，使得氨逃逸量增加，并难以在脱硝率和氨逃逸量之间达到平衡。从图4可以看出，采用分区喷氨时，第一床层催化剂出口截面NO浓度分布比较均匀，NO浓度最大值为28.1mg/m3，最小值为14.9mg/m3，相差13.2mg/m3。由式（1）、式（2）计算，采用分区喷氨，NO浓度标准偏差为3.11mg/m3，较均匀喷氨第一床层催化剂出口截面NO浓度标准偏差减小18.3mg/m3。从图5可以看出，采用分区喷氨，反应器出口截面NO浓度最大值为15.3mg/m3，最小值为8.0mg/m3，相差7.3mg/m3。由式（1）、式（2）计算，采用分区喷氨时，反应器出口截面NO浓度标准偏差为2.09 mg/m3，NO浓度分布偏离平均值的程度减小，反应器出口截面NO浓度分布较均匀。

2.3 温度分布

图2 均匀喷氨第一床层出口截面NO浓度分布

图3 均匀喷氨出口截面NO浓度分布

对SCR反应器入口处（喷氨格栅前）温度进行测定，结果见图6。从图6可以看出：烟道喷氨格栅前径向温度分布偏差较大，呈现出炉前高炉后低、A侧高B侧低的特点，这与NO浓度分布情况恰好相反；同一截面温度最高为496℃，最低为369℃，温差超过100℃，同截面温度标准偏差为27.9℃。由传质理论可知，单位面积气体通过量是温度的函数［11－12］，NO的传质方向是由高温向低温传递，所以高温区域NO浓度低于低温区域NO浓度，因此可由温度分布判断NO分布情况，作为调整分区喷氨的依据和指导。

2.4 烟气温度差

图4 分区喷氨第一床层出口截面NO浓度分布

图5 分区喷氨反应器出口截面NO浓度分布

图6 喷氨格栅前烟道截面温度分布

在SCR脱硝反应中，为保证较高的脱硝效果，需要通过各种技术手段保证反应器内的流动场、温度场及反应物的浓度场（NH3/NOx）均匀分布，目前改变大型锅炉的温度场还存在难度，但可以通过分区喷氨提高NH3/NOx的匹配度，温度场的不均匀性具体到温差多少时需要分区喷氨，可以通过计算得到。

还原剂NH3与NO的反应按摩尔比为1∶1进行，通常氨氮摩尔比的允许误差不超过5%，均匀喷氨的情况下，要求反应器入口截面NO浓度偏差不超过5%，根据气体温度和浓度的变化关系［13］，可以得到不同温度下的浓度值并计算其偏差。假设烟气温度为350℃，压力为－300Pa，NO体积分数为200μL/L，以350℃为基准分别计算350，360，370，380，390，400℃工况下的NO浓度，并计算不同温度与基准温度（350℃）下NO浓度的偏差，结果见表2。从表2可以看出，同截面温度差越小，NO浓度偏差也越小，分布越均匀，当温度为380℃时NO浓度偏差为4.5%，390℃时NO浓度偏差为6.0%，为保证NO浓度偏差在5%以下，均匀喷氨时同截面烟气温度差不得超过30℃，否则需考虑分区喷氨方式。

表2 不同温度与基准温度下NO浓度的偏差

3 结 论

（1）通过分区喷氨提高了SCR脱硝反应器还原剂NH3和烟气中NOx的匹配度，相同工况下，分区喷氨较均匀喷氨的脱硝率提高11.5百分点，氨逃逸率降低77.5%，氨耗量降低5kg/h。

（2）未分区喷氨时，烟气经过两床层催化剂后NO浓度标准偏差为21.41mg/m3，分区喷氨后NO浓度标准偏差降至2.09mg/m3，说明分区喷氨提高了反应器出口截面烟气中NO的均匀性。

（3）由烟气温度和工况下NO浓度的函数关系，根据假设烟气条件进行计算，得到需要分区喷氨的径向截面烟气温度差，进入反应器的径向截面温度最高和最低处温差不应超过30℃，否则需考虑分区喷氨。

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APPLICATION OF PARTITION AMMONIA INJECTION IN SCR DENOxOF REFINERY FLUE GAS

Wei Xiaoxia，Qi Huimin，Wang Mingxing，Li Xin，Li Yong，Jiang Yang，Wang Haochen
（SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，Fushun，Liaoning113001）

Uneven distribution of temperature on the same cross－section of a SCR（selective catalytic reduction）de NOxreactor results in an uneven distribution of concentration of NOx，which seriously affects the SCR de NOxeffect.Further，the traditional uniform ammonia injection method fails to effectivelyaddress the problem of low removal efficiency and local ammonia slip.In this work，the SCR deNOxdevice of refinery self－provided boilers was studied.The partition ammonia injection technique was employed to improve the NOxdistribution and diminish the ammonia escape in the case of non－uniform distribution of NOxconcentration in flue gases at the inlet of SCR deNOxreactor.Compared with the uniform ammonia injection method，the partition ammonia injection makes NOxremoval rate increase by 11.5percent points，while ammonia consumption is reduced by 5kg/h，and ammonia escape is declined by 77.5%.According to the estimation based on the relationship of temperature and concentration，if the different of highest and lowest temperature in the same cross－section of the reactor inlet is more than 30℃in the case of uniform ammonia injection，the partition ammonia injection method should be taken into consideration.

flue gas denitration；partition ammonia injection；NOxdistribution；ammonia escape；denitration rate

2016－11－30；修改稿收到日期：2017－01－16。

魏晓霞，硕士，工程师，主要从事FCC烟气脱硝技术研究工作。

魏晓霞，E－mail：weixiaoxia.fshy＠sinopec.com。