烟气脱硝装置喷氨格栅装置全面解析

喷氨格栅是选择性催化还原法（SCR） 烟气脱硝系统中的核心设备之一，其性能直接决定了整个脱硝系统的脱硝效率、氨逃逸率以及运行成本。

一、 定义与基本作用

• 定义：喷氨格栅（Ammonia Injection Grid, AIG）是一个安装在SCR反应器之前、烟气通道内的管道网格系统。其首要功能是将还原剂（通常是气态氨或氨-空气混合气）均匀、精确地喷射到烟气中。

• 核心作用：确保氨气与烟气中的氮氧化物（NOx）在进入催化剂层之前实现充分、均匀的混合。这是实现高效、经济脱硝的先决条件。

二、 工作原理

喷氨格栅本身不进行化学反应，它是一个混合预备装置。其工作流程如下：

1. 氨气供应：来自蒸发器的气态氨与稀释风机提供的空气混合，形成安全的氨-空气混合气，通过总管路输送至喷氨格栅。

2. 分区喷射：混合气进入AIG的母管，然后分配到若干根平行的支管上。每根支管上开有多个喷嘴。

3. 与烟气混合：氨-空气混合气通过喷嘴以特定角度和速度喷入烟道，与高温烟气（通常为300-420°C）强烈紊流混合。

4. 流向催化剂：经过初步混合的氨和NOx的烟气，在继续流向SCR反应器内部的过程中进一步湍流混合，最终均匀地通过催化剂层，在那里发生高效的还原反应：

   $$4\mathrm{N}\mathrm{O}+4\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{}}_3+\mathrm{O}{\phantom{}}_2\stackrel{}{\to }4\mathrm{N}{\phantom{}}_2+6\mathrm{H}{\phantom{}}_2\mathrm{O}$$$$2\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{}}_2+4\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{}}_3+\mathrm{O}{\phantom{}}_2\stackrel{}{\to }3\mathrm{N}{\phantom{}}_2+6\mathrm{H}{\phantom{}}_2\mathrm{O}$$

三、 核心结构与组成

一个典型的喷氨格栅通常由以下几部分组成：

1. 母管/总管：接收来自系统的氨-空气混合气，并将其分配至各支管。

2. 支管：多根平行布置的管道，构成“格栅”状。其数量和间距根据烟道尺寸设计。

3. 喷嘴：安装在支管上的关键部件。其形式多样（如直管式、涡流式等），负责将混合气喷出。喷嘴的设计影响喷射的穿透力和覆盖范围。

4. 手动调节阀/孔板：这是AIG的灵魂所在。通常在每一根支管甚至每一个喷嘴上都安装有手动调节阀或固定孔板。通过调节这些阀门，可以针对烟道内烟气速度场和浓度场的不均匀性，对每个区域的喷氨量进行精确配比，实现“精准喷氨”。

5. 支撑与固定结构：确保整个格栅在高温、高流速的烟气中稳定运行。

6. 防腐设计：由于介质为氨气，且处于腐蚀性烟气环境中，通常采用不锈钢（如304或316L）制造。

四、 喷氨格栅的主要类型

根据调节精度的不同，主要分为两类：

1. 传统型喷氨格栅

   • 特点：支管数量相对较少，通常在每根支管上设置手动调节阀。调试期间，技术人员根据初始烟气速度场和NOx浓度场的测试结果，一次性手动设定好各支管的阀门开度。

   • 优点：结构简单，成本较低。

   • 缺点：当锅炉负荷或煤种变化导致烟气流场改变时，无法自动适应，容易出现混合不均、氨逃逸升高或局部脱硝效率下降的问题。

2. 分区可控型喷氨格栅

   • 特点：将整个格栅划分为多个独立的控制区域（例如4x4、8x8等），每个区域有独立的供氨支管和自动调节阀。

   • 优点：与安装在催化剂后的NOx浓度场测量仪表（CEMS网格） 联锁，形成闭环控制。系统实时监测出口NOx分布，并自动调整对应区域的喷氨量，实现动态的、自适应的均匀喷氨。

   • 缺点：系统复杂，初投资高。

   • 这是目前大型电站锅炉和新建项目的首选趋势，因为它能显著降低氨逃逸，节省运行成本。

五、 运行中的关键问题与优化

1. 氨逃逸：指未参与反应的氨气穿过催化剂层。这是AIG运行好坏的最关键指标。

   • 危害：

     • 与SO3反应生成硫酸氢铵（ABS），堵塞和腐蚀下游的空预器换热元件，是电厂安全运行的重大威胁。

     • 造成氨气浪费，增加运行成本。

     • 形成“蓝色/黄色烟羽”污染。

   • 原因：最主要的原因就是AIG调节不当导致氨与烟气混合不均。

2. 喷嘴堵塞与腐蚀

   • 堵塞：通常由于氨气中含杂质（如蒸发器故障）或烟道内灰尘沉积所致。需要定期检查和吹扫。

   • 腐蚀：长期在高温和腐蚀环境下工作，材料选择不当或出现露点腐蚀会导致损坏。

3. 优化措施

   • 精细调试：在系统投运初期，必须进行严格的冷态模化试验和热态调试，利用网格法测量速度场和浓度场，精确设定各支管的喷氨量。

   • 流场优化：在AIG前安装烟气导流板和静态混合器，为AIG提供一个尽可能均匀的初始流场。

   • 升级改造：将传统AIG升级为分区可控型AIG，是解决负荷适应性差、降低氨逃逸的最有效手段。

   • 定期维护：利用停机检修机会，检查AIG的堵塞、磨损和腐蚀情况，并及时清理或更换。

总结

喷氨格栅（AIG）虽不是SCR系统中最昂贵的部件，但却是连接化学反应和流体混合的“桥梁”，其“承上启下”的作用至关重要。一个设计优良、调试精准、维护到位的喷氨格栅，是保证SCR系统实现高脱硝效率、低氨逃逸、长催化剂寿命和低运行成本的基石。随着环保要求日益严格，智能化、分区可控的喷氨格栅已成为技术发展的主流方向。