脫硝系統(tǒng)均勻性優(yōu)化方案研究

吳學(xué)斌，王軼，樊雄飛，顧超，伍力拓

(1.青銅峽鋁業(yè)發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 青銅峽 751600；2.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710025)

0 引言

隨著中國環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)日益嚴(yán)格，火電機(jī)組已普遍實(shí)施“超低排放”，其脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性被納入嚴(yán)格監(jiān)管[1]。選擇性催化還原(SCR)因其具有高脫硝率、技術(shù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為目前燃煤電廠脫硝系統(tǒng)的主流選擇。在運(yùn)行中，由于煙氣中NOx濃度分布無法達(dá)到均勻分布，同時(shí)噴氨裝置噴出的氨也無法達(dá)到均勻分布，使得部分區(qū)域的氨氮摩爾比值低于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致脫硝反應(yīng)不均勻。因此在實(shí)際操作中，往往采取多噴氨的方式以滿足超低排放的要求，但是會造成氨逃逸增多的問題，對系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行造成威脅[2-4]。目前仍有部分電廠脫硝系統(tǒng)未能充分發(fā)揮設(shè)計(jì)的減排能力和環(huán)保效益[5]，亟需對其進(jìn)行改造優(yōu)化。

氨逃逸率過高主要是由于氨利用率的不均勻性，在結(jié)構(gòu)和催化劑已確定的情況下，脫硝系統(tǒng)的均勻性是影響脫硝系統(tǒng)指標(biāo)(即脫硝效率和氨逃逸率)的重要因素。因此國內(nèi)往往采取優(yōu)化流場、改善均勻性的優(yōu)化方案，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)化改造。脫硝系統(tǒng)均勻性較差的主要形成因素包括：(1)流場設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致流動不均勻[6]；(2)噴氨格柵強(qiáng)度不夠，混合不均勻[7-8]；(3)催化劑磨損[9]、催化效果不均勻；(4)噴氨總量的控制邏輯具有滯后性，以環(huán)保測點(diǎn)參數(shù)為基準(zhǔn)調(diào)整指導(dǎo)參數(shù)的方式導(dǎo)致噴氨調(diào)整落后，尤其是變負(fù)荷的情況下，造成氨逃逸率升高[10]。

本文總結(jié)了流場和噴氨方式的優(yōu)化改造方案，并以某330 MW 的燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)改造為例，利用CFD 軟件對330 MW 燃煤機(jī)組SCR 脫硝系統(tǒng)進(jìn)行模擬，對原煙道進(jìn)行均勻性優(yōu)化，并對噴氨格柵進(jìn)行改造，還利用軟件模擬和實(shí)際熱態(tài)測試對比了脫硝系統(tǒng)改造前后的效果。結(jié)果表明改造后脫硝效能提升，并且降低了噴氨量，氨耗量減少23.8%，減少了氨逃逸，改善了經(jīng)濟(jì)性。

1 示例設(shè)備與模擬

1.1 示例設(shè)備概況

待改造脫硝系統(tǒng)采用高灰型工藝布置，即反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器與空預(yù)器之間，催化劑使用蜂窩式催化劑。每層催化劑增加蒸汽吹灰器6 臺，每臺爐共計(jì)18 臺蒸汽吹灰器，用來清理催化劑表面的積灰，以保持催化劑表面清潔，保證催化劑正常工作。

1.2 模型建立

按照1∶1 的比例建立了全尺度三維模型，因左右兩側(cè)SCR 脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及入口煙氣條件相同，且沿鍋爐中心線呈對稱布置，故僅以單側(cè)反應(yīng)器作為研究對象。利用CFD 軟件對SCR 脫硝系統(tǒng)進(jìn)行流場模擬，模型計(jì)算入口為省煤器出口，模型計(jì)算出口為空預(yù)器入口。采用湍流k-ε雙方程模型計(jì)算煙氣流動，催化劑結(jié)構(gòu)模擬采用多孔介質(zhì)模型，依據(jù)實(shí)際壓降計(jì)算確定多孔介質(zhì)內(nèi)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，并選擇合適的孔隙率。計(jì)算過程進(jìn)行如下簡化：實(shí)際系統(tǒng)漏風(fēng)較小，因此不考慮系統(tǒng)漏風(fēng)；煙氣中的飛灰對本研究影響較小，因此煙氣視為單相氣態(tài)不可壓縮流體、連續(xù)介質(zhì)且為定常流動；流體物性參數(shù)為常數(shù)，省煤器出口煙氣速度分布均勻。截面1 為噴氨格柵上游位置截面，截面2 為煙道模型縱截面，截面3 為第一層催化劑上方500 mm 截面?？紤]導(dǎo)流板、整流格柵和煙道其他部分的尺寸差異較大，因此進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，在兼顧計(jì)算量和網(wǎng)格合理性的情況下，得到模擬SCR脫硝系統(tǒng)模型總網(wǎng)格數(shù)約為457 萬個(gè)。通過計(jì)算不同導(dǎo)流板方案下的流場均勻性，得出了最優(yōu)的導(dǎo)流板布置方案。

如圖1 所示，省煤器出口煙道橫向截面變化較大，煙道經(jīng)過多次90°轉(zhuǎn)折后進(jìn)入到催化劑上游截面，煙道結(jié)構(gòu)性矛盾突出。同時(shí)由于省煤器出口煙道截面突擴(kuò)，而彎頭處導(dǎo)流板并未實(shí)現(xiàn)煙氣流動在突變后截面上的均勻分布，導(dǎo)致豎直煙道橫截面上速度分布出現(xiàn)偏差，進(jìn)入催化劑層的煙氣流速偏差較大(標(biāo)準(zhǔn)偏差為23.3%)，影響催化劑對煙氣中氮氧化物的脫除性能。另外，由于整流格柵上方未設(shè)置導(dǎo)流裝置，首層催化劑上游來流速度的垂直性不好，最大煙氣入射角為17°，不滿足煙氣入射角小于10°的要求。

圖1 SCR 脫硝系統(tǒng)模型

2 優(yōu)化方案總結(jié)

2.1 加裝導(dǎo)流板

加裝導(dǎo)流板是常用的改善流場分布的方法，通過在流通面積或運(yùn)動方向發(fā)生變化處安裝適當(dāng)形狀的導(dǎo)流板，既可以避免在彎曲處的內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)大范圍的渦流區(qū)，也可以減少二次流的產(chǎn)生和影響范圍，并且有助于減少煙氣中顆粒對反應(yīng)器和催化劑的磨損。導(dǎo)流板有直板、弧度板和弧度直板三種。反應(yīng)器上方、頂部斜坡和整流格柵之間的區(qū)域，是整個(gè)流道最后也是最關(guān)鍵的流場控制區(qū)，由于該區(qū)域外輪廓變化很不規(guī)則，又有遠(yuǎn)端的尖銳角存在，流場變動規(guī)律復(fù)雜而敏感，因此造成該區(qū)域的導(dǎo)流板布置、各電廠機(jī)組設(shè)置不同，脫硝效果差別很大。除了對導(dǎo)流板位置進(jìn)行優(yōu)化，近年來還有可移動式的導(dǎo)流板組，包括擺動調(diào)節(jié)式、平移調(diào)節(jié)式[11-12]，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流板角度、位置的調(diào)控。

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)在省煤器出口煙道突擴(kuò)處、煙道轉(zhuǎn)折后、脫硝頂部煙道折向以及突擴(kuò)處加裝導(dǎo)流板，如圖2 和圖3 所示，優(yōu)化后豎直煙道橫截面1 上速度分布偏差減小，速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差由35.7%降低為13.1%，噴嘴處截面速度分布均勻性改善，煙道內(nèi)NOx分布均勻性提高，有利于增強(qiáng)NH3/NOx混合的均勻性。脫硝頂部煙道位置增加導(dǎo)流板后，基本消除了催化劑區(qū)域的低速流體區(qū)，減小了催化劑層入口截面速度偏差。

圖2 加裝導(dǎo)流板位置示意圖

圖3 優(yōu)化改造前后效果

改造后首層催化劑層上游速度分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差速度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)由23.2% 降低為12.5%，滿足催化劑入口截面速度分布均勻性偏差小于15% 的要求。首層催化劑層上游煙氣入射角由17°降為7°，滿足小于10°的要求。另外改造后首層催化劑層上游氨氮比分布偏差為3.37%，滿足小于5%的要求。因此本次改造有效提高了流場均勻性，滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 噴氨裝置改造

噴氨裝置包括噴氨格柵(AIG)和氨煙混合器，主要分為線性控制式AIG、分區(qū)控制式AIG 和混合型AIG。其中，線性式AIG 是一根直通的噴氨母管上有多根支管，支管的流量相同，無法調(diào)節(jié)。分區(qū)控制式AIG 由線性式優(yōu)化而來，煙道橫截面被均勻分為若干區(qū)域，NH3分區(qū)噴入，每個(gè)區(qū)域噴氨量單獨(dú)可調(diào)?；旌鲜紸IG 的噴氨管下流布置了靜態(tài)混合器，噴氨管上噴嘴和混合器的葉片相對布置，致使氨-煙形成穩(wěn)定的渦流或旋流，以加強(qiáng)擾動，實(shí)現(xiàn)氨的均勻分布?；旌掀魅~片有多種形式，包括“Y”型、“X”型等，另外混合器的半徑和安裝角不同時(shí)，均勻性也有所差異。

本次對噴氨裝置實(shí)施以下改造：

(1)噴氨格柵到催化劑之間的煙道長度需滿足一定長度，才能保證有足夠時(shí)間供煙氣擴(kuò)散、稀釋、混合，而現(xiàn)有系統(tǒng)的煙道較短，導(dǎo)致NH3與NOx混合性差。故采用混合式AIG，在噴氨格柵上方1.5 m位置安裝氨- 煙擾流器以改善速度場和濃度場的均勻性。

(2)SCR 系統(tǒng)噴氨方式為渦流噴氨，寬度方向上分區(qū)少，深度方向上沒有分區(qū)，實(shí)際運(yùn)行中無法通過噴氨優(yōu)化調(diào)整來改善前后方向的濃度差異，系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)性能較弱。故將原渦流噴氨改造為噴氨格柵，并進(jìn)行分區(qū)改造，每個(gè)分區(qū)格柵設(shè)置一個(gè)手動調(diào)節(jié)門，以實(shí)現(xiàn)煙道寬度和深度的雙向精細(xì)化調(diào)節(jié)功能。

(3)設(shè)計(jì)防堵型AIG 噴嘴，并對支管管徑、噴嘴數(shù)量、噴射角度等進(jìn)行模擬，確保各支管噴射的速度趨于一致均勻。為增強(qiáng)噴嘴噴射擴(kuò)散效果和防堵灰性能，采用噴嘴Y 形錯(cuò)列布置，并且設(shè)計(jì)偏斜一定角度，有利于氨與煙氣混合均勻。在噴嘴下方設(shè)置擾流板，如圖4 所示。擾流板可以對噴氨支管背風(fēng)側(cè)的積灰進(jìn)行有效自清除，使積灰高度小于噴口高度。煙氣進(jìn)入擾流板后形成的渦流擾動，還可以對噴口邊沿的積灰形成不間斷沖擊，可有效防止噴口上積灰過多至坍塌、橋接等，防止噴氨格柵支管背風(fēng)側(cè)積灰埋沒堵塞噴嘴、上方積灰坍塌堵塞噴嘴、噴嘴邊緣積灰搭橋堵塞噴嘴。

圖4 防堵噴嘴示意圖

(4)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，等徑噴氨母管存在壓降，無法保證各支管壓力一致，導(dǎo)致各支管噴嘴流速不均，速度偏差最大可達(dá)50%。故采取加大集管直徑、縮小噴管直徑的改造方案，形成“靜壓管”，使各噴嘴流速基本一致。

如圖5 所示，改造后截面3 首層催化劑上層500 mm 氨- 氮比均勻性較好，計(jì)算得出催化劑上方截面氨-氮比分布的均勻性偏差為3.37%，滿足首層催化劑上層500 mm 氨-氮濃度分布均勻性≤5%的要求，首層催化劑上游來流速度的垂直性良好，最大煙氣入射角為7°，滿足入射角小于10°的要求。通過本次優(yōu)化改造，可提高SCR 脫硝系統(tǒng)的性能。

圖5 改造前后效果

3 改造后熱態(tài)測試結(jié)果

280 MW 工況下在SCR 反應(yīng)器的進(jìn)口和出口煙道截面，利用網(wǎng)格法進(jìn)行煙氣取樣和流速測量，在測量面的寬度上開設(shè)若干個(gè)測孔，每個(gè)測孔的深度上取若干個(gè)測點(diǎn)，用標(biāo)準(zhǔn)皮托管和微壓計(jì)測量截面上各網(wǎng)格點(diǎn)的動壓。煙氣經(jīng)不銹鋼管引出至煙道外，再經(jīng)過除塵、除濕、冷卻等處理后，最后接入煙氣分析儀分析煙氣中的NOx含量，可獲得煙道截面的NOx濃 度 分布(干 基、標(biāo) 態(tài)、6% O2)。表1 為280 MW工況下改造前和改造后熱態(tài)測試結(jié)果對比。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，280 MW 工況下，改造前每萬度電消耗液氨量為2.817 kg/(萬kW·h)，優(yōu)化改造后為2.438 kg/(萬kW·h)，液氨耗量下降0.379 kg/(萬kW·h)，下降幅度為13.5%。在280 MW 工況下，入口NOx同為235 mg/Nm3的情況下，液氨單耗從2.817 kg/(萬kW·h)下降到2.147 kg/(萬kW·h)，下降23.8%。

表1 改造前后熱態(tài)測試結(jié)果對比

本次示例通過加裝導(dǎo)流板、改造噴氨裝置等方式，有效提高了脫硝入口速度場、入口NOx濃度場、出口NOx濃度場分布的均勻性，速度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CV 值≤15%，入口NOx濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CV 值≤5%，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且改造后降低液氨單耗23.8%，改善了經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

本文以某330 MW 的燃煤機(jī)組噴氨系統(tǒng)綜合優(yōu)化改造為例，總結(jié)了流場和噴氨方式的優(yōu)化改造方案，包括加裝導(dǎo)流板、加裝氨- 煙擾流器、優(yōu)化噴氨格柵，為脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化改造流程提供參考。利用Fluent 軟件為330 MW 燃煤機(jī)組SCR 脫硝系統(tǒng)建立三維模型，對原煙道進(jìn)行均勻性優(yōu)化，并對噴氨格柵進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)速度場和濃度場的分布均勻性增強(qiáng)。并在熱態(tài)280 MW 下進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果表明改造后脫硝入口速度場、入口NOx濃度場、出口NOx濃度場分布的均勻性得到極大改善，均符合技術(shù)指標(biāo)，脫硝性能提升，并且降低了液氨單耗23.8%，極大程度上提升了經(jīng)濟(jì)性。