超低排放SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化分析

大氣網(wǎng)訊:摘 要：SCR煙氣脫硝系統(tǒng)超低排放改造后出現(xiàn)了NH3/NOx分布均勻性及噴氨優(yōu)化調(diào)整要求提高的現(xiàn)象。對此，在流場優(yōu)化的基礎(chǔ)上提出了基于氨氮比修正因子的SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整方法，采用CFD數(shù)值計算對比分析了某300ＭＷ機組優(yōu)化導(dǎo)流裝置前后考核截面速度分布、壓差變化以及噴氨優(yōu)化調(diào)整前后的氨氮比分布，最后將計算結(jié)果與工業(yè)性試驗進行了比較。結(jié)果表明：通過對導(dǎo)流裝置的優(yōu)化，SCR反應(yīng)器的流場得到較大改善，可滿足超低排放后SCR系統(tǒng)對流場的要求。基于氨氮比修正因子的SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整方法解決了僅依靠經(jīng)驗調(diào)整反應(yīng)器出口NOx濃度場耗時長、效率低、難度大的缺點，優(yōu)化后的SCR脫硝系統(tǒng)運行指標(biāo)良好，實現(xiàn)了穩(wěn)定的超低排放運行。

關(guān)鍵詞： SCR脫硝；數(shù)值模擬；噴氨優(yōu)化；ＮＯx濃度場

０ 前 言

隨著國家《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》的實施，目前全國已完成超低排放改造的煤電機組近１億千瓦，“十三五”期間，預(yù)計全國還將有4.2億千瓦燃煤電廠實施超低排放改造。基于實測等研究手段表明“超低排放”可顯著提升發(fā)電企業(yè)的污染物控制水平，但超低排放改造后的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)突出顯現(xiàn)了ＮＯx瞬時排放超限、空氣預(yù)熱器硫酸氫銨堵塞加重等問題。

西安熱工研究院王樂樂針對超低排放形勢下SCR系統(tǒng)運行存在的問題，分析其主要與超低排放對SCR反應(yīng)器中NH3／NOx分布的均勻性要求提高、SO2／SO3轉(zhuǎn)化率升高、噴氨優(yōu)化控制要求提高等有關(guān)。對此，提出了通過噴氨優(yōu)化調(diào)整和流場優(yōu)化改造改善NH3／NOx分布均勻性的建議。東南大學(xué)周英貴以300ＭＷ四角切圓燃煤鍋爐SCR系統(tǒng)為原型，基于更符合SCR工程實際的非均勻入口邊界條件，根據(jù)不同分區(qū)截面上的NO通量以及脫硝效率要求計算對應(yīng)噴氨管的噴氨量，使催化劑上方截面氨氮比相對標(biāo)準偏差降低到4.72％。孫虹定義了煙道子區(qū)域的NOx濃度通量，基于各子區(qū)域氨氮濃度通量比一致分配理論利用數(shù)值模擬多次試算獲得最優(yōu)噴氨策略，尾部測定平面NOx濃度相對標(biāo)準偏差降低到2.05％。筆者實地進行了吉林、河北、山東等地３臺200ＭＷ、２臺300ＭＷ、１臺670ＭＷ煤電機組SCR脫硝系統(tǒng)的噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗工作，統(tǒng)計結(jié)果顯示噴氨前垂直煙道橫截面上煙氣的流速相對標(biāo)準偏差平均為24.92％，脫硝出口NOx濃度相對標(biāo)準偏差平均為45.32％，與工程標(biāo)準要求相差較大。本文結(jié)合流場優(yōu)化調(diào)整并提出基于氨氮比修正因子的SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整方法，為燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整工作提供了新思路，并將計算結(jié)果進行了工程實際應(yīng)用，SCR脫硝系統(tǒng)運行效果良好。

１ 計算模型與方法

以某300ＭＷ亞臨界供熱機組省煤器出口至空氣預(yù)熱器入口之間的煙道及SCR脫硝反應(yīng)器原型為幾何研究對象，模型見圖１。

對煙道轉(zhuǎn)彎部分、噴氨格柵區(qū)域、催化劑層、各段煙道的網(wǎng)格進行分別劃分，各交界面用Inter-face連接，煙道轉(zhuǎn)彎部分及噴氨格柵區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。隨網(wǎng)格數(shù)量增加速度分布的誤差不超過２％時得到獨立性網(wǎng)格，此時網(wǎng)格總數(shù)為426萬～721萬，同時滿足ＪB/T12131—2015《燃煤煙氣凈化SCR脫硝流場模擬試驗技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的計算網(wǎng)格數(shù)宜大于300萬的要求，網(wǎng)格模型扭曲度小于0.8。

模型內(nèi)多組分流動假設(shè)為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動。選用Realizable ｋ－ε模型計算湍流流動，氨氣與煙氣中多種物質(zhì)的混合與傳熱情況，分別采用組分Species Transport模型與能量方程來模擬。將催化劑層簡化為多孔介質(zhì)模型，并利用實際催化劑層的壓力損失計算其黏性和慣性阻力系數(shù)。

模擬選用的流體為640Ｋ的高溫?zé)煔?，密度?.525kg/m３，黏度為6.04×10－５kg/（m.s），入口實際煙氣量為156.6136ｍ3/s；噴氨混合氣體中NH3含量為５％，噴氨溫度313Ｋ，各組分質(zhì)量分數(shù)見表１；混合煙氣在催化劑層內(nèi)的流動設(shè)定為層流流動，催化劑各項參數(shù)見表２。

２計算結(jié)果及分析

２.１導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在流動區(qū)域內(nèi)煙氣流速梯度較大位置分別加裝了５組導(dǎo)流板，其中包括了煙道轉(zhuǎn)彎（導(dǎo)流板組１、３、４）、SCR反應(yīng)器入口的非對稱漸擴（導(dǎo)流板組２）、反應(yīng)器上部轉(zhuǎn)彎處截面突變（導(dǎo)流板組５）。對比了初始方案與優(yōu)化后方案的氣流速度優(yōu)劣和全壓損失，速度優(yōu)劣的考核截面分別位于噴氨格柵上游0.5ｍ及催化劑入口前0.5ｍ2個位置，以氣流速度相對標(biāo)準偏差判定氣流速度分布的優(yōu)劣。

初始方案中僅在煙道轉(zhuǎn)彎３、４位置布置了２組均勻分布的導(dǎo)流板，計算結(jié)果見圖２。

由于煙氣流動的離心力和慣性作用，使水平段煙道、上升段煙道存在明顯的局部渦流和截面二次流現(xiàn)象，噴氨格柵上游及催化劑入口前0.5ｍ處截面速度相對標(biāo)準偏差分別為37.917％、28.466％，系統(tǒng)全壓損失739.358Ｐａ。在３、42個位置布置的導(dǎo)流板以等差間距的方式分割煙道，其具體結(jié)構(gòu)見圖３，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表３。２處位置的導(dǎo)流板由煙道外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸加密：一方面在煙道內(nèi)側(cè)高流速區(qū)域進行更細密的通道劃分，實現(xiàn)各導(dǎo)流板通道內(nèi)氣流的均勻分配；另一方面增加了高速區(qū)域內(nèi)的局部阻力損失，促使煙氣向外側(cè)低流速區(qū)域分配。

位置１處的導(dǎo)流板構(gòu)成選用圓弧與直段相切的方式，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：導(dǎo)流板數(shù)目：６塊，等差間距布置，導(dǎo)流板與水平方向夾角14°。位置２采用豎向?qū)Я靼?，?dǎo)流板數(shù)目：16塊，鍋爐中心線側(cè)第一塊導(dǎo)流板與ｚ軸夾角85°，其余導(dǎo)流板依次向外側(cè)遞減３°。優(yōu)化后（見圖４）與優(yōu)化前（見圖２）對比可以看出，位置１未設(shè)置導(dǎo)流板時，水平煙道內(nèi)的氣流發(fā)生嚴重偏斜，高速氣流貼附于煙道下壁面流動，上壁面煙氣不能再繼續(xù)沿壁面流動，上壁面附近出現(xiàn)大范圍的回流區(qū)，水平煙道出現(xiàn)二次流動。通過導(dǎo)流板組１、２的裝設(shè)，煙道內(nèi)氣流的死區(qū)旋渦現(xiàn)象得到改善，水平煙道及上升煙道內(nèi)的高速氣流基本集中在煙道的中心位置，噴氨格柵上游0.5ｍ處截面速度相對標(biāo)準偏差降低到8.678％，系統(tǒng)全壓損失744.593Ｐａ。

在添加前４組導(dǎo)流板過后，催化劑入口前0.5ｍ處截面速度相對標(biāo)準偏差降低到17.457％，位置５應(yīng)用整流格柵形式，葉片高度500ｍｍ，葉片數(shù)：24塊，葉片與上部煙道距離500ｍｍ。優(yōu)化前后的催化劑入口前0.5ｍ處截面速度分布見圖５，速度相對標(biāo)準偏差降低到8.061％，至此兩個考核截面的速度分布完全符合（≤15％）技術(shù)要求。

２.２基于氨氮比修正因子的噴氨優(yōu)化調(diào)整

該300ＭＷ機組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)超低排放改造后，利用筆者提出的基于氨氮比修正因子的噴氨優(yōu)化調(diào)整方法對其進行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗?；诎钡刃拚蜃拥膰姲眱?yōu)化調(diào)整方法：對噴氨量進行分區(qū)調(diào)節(jié)，每個噴氨支管對應(yīng)一個蝶閥對噴氨量進行定量調(diào)節(jié)，噴氨支管共計18個（見圖６）。催化劑上方截面均分為18個小截面和18個噴氨子區(qū)域相對應(yīng)。計算步驟如下：第一次計算時取均勻噴氨方案，噴氨口平均流速為15.867m/s，并賦給每個噴氨口作為初始邊界條件。利用數(shù)值模擬計算結(jié)果得到18個小截面分別與催化劑上方整個截面的平均氨氮比相對偏差，用相對偏差對18組噴氨量進行調(diào)節(jié)，其他邊界條件不變，重新進行模擬計算。再次計算得到小截面與催化劑上方整個截面的平均氨濃度的相對偏差，如此迭代計算，直到催化劑上方截面的氨氮比偏差系數(shù)小于５％為止，調(diào)節(jié)具體步驟見圖７。

在流場優(yōu)化的基礎(chǔ)上進行噴氨優(yōu)化調(diào)整，計算結(jié)果見表４。表４ 噴氨優(yōu)化調(diào)整前后氨氮比采用均勻噴氨方式時催化劑入口前0.5ｍ位置氨氮比相對標(biāo)準偏差為5.124％，呈現(xiàn)出截面四周以及靠近鍋爐側(cè)氨氮比偏高的現(xiàn)象，其主要原因是這些位置的流速偏低，造成氨摻混時間短，同時這些位置的氮氧化物的通量也較小。利用基于氨氮比修正因子的噴氨優(yōu)化調(diào)整方法，對噴氨口的流速進行一次修正（見圖８），考核截面氨氮比相對標(biāo)準偏差為3.392％，符合（≤５％）技術(shù)要求。

３ SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化的工程應(yīng)用

為了驗證數(shù)值計算的準確性和導(dǎo)流板設(shè)置及噴氨方法的合理性，利用本研究優(yōu)化結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板應(yīng)用于某300ＭＷ機組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，分別使用嶗應(yīng)3012Ｈ型自動煙塵（氣）測試儀、智能煙氣分析儀MRU PLUS、優(yōu)勝抽取式氨逃逸分析儀現(xiàn)場測量脫硝系統(tǒng)進口煙道的流場分布、出口煙道的NOx濃度場分布、脫硝效率以及氨逃逸率，將優(yōu)化后的計算結(jié)果與現(xiàn)場測試的結(jié)果進行對比分析。

在氣流速度試驗中，依據(jù)ＧＢ／Ｔ16157—1996《固定源排氣中顆粒和氣態(tài)污染物的采樣方法》中的規(guī)定布置測點，對進口煙道測點位置的氣流速度進行了現(xiàn)場測量，結(jié)果見圖９。

由圖９可以看出：數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果基本一致。根據(jù)現(xiàn)場的測試結(jié)果各截面的相對標(biāo)準偏差，與數(shù)值計算的結(jié)果對比，結(jié)果見表４。速度的平均誤差小于５％，在可接受的工程誤差范圍內(nèi)。

４ 結(jié) 語

本研究為大型燃煤發(fā)電企業(yè)復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計了多組導(dǎo)流裝置，滿足了其在超低排放改造之后流場及NH3／NOx分布均勻性的要求，數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果吻合較好，優(yōu)化后反應(yīng)器入口煙道Ａ、Ｂ側(cè)速度相對標(biāo)準偏差分別為11.6％、12.9％。利用基于氨氮比修正因子的噴氨優(yōu)化調(diào)整方法對ＡＩＧ系統(tǒng)進行調(diào)整，大幅度降低SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整工作的盲目性及數(shù)值計算的工作量，優(yōu)化后反應(yīng)器出口煙道Ａ、Ｂ側(cè)NOx相對標(biāo)準偏差分別為13.32％、12.56％，反應(yīng)器在較低的液氨消耗下實現(xiàn)了穩(wěn)定的超低排放。

原標(biāo)題:【技術(shù)匯】超低排放SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化分析