360 MW機組SCR脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化模擬

梁秀進(jìn)，朱躍，魏宏鴿

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

360 MW機組SCR脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化模擬

梁秀進(jìn)，朱躍，魏宏鴿

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

針對某360 MW機組選擇性催化還原法(SCR)脫硝反應(yīng)器，利用現(xiàn)場實測運行數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了噴氨優(yōu)化和流場優(yōu)化的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，入口流場的不均勻性，在反應(yīng)區(qū)NOx分布和速度場有明顯的體現(xiàn)。通過劃分控制區(qū)域，按照各區(qū)域內(nèi)氨氮比均衡的原則，不斷優(yōu)化噴氨格柵各噴管噴氨量，可以將各控制區(qū)的氨氮比標(biāo)準(zhǔn)偏差從10.0%左右降低到1.5%以下。通過改變噴氨格柵后導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，第1層催化劑入口速度場得到明顯改善。對流場優(yōu)化后重新進(jìn)行了噴氨優(yōu)化，結(jié)果顯示:噴氨格柵后的流場優(yōu)化對氨氮比均勻性影響不大。反應(yīng)器入口處的煙氣流場與噴氨模式共同決定了后續(xù)氨氮比的均勻性，噴氨格柵后的流場優(yōu)化可以更多地改變分布的相對位置。

選擇性催化還原法(SCR)；脫硝；噴氨優(yōu)化；流場優(yōu)化；計算流體力學(xué)(CFD)

0 引言

選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)在實際工程上應(yīng)用時，由于反應(yīng)器空間大，存在著流場不均勻、還原劑與煙氣混合差等問題，脫硝效率要低于實驗室條件下的效率。隨著環(huán)保排放要求越來越高，當(dāng)運行要求脫硝效率在90% 以上時，因需要較大的氨氮比，容易造成逃逸氨超標(biāo)、碳酸氫銨堵塞空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)和催化劑壽命短等一系列問題。所以，對在運脫硝裝置進(jìn)行優(yōu)化，成為當(dāng)前的一個新課題。目前實際工程上的噴氨優(yōu)化[1-2]通常是測量獲得反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度和氨逃逸率，根據(jù)經(jīng)驗反復(fù)調(diào)節(jié)各噴氨支管的手動氨閥開度來實現(xiàn)的，存在試驗工作量大，難以整體把握的問題。

在SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計階段，計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬已成為重要的工具，用于進(jìn)行導(dǎo)流板[3-4]、整流器[5-6]、混合器[7-8]的設(shè)計以及噴氨格柵形式[9]布置等的設(shè)計，以優(yōu)化其流場和噴氨，但其普遍存在著反應(yīng)器入口條件未知的問題，一般作均一性假設(shè)來解決。也有部分研究人員進(jìn)行了非均勻入口條件的模擬，如周英貴[10]對入口非均勻入口條件的SCR氨噴射做過模擬研究，但其非均勻性入口條件來自于鍋爐燃燒模擬；王樂樂等[11]采用過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)做過數(shù)值模擬，以優(yōu)化改造噴氨格柵形式；孫虹等[12]利用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了噴氨優(yōu)化，按照氨氮一致分配理論，得到了良好的效果。鍋爐燃燒組織是復(fù)雜的，這就會使得模擬條件和實際條件有一定的偏差，對于在運行的脫硝系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，利用CFD模擬進(jìn)行二次優(yōu)化，消除原始設(shè)計條件造成的偏差，將成為脫硝優(yōu)化的新方向。本文利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，利用CFD進(jìn)行了某360 MW機組在運脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化和流場優(yōu)化的數(shù)值模擬。

1 模擬對象與方法

1.1 模擬對象

模擬對象為某電廠360 MW機組，其SCR入口煙道尺寸為2 400 mm×11 610 mm，反應(yīng)器規(guī)格為8 980 mm×11 610 mm，3層催化劑，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，入口NOx質(zhì)量濃度600 mg/m3時，設(shè)計脫硝效率91.7%。噴氨格柵分前后兩排，每排12組，每組2根噴管，分別負(fù)責(zé)上半部煙道和下半部煙道噴氨，前后排錯列布置，共計48根噴管；噴氨管入口在煙道上面，迎風(fēng)面設(shè)有防磨板；負(fù)責(zé)上半部煙道的噴管有8對噴嘴，負(fù)責(zé)下半部煙道噴氨的有9對噴嘴，共計408對噴嘴，靠近上下煙道璧的噴嘴距煙道160 mm，噴嘴之間間距130 mm；噴管規(guī)格為?76 mm×5.0 mm，噴嘴規(guī)格為?27 mm×3.5 mm，每對噴嘴出口與煙氣走向左右分別呈45°角。噴氨控制方式是負(fù)責(zé)上半部煙道和下部煙道的噴管分開控制，1個控制閥控制3根噴管，共計16個控制閥。

入口數(shù)據(jù)采用實際測量結(jié)果，試驗時采用網(wǎng)格法測量反應(yīng)器入口流場，寬度方向分9段，高度方向分5段，共計45個測點。

1.2 模擬方法

模擬采用FLUENT17軟件，氣體流動采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，反應(yīng)器中煙氣、稀釋空氣和氨氣混合采用組分輸運模型，入口界面采用速度入口，反應(yīng)器出口采用壓力出口。除NOx外，煙氣其他成分根據(jù)物性創(chuàng)建為獨立統(tǒng)一的流體，還原氣體為稀釋空氣和氨氣按一定比例的混合氣。催化劑層采用多孔介質(zhì)模型，以簡化結(jié)構(gòu)并體現(xiàn)其增加阻力的作用。

表1 煙氣流速標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

表2 NOx質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

表3 煙氣溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

表4 均勻噴氨時各監(jiān)視面NH3/NOx標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

圖1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及噴氨管形式

反應(yīng)器及噴氨格柵結(jié)構(gòu)按實際情況繪制，網(wǎng)格數(shù)約1 000萬，通過網(wǎng)格質(zhì)量檢驗。模擬時將試驗測量面作為反應(yīng)器入口，按照網(wǎng)格法測點位置將入口界面分割成與之網(wǎng)格法測點對應(yīng)的45個子輸入面，分別輸入實測流速、NOx質(zhì)量濃度和煙氣溫度數(shù)據(jù)。各噴氨管上的噴嘴組有獨立的輸入界面，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)其噴氨量。根據(jù)其控制方式，對應(yīng)16個控制閥，在第1層催化劑入口設(shè)16個監(jiān)視界面,分別命名為1-s，1-x，2-s，2-x，3-s，3-x，4-s，4-x，5-s，5-x，6-s，6-x，7-s，7-x，8-s，8-x，數(shù)字1～8為Z方向從負(fù)到正依次排列，s為上半部煙道噴氨管對應(yīng)位置，x為下半部煙道噴氨管對應(yīng)位置。

1.3 評價方法

對流速、濃度、氨氮比等各項指標(biāo)均采用標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)進(jìn)行評價，標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv的計算公式為

2 結(jié)果與討論

2.1 均勻噴氨

將實測數(shù)據(jù)輸入口界面模擬后，得出第1層催化劑入口平均流速為3.32 m/s，最大流速為4.47 m/s，最小流速為2.61 m/s；平均NOx質(zhì)量濃度為561.32 mg/m3，最大NOx質(zhì)量濃度為610.34 mg/m3，最小NOx質(zhì)量濃度為518.75 mg/m3；平均煙溫為617.49 K，最高煙溫為628.91 K，最低煙溫為559.18 K。根據(jù)第1層催化劑入口16個監(jiān)視界面的流速、NOx質(zhì)量濃度和煙氣溫度的平均值，計算出了它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差，見表1～表4?？梢钥闯?，NOx質(zhì)量濃度、煙氣流速、煙氣溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差依次減小，煙氣溫度的偏差只有0.70%左右。按照整體氨氮比0.917，各噴嘴均勻噴氨，得出了各監(jiān)視界面NH3/NOx的標(biāo)準(zhǔn)偏差，各界面基本在10.0%左右。每個區(qū)域內(nèi)NOx的絕對含量取決于煙氣量和NOx質(zhì)量濃度，所以氨氮比的偏差高于煙氣流速和NOx質(zhì)量濃度的偏差。

表6 流場優(yōu)化后各監(jiān)視面煙氣流速標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

2.2 噴氨優(yōu)化

噴氨優(yōu)化的方法與現(xiàn)場工程調(diào)節(jié)方法類似，孫克勤等[13]和吳學(xué)智等[14]也提出過的主動不均勻噴氨法。保持系統(tǒng)整體氨氮比0.917不變，根據(jù)各監(jiān)視區(qū)域氨氮比，多次調(diào)節(jié)各噴管噴氨量，直至氨氮比均勻度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。均勻噴氨和噴氨優(yōu)化后第1層催化劑入口氨氮比分布圖如圖2所示，由圖2可以看出，均勻噴入時存在一個氨氮比偏高的區(qū)域，實際測量時在對應(yīng)反應(yīng)器出口對應(yīng)位置也有一個NOx低濃度區(qū)，合理性得到了驗證。通過優(yōu)化，氨氮比逐步趨于均勻，說明分區(qū)控制噴氨量的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)有效。

圖2 第1層催化劑入口氨氮比分布

為更直觀地顯示調(diào)節(jié)效果，表5給出了噴氨優(yōu)化后各控制界面氨氮比標(biāo)準(zhǔn)偏差。從表5中可以看出，經(jīng)過調(diào)整，各區(qū)域氨氮比標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于1.5%，與均勻噴氨時的10.0%左右相比有了極大的改善。結(jié)合圖2，煙道中間位置氨氮比明顯高于靠近上下煙道位置，靠近兩側(cè)有兩個明顯的氨氮比偏高的中心，這是因為高度方向上只受控于兩組噴管，這在實際運行時使調(diào)節(jié)幅度有限。王樂樂等[11]論證過這個問題，在該反應(yīng)器上，要改善上下方向上的不均勻程度，需在上下方向上設(shè)置更多的控制分段。各分區(qū)噴氨量與其NOx絕對含量并不完全呈比例對應(yīng)關(guān)系，可知煙氣流速的不均勻除了影響煙氣量外，還會影響噴嘴出流的軌跡，其不均勻程度對系統(tǒng)影響較大，容易形成局部還原劑過量或不足。

2.3 流場優(yōu)化

圖3給出了反應(yīng)器中心垂直界面和第1層催化劑入口上煙氣流速分布，可以看出入口煙道下部有向上流的趨勢，造成對應(yīng)第1層催化劑入口對應(yīng)位置流量偏小。

圖3 初始反應(yīng)器煙氣速度場

為改善該情況，并本著改造從簡的原則，將原有噴氨格柵后煙道內(nèi)兩塊向上導(dǎo)流煙氣的導(dǎo)流板改為上部煙道向下導(dǎo)流。模擬結(jié)果如圖4所示，從圖4上可以看出，除最外緣和兩側(cè)外，煙氣流速均勻度有了明顯的改善。流場優(yōu)化后各監(jiān)視界面的煙氣流速標(biāo)準(zhǔn)偏差具體見表6，與表1相比，降低了3～4百分點。

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后煙氣速度場

在流場優(yōu)化后的基礎(chǔ)上，按原來的方法重新進(jìn)行了噴氨優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，與未作流場優(yōu)化相比，有一定的改善。但是，原有的氨氮比偏差大的局部并沒有消除，只是位置略有變化。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第1層催化劑入口氨氮比分布

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，噴氨格柵后進(jìn)行導(dǎo)流板改造來優(yōu)化流場，可以有效降低后續(xù)煙氣流速的不均勻程度，但是對前面的流場和噴氨優(yōu)化作用不明顯。所以，采用改變鍋爐燃燒組織方式、在反應(yīng)器噴氨格柵前設(shè)置導(dǎo)流板等手段，才能更好地優(yōu)化噴氨格柵處的流場，進(jìn)而取得均勻程度更高的氨氮比分布。

3 結(jié)論

在運SCR脫硝反應(yīng)器的噴氨優(yōu)化存在著入口條件不均勻、結(jié)構(gòu)形式和控制方式不可調(diào)等約束條件，通過對其進(jìn)行模擬，得出了如下結(jié)論：(1)入口條件的不均勻，將會在反應(yīng)區(qū)得到體現(xiàn)；(2)通過劃分控制分區(qū)，優(yōu)化噴氨格柵各噴管流量，能將分區(qū)之間氨氮比的標(biāo)準(zhǔn)偏差從10.0%左右降到1.5%以下；(3)煙氣流速的不均勻除影響煙氣量外，還會影響噴氨格柵噴嘴的出流軌跡，易于造成局部氨氮比偏高或偏低；(4)噴氨格柵后的流場優(yōu)化對流場作用明顯，但對改善氨氮比分布影響有限。

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(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-02-28；

2017-04-14

X 51

A

1674-1951(2017)05-0070-04

梁秀進(jìn)(1979—)，男，山東臨沂人，高級工程師，工學(xué)博士，從事電站鍋爐節(jié)能及污染物排放控制工作(E-mail:liangxiujin@126.com)。