某電廠脫硝流場優(yōu)化的研究與應用

廖大兵 劉求陽 崔乘亮 徐兵

摘要：SCR脫硝的核心裝置是脫硝催化劑，為完全發(fā)揮催化劑的催化效果，需要保證系統(tǒng)的流場分布非常均勻，將氣體擴散理論和表面化學反應理論應用于煙氣脫硝應過程，建立反應速率模型，改善SCR性能的方法與措施，用均布導流板優(yōu)化入口煙道流場和用放射排列直板導流板結合整流器優(yōu)化反應器流場的方案，確定并驗證機組入口煙道、反應器的流場優(yōu)化方案，消除SCR反應器催化劑入口速度不均的現(xiàn)象，延長催化劑使用壽命，提高脫硝效率。

關鍵詞：脫硝；流場；優(yōu)化

1 前言

對于SCR脫硝反應裝置而言其核心是脫硝催化劑，在催化劑的作用下煙氣中的NOx與NH3快速反應生成N2和H2O。為完全發(fā)揮催化劑的催化效果，需要保證系統(tǒng)的流場分布非常均勻，包括溫度分布、氨氣和氮氧化物的分布、流速分布等，另外為了保證SCR脫硝反應器能夠長期有效地運行，煙道內不能積灰，積灰嚴重會造成堵塞，使設備壓損增大，并且影響后續(xù)設備的使用壽命，還直接影響脫硝效率。

目前，脫硝主要采用選擇性催化還原（SCR）工藝煙氣脫硝系統(tǒng)，SCR反應器布置在省煤器與空預器之間的高含塵區(qū)域，國內較多燃煤電廠脫硝裝置存在堵塞和塌方的現(xiàn)象，某電廠脫硝裝置運行五年后，也發(fā)現(xiàn)催化劑存在局部塌陷的現(xiàn)象，且脫硝出口不同位置的NOx濃度偏差較大，氨逃逸有超過3ppm的現(xiàn)象。通過現(xiàn)場查看催化劑磨損和塌陷導致出現(xiàn)催化劑磨損和塌陷的主要原因是催化劑層速度不均勻系數偏大。因此通過對現(xiàn)有導流板布置情況下，反應器內速度場數值模擬研究，得到速度場分布的規(guī)律，尤其是第一層催化劑上截面速度分布不均勻系數，找到催化劑磨損和塌陷的原因，進行優(yōu)化改進，提高脫硝效率和催化劑壽命。

2 流場試驗及數據

為了解該電廠脫硝流場的實際情況及速度場分布的規(guī)律，對脫硝裝置第一層催化劑上方新增了流場測試點，并在330MW和300MW兩種工況下對脫硝裝置的進出口進行了流場測試，測試結果顯示催化劑上方流場極不均勻，偏差較大。同時，采用網格法對脫硝出口不同位置的NOx進行了測量，發(fā)現(xiàn)NOX相對標準偏差較大，見表1。

流場不均勻，引起NOX相對標準偏差較大，不僅影響脫硝效率，造成液氨的大量浪費，還會使氨逃逸增加，極容易引起空預器的堵塞。因此，需要進行脫硝導流板的優(yōu)化改進。

建立模型與理論研究

利用模型通過流場模擬來確定SCR脫硝反應器內部構件是一種很好的設計方式， 該方式的關鍵在于設計一種能夠真實反映出模擬SCR脫硝系統(tǒng)流場狀況組合系統(tǒng)。脫硝裝置在國內應用較晚，對脫硝流場優(yōu)化研究較少。提高脫硝效率、延長催化劑壽命是目前的研究熱點。結合測試數據，并利用計算流體力學軟件對SCR脫硝系統(tǒng)進行數值模擬仿真，可為脫硝反應器煙道、導流板及噴射系統(tǒng)的設計和改進提供重要依據和設計參數。

3.1 建立模型理論依據

催化劑層速度不均勻系數其定義式為：

xi為每個測點的參數值，x為平均值，偏差值越小，速度分布均勻性就越好。在工程應用中，通常要求催化劑入口截面處速度分布的最大偏差要小于15%。

圖1為數值模擬計算區(qū)域以及坐標系統(tǒng)。數值模擬坐標原點定義在圖1所示位置。為了方便描述導流板所在的位置，第一層催化劑上面位置處的導流板定義為右上角位置。

數值模擬計算區(qū)域選取從省煤器出口要反應器出口，整個數值模擬網格規(guī)模為100萬網格點。

結合設計及工廠經驗，初步擬定導流板優(yōu)化改進方案為：在原有7塊弧形導流板的基礎上，反應器左上角增加直形導流板，反應器右上角導流板之間增加1塊弧-直型導流板，共增加8塊弧-直型導流板。

建立數值模型后，借助試驗軟件，下一步進行建模分析及驗證。

3.2 數值模擬結果及分析

通過計算得到，第一層催化劑入口截面上速度分布標準偏差系數為10%，偏差較小，已經完全滿足優(yōu)化的要求。

4優(yōu)化效果

脫硝導流板優(yōu)化完成，在機組連續(xù)穩(wěn)定運行一個月后，對脫硝裝置的流場和性能進行了測試。試驗時，機組負荷穩(wěn)定，保證鍋爐運行方式不變，在脫硝反應器入口煙道進行煙氣流速場測試。根據測試結果，入口流速場相對標準偏差為10.68%。

同時，對脫硝出口NOx濃度進行了測試，在保證氨逃逸穩(wěn)定且不超標的前提下，發(fā)現(xiàn)出口NOx相對分布均勻，出口NOX相對標準偏差為9.36%，對比優(yōu)化調整前測試數據， 出口NOX相對標準偏差明顯減小。

5結論及建議化

結合某電廠催化劑局部坍塌、脫硝出口濃度不均的問題，結合試驗測試及建模理論分析，得出脫硝流場不均勻，速度偏差較大，并進行了優(yōu)化脫硝導流板的改進措施。實施后，經試驗測量，脫硝流場得到優(yōu)化，反應器入口流速場相對標準偏差為10.68%；對脫硝反應器出口各點NOx濃度進行了測量，發(fā)現(xiàn)脫硝出口NOx濃度變得更加均勻，相對偏差降低到9.36%。通過對脫硝流場的優(yōu)化，徹底滿足反應器速度分布偏差系數CV≤15%的要求，有效延長催化劑使用壽命，提高脫硝效率，減少氨逃逸，節(jié)省噴氨量，有效防止空預器堵塞等問題，對于電廠節(jié)能減排具有良好的作用。

作者簡介：

廖大兵（1981年），男，華潤電力控股有限公司，主任工程師，碩士，工程師。

劉求陽（1972年），男，華潤電力控股有限公司華南大區(qū)，副總經理，碩士，工程師。

崔乘亮（1971年），男，廣州華潤熱電有限公司，副總經理，本科，工程師。

徐兵（1987年），男，廣州華潤熱電有限公司，節(jié)能工程師，本科，初級工程師。