火力發(fā)電廠SCR脫硝尿素?zé)峤庀到y(tǒng)結(jié)晶綜合治理研究

王朝軍

(大唐洛陽(yáng)熱電有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

1 設(shè)備情況簡(jiǎn)介

大唐洛陽(yáng)熱電有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱洛熱公司)#6鍋爐為DG1060-18.2-Π4型鍋爐，脫硝系統(tǒng)采用尿素?zé)峤猱a(chǎn)生氨氣制備還原劑、選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝工藝，熱解爐參數(shù)見表1。熱解爐配套的尿素計(jì)量與分配裝置(MDM)根據(jù)鍋爐不同負(fù)荷的要求，自動(dòng)控制并分配給霧化噴槍，然后噴入熱解爐，同時(shí)稀釋空氣經(jīng)電加熱器加熱后進(jìn)入熱解爐(參數(shù)見表2)，由控制系統(tǒng)控制熱解室達(dá)到還原所要求的溫度。霧化后的尿素液滴在熱解爐內(nèi)分解，生成NH3，H2O和CO2，分解后的氨由稀釋空氣稀釋到低于5%氨濃度的混合氣體送到氨噴射系統(tǒng)(AIG)再進(jìn)入煙道系統(tǒng)。熱解爐系統(tǒng)包括熱解爐本體電加熱系統(tǒng)等[1-3]。

表1 立式熱解爐參數(shù)

表2 ECH24/32-900熱解爐參數(shù)

2 改造前存在問(wèn)題及分析

洛熱公司#6機(jī)組脫硝系統(tǒng)自2014年投運(yùn)后，頻繁出現(xiàn)熱解爐結(jié)晶脫落堵塞出口通道的情況，特別是負(fù)荷大于250 MW時(shí)，堵塞情況加劇，存在掉落結(jié)晶體而堵塞熱解爐出口的風(fēng)險(xiǎn)，影響熱解爐出力，造成機(jī)組被迫減負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)因脫硝系統(tǒng)被迫退出造成機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事件。

改造前采取的措施：首先，在分散控制系統(tǒng)(DCS)畫面上增加熱解爐內(nèi)部與出口壓差監(jiān)視點(diǎn)，方便運(yùn)行人員監(jiān)控，有助于提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)采取調(diào)整熱解爐通風(fēng)流量、控制機(jī)組負(fù)荷、改善煤質(zhì)減少SCR入口氮氧化物、適當(dāng)減少噴氨量、優(yōu)化噴槍運(yùn)行方式、改變制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式等應(yīng)對(duì)措施，保持熱解爐內(nèi)持續(xù)維持高溫運(yùn)行，阻止運(yùn)行工況進(jìn)一步惡化。其次，將熱解爐尿素噴槍壓縮空氣壓力由0.60 MPa提高到0.65 MPa，優(yōu)化噴槍霧化效果，堅(jiān)持定期對(duì)熱解爐尿素噴槍進(jìn)行水沖洗和清理噴頭。再者，對(duì)熱解爐保溫進(jìn)行全面排查，修補(bǔ)表面溫度超標(biāo)的部位，減少熱解爐對(duì)外散熱。為徹底解決這一問(wèn)題，洛熱公司與大唐科學(xué)技術(shù)研究院華中分院合作(以下簡(jiǎn)稱華中院)，進(jìn)行了內(nèi)部模擬流暢試驗(yàn)。

按照實(shí)際尺寸1∶1建模進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)原始工況下熱解爐內(nèi)3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)運(yùn)行溫度最大存在50 ℃左右的溫差，一次風(fēng)在熱解爐內(nèi)左右兩側(cè)偏差很大，最高速度26 m/s，最低速度2 m/s，速度分布非常不均勻，在熱解爐內(nèi)低速區(qū)形成兩個(gè)巨大漩渦如圖1所示，而噴槍恰好處在漩渦中心位置，流場(chǎng)非常紊亂，這是熱解爐噴槍堵塞的主要原因。

3 改造方案

3.1 改造方案選型

基于熱解爐速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值仿真結(jié)果，洛熱公司與華中院鍋爐室密切配合進(jìn)行20余組以上優(yōu)化工況設(shè)計(jì)和計(jì)算，并形成2～3組不同思路的最優(yōu)化改造方案，最終就改造工程量、施工難易程度、經(jīng)濟(jì)效益比、流場(chǎng)阻力增加量等綜合對(duì)比分析見表3，選出了最佳改造方案如下。

圖1 原始工況熱解爐CFD仿真模型及速度流線

表3 不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)出口壓降及速度定量比較

優(yōu)化方案改變?cè)瓉?lái)的均布板孔徑及排布，但是不改變?cè)紵峤鉅t的高度，如圖2所示。先將?520mm的管道擴(kuò)為?800 mm的管道，在?800 mm的管道段安裝一層旋流裝置，再將?800 mm的管道擴(kuò)為?1 940 mm的管道，均布板仍維持原始高度，孔徑差異化排布。該方案優(yōu)于其他方案之處為結(jié)果簡(jiǎn)潔，施工量小，重量在所有方案中最輕。

圖2 改造段結(jié)構(gòu)圖及速度流速場(chǎng)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，優(yōu)化方案后的熱解爐內(nèi)流場(chǎng)比較均勻，噴槍截面沒有渦流存在。溫度場(chǎng)分布均勻，偏差在±3 ℃以內(nèi)。

3.2 磨損量計(jì)算

磨損量常用管壁最大磨損厚度Emax來(lái)表示，可由下列經(jīng)驗(yàn)公式估算，即

(1)

式中：α為煙氣中飛灰的磨蝕系數(shù)，取α=14×10-9；M為管材的抗磨系數(shù)，合金鋼M=0.7 mm·s3/(g·h)；kμ為飛灰濃度場(chǎng)的不均勻系數(shù)，kμ=1.2；kv為飛灰濃度場(chǎng)的不均勻系數(shù)，kv=1.25；η為灰粒碰撞的頻率因子，η=1(按最大可能撞上考慮)；μ為在計(jì)算截面處飛灰濃度，g/m3；vp為計(jì)算截面處流體速度，m/s；Ct為溫度變化對(duì)管材磨損的影響系數(shù)，取Ct=1(按溫度最大影響考慮)；R90為在90 μm篩子上的飛灰剩余量，%；τ為機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)，h；kD為在銘牌負(fù)荷下的流體計(jì)算速度與平均運(yùn)行負(fù)荷下流體速度的比值，kD=1.15。

ρ1v1A1=ρ2v2A2，

(2)

式中：ρ1為設(shè)計(jì)條件下流體密度，kg/m3；v1為設(shè)計(jì)條件下的流體速度，m/s；A1為熱解爐入口處管道面積，m2；ρ2為熱解爐旋流片處的流體密度，kg/m3；v2為熱解爐旋流片處的流體速度，m/s；A2為熱解爐旋流片處面積，m2。

熱解爐入口處管道直徑為520 mm，流體速度為24 m/s。按照本次推薦的最佳方案，熱解爐旋流片處的直徑為800 mm，根據(jù)式(2)可知熱解爐旋流片處的速度v2為14.3 m/s，在計(jì)算旋流片處磨損量時(shí)可按vp=v2，熱解爐入口熱一次風(fēng)來(lái)自空氣預(yù)熱器出口，因此式(1)中所需參數(shù)均按空氣預(yù)熱器入口煙氣條件考慮，μ=30 g/m3，R90=0.14，機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)按照5 000 h計(jì)，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算出管壁最大磨損厚度Emax=0.125 mm/a。旋流葉片采用10 mm厚304L不銹鋼，按減薄50%為限，可滿足40年使用壽命要求[4-5]。

4 改造實(shí)施及試驗(yàn)

4.1 工程實(shí)施情況

如圖3所示，熱解爐改造段方案設(shè)計(jì)、制造、安裝指導(dǎo)以及熱態(tài)調(diào)試由華中院負(fù)責(zé)。方案前期準(zhǔn)備工作及設(shè)計(jì)周期45 d。設(shè)備計(jì)劃制造周期30 d，實(shí)際制造周期25 d。設(shè)備到廠后進(jìn)行焊縫著色檢查。改造段組件安裝周期17 d。本次改造段組件由于工程量較小，實(shí)際改造工期14 d[6]。

圖3 改造段整體結(jié)構(gòu)

4.2 改造后試驗(yàn)測(cè)試情況

改造前后參數(shù)對(duì)比見表4。經(jīng)過(guò)測(cè)試，熱解爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性良好，穩(wěn)定負(fù)荷下溫度偏差±2.0 ℃。熱解爐內(nèi)速度場(chǎng)均勻性良好，流速偏差在±15%以內(nèi)，矢量方向全部正常，不存在渦流區(qū)。熱解爐系統(tǒng)阻力降低約2.15 kPa，稀釋風(fēng)機(jī)可解列運(yùn)行，且熱解次風(fēng)量降低，提高了熱解爐入口風(fēng)溫，使電加熱器功率減少20%。改造后機(jī)組連續(xù)運(yùn)行30個(gè)工作日后，對(duì)尿素噴槍進(jìn)行解體檢查，噴槍噴頭處十分潔凈，未發(fā)現(xiàn)結(jié)晶情況，改造效果得到充分驗(yàn)證。

表4 改造前后參數(shù)對(duì)比

5 經(jīng)濟(jì)性分析

按照每年發(fā)生8次迫降負(fù)荷，每次降50 MW負(fù)荷，時(shí)間4 h計(jì)算，年損失電量1 600 MW·h，按照上網(wǎng)電價(jià)0.38元/(kW·h)計(jì)算，損失人民幣60.8萬(wàn)元。

若因熱解爐完全堵塞，被迫啟停1次，損失電量2 400 MW·h，損失人民幣91.2萬(wàn)元；使用微油點(diǎn)火，4支油槍投運(yùn)，每支出力0.25 t/h，投油2 h計(jì)算，耗油費(fèi)用1.2萬(wàn)元。改造后由于停運(yùn)稀釋風(fēng)機(jī)和電加熱器功率降低節(jié)約廠用電量，節(jié)約成本約25.0萬(wàn)元。 合計(jì)每年共減少損失約178.0萬(wàn)元。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)熱解爐原始結(jié)構(gòu)及工況條件進(jìn)行模擬計(jì)算，并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工及成本因素，最終提出設(shè)計(jì)改造方案。

通過(guò)加裝旋流裝置和改變?cè)瓉?lái)的均布板孔徑及排布，但是不改變?cè)紵峤鉅t的高度，整體改善熱解爐內(nèi)部速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻性。改造后熱解爐入口溫度偏差由改造前的50 ℃降低為2 ℃。

從改造后效果看，熱解爐內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)均勻性佳，熱解爐系統(tǒng)阻力降低約2.15 kPa，稀釋風(fēng)機(jī)可解列運(yùn)行，且熱解爐稀釋風(fēng)量降低提高了熱解爐入口風(fēng)溫，在滿足熱解爐出力的前提下，使電加熱器功率減少20%，節(jié)電效果明顯，改造后熱解爐未發(fā)生結(jié)晶事件。

目前國(guó)內(nèi)火力發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)大多采用尿素?zé)峤猱a(chǎn)生氨氣制備還原劑、選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝工藝，因尿素?zé)峤鉅t結(jié)晶造成機(jī)組減負(fù)荷運(yùn)行和機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的事件也屢見不鮮，此項(xiàng)技術(shù)對(duì)大部分尿素?zé)峤鉅t優(yōu)化內(nèi)部流場(chǎng)，緩解或徹底解決熱解爐內(nèi)部結(jié)晶有極大的借鑒作用，有極大的推廣空間。