催化煙氣脫硝余熱鍋爐進出口壓差控制方法的探討

汪 洋，欒 睿

（中國石油慶陽石化公司，甘肅慶陽 745000）

隨著近些年國家對石油石化行業(yè)安全環(huán)保的嚴格要求，煙氣脫硝技術(shù)已應(yīng)用在大多數(shù)石化企業(yè)。慶陽石化催化裂化煙氣SCR脫硝裝置成功長周期運行，標志著中國石油擁有了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套催化煙氣脫硝技術(shù)。但在實際生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)該煙氣脫硝裝置的核心設(shè)備脫硝余熱鍋爐的壓差時有升高，基于這一原因，本文以工程實踐為基礎(chǔ)并通過CFX模擬出脫硝余熱鍋爐入口煙道以及煙氣蝶閥處流場，總結(jié)分析出控制脫硝余熱鍋爐壓差升高的幾種方法，為指導(dǎo)裝置長周期平穩(wěn)運行提供了科學參考[1-4]。

1 脫硝余熱鍋爐壓差分析

SCR脫硝裝置主要由氨的儲存系統(tǒng)、氨和空氣的混合系統(tǒng)、氨噴入系統(tǒng)、反應(yīng)器系統(tǒng)及監(jiān)測控制系統(tǒng)等組成。其中SCR脫硝反應(yīng)系統(tǒng)包括噴氨格柵、吹灰器、反應(yīng)器均位于余熱鍋爐中部，溫度區(qū)間為320℃～400 ℃（見圖1）。

圖1 SCR脫硝裝置

SCR噴氨最低連續(xù)運行溫度通常為300℃，受鍋爐煙氣SO3含量及SCR入口NOx濃度影響而變化。在最低設(shè)計運行煙氣溫度下，噴入煙道內(nèi)的NH3易與SO3反應(yīng)生成硫酸銨鹽，氨鹽沉積在催化劑中會引起催化劑失活，且大量沒反應(yīng)的氨氣會造成低溫段嚴重積灰堵塞。

隨著脫硝裝置長周期運行，沉積結(jié)鹽的程度逐漸加深，脫硝余熱鍋爐內(nèi)的壓差即逐漸升高，嚴重時或引起催化裝置的非計劃停車。

2 壓差升高控制方法

經(jīng)過一段時間的工程實踐，探索出以下幾種控制脫硝余熱鍋爐壓差升高的方法。

2.1 控制噴氨量

減少噴氨量即可減少氨逃逸量的程度，從而減輕脫硝余熱鍋爐低溫段的結(jié)鹽情況，進一步控制脫硝余熱鍋爐內(nèi)壓差升高的問題。但是為了達到環(huán)保減排的目的，噴氨量的多少往往取決于催化煙氣中氮氧化物的含量，并不可一味減少噴氨量。噴氨量的計算公式如式（1）所示：

式中：Q氨氣-氨氣流量，m3/h；K-設(shè)置的調(diào)控參數(shù)，由操作人員給出，范圍0.60～1.20，小數(shù)點保留兩位；C-氮氧化物（NOx）濃度，mg/m3；Q煙氣-煙氣流量，m3/h。

調(diào)整K值目標：出口NOx小于等于100 mg/m3；氨逃逸小于等于2.5 mg/m3。

2.2 加強脫硝余熱鍋爐吹灰

SCR脫硝余熱鍋爐內(nèi)吹灰有三種形式：激波吹灰、蒸汽吹灰、聲波吹灰。

在SCR注氨投運后，要注意監(jiān)視反應(yīng)器進出口壓損的變化。若反應(yīng)器的壓損增加較快，與注氨前比較增加較多，此時要加強催化劑的吹灰。為了大幅度改善SCR系統(tǒng)阻力，需要檢查蒸汽吹灰器耙的前進位移是否能夠到達指定位置，同時蒸汽吹灰不可頻繁使用，否則吹灰器上的跑車齒輪疲勞磨損，導(dǎo)致蒸汽吹灰器失效。

加強吹灰可以減少SCR反應(yīng)器、省煤器積灰，增加熱量回收效率，同時對低溫段結(jié)鹽進行吹掃，是控制余熱鍋爐壓差升高的有效手段。

2.3 控制進口煙氣蝶閥開度

因時代的局限性，在很長一段時間內(nèi)，利用催化煙氣的余熱鍋爐并不具備脫硝功能，現(xiàn)有大部分脫硝余熱鍋爐均為新建裝置，因此，國內(nèi)煉油廠往往有兩臺余熱鍋爐（見圖2），其中脫硝余熱鍋爐的進口煙氣蝶閥為1號DN3000蝶閥，余熱鍋爐的進口煙氣蝶閥為2號DN3000蝶閥。

圖2 煙道及余熱鍋爐示意圖

以慶陽石化為例，通過關(guān)小一側(cè)余熱鍋爐進口煙氣蝶閥開度的方式來減小脫硝余熱鍋爐內(nèi)壓差，用CFX 軟件模擬三種情況：（1）1號蝶閥開度 100°，2號蝶閥開度 72°；（2）1 號蝶閥開度 100°，2 號蝶閥開度70°；（3）1 號蝶閥開度 100°，2 號蝶閥開度 68°。對比不同開度下1號蝶閥出口處即脫硝余熱鍋爐進口處煙氣流場的變化情況。

2.3.1 建模及相關(guān)設(shè)置 使用Proe軟件進行三維建模（見圖3），圖中左側(cè)管道為通道2、左側(cè)蝶閥為2號蝶閥，右側(cè)管道為通道1、右側(cè)蝶閥為1號蝶閥，蝶閥的通徑為DN3000。

圖3 煙道及蝶閥三維模型

流道模型（見圖4），網(wǎng)格劃分情況（見圖5），其中對蝶閥處以及管道拐角處網(wǎng)格進行加密。

圖4 流道模型

邊界條件加載：流場分析采用CFX軟件，首先堵住管道出口2，計算1通道的流阻系數(shù)；再堵上管道出口1，計算2通道的流阻系數(shù)。流阻系數(shù)與流量成正比，計算兩個通道各自流量。設(shè)置入口壓力參數(shù)7 kPa，兩側(cè)出口都給出流量參數(shù)，得到中性面的壓力、流速等云圖，改變模型開度后，重復(fù)上述步驟。

圖5 網(wǎng)格劃分

2.3.2 模擬結(jié)果分析 1號蝶閥開度100°，2號蝶閥開度72°時，流道內(nèi)壓力、速度、速度矢量云圖（見圖6）。

圖6 2號蝶閥開度72°

1號蝶閥開度100°，2號蝶閥開度70°時，流道內(nèi)壓力、速度、速度矢量云圖（見圖7）。

圖7 2號蝶閥開度70°

1號蝶閥開度100°，2號蝶閥開度68°時，流道內(nèi)壓力、速度、速度矢量云圖（見圖8）。

圖7 2號蝶閥開度70°

圖8 2號蝶閥開度68°

從圖6中可以看出當2號開度設(shè)置為72°時，1號蝶閥流量為150 433.54 m3/h，1號蝶閥流量出口原點處壓力為7 074.63 Pa，出口原點處速度12.069 2 m/s。從圖7中可以看出當2號蝶閥開度設(shè)置為70°時，1號蝶閥流量為153 658.48 m3/h，1號蝶閥出口原點壓力為7 074.43 Pa，出口原點處速度12.084 8 m/s。從圖8中可以看出當2號蝶閥開度設(shè)置為68°時，1號蝶閥流量155 883.42 m3/h，1號蝶閥出口原點處壓力為7 074.22 Pa，出口原點處速度為12.112 4 m/s。通過對比分析發(fā)現(xiàn)關(guān)閉若干個閥位后蝶閥出口處壓力變化較小，但煙氣流量與速度都明顯增加，對脫硝余熱鍋爐進行沖刷。同時速度矢量線在管道入口處都是平行的，表示管道入口處流動都比較穩(wěn)定。當流體進入拐角處時，流速都會明顯增高，直接沖擊管道，進入蝶閥處后流體的流動再次趨于平穩(wěn)。管道內(nèi)的流動方向均未發(fā)生變化，所以關(guān)閉閥位并不會影響煙氣的流動方向，不會形成局部回流現(xiàn)象?？刂七M口煙氣蝶閥開度將是一種行之有效的減小脫硝余熱鍋爐內(nèi)壓差的方法，通過關(guān)閉一側(cè)蝶閥閥位將增大脫硝余熱鍋爐入口處的煙氣流量、流速，此種方法相當于自上而下的對脫硝余熱鍋爐進行了吹灰。

3 結(jié)論

（1）控制脫硝余熱鍋爐內(nèi)的壓差升高的方法有：控制噴氨量、加強脫硝余熱鍋爐吹灰、控制進口煙氣蝶閥開度。

（2）實踐與分析說明調(diào)整煙氣蝶閥開度能有效的控制脫硝余熱鍋爐進出口壓差。且調(diào)整進口煙氣蝶閥開度時并不會影響煙氣的流動方向，不會形成局部回流現(xiàn)象。