SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場分布研究及優(yōu)化控制

林青

(華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453635)

1 設備概況

華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司(以下簡稱新鄉(xiāng)公司)2臺鍋爐為東方鍋爐集團股份有限公司生產(chǎn)的單爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構、Π型布置的超臨界壓力變壓運行直流鍋爐。鍋爐尾部煙道布置脫硝系統(tǒng)，采用高灰型選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝工藝，脫硝系統(tǒng)入口煙氣含塵質(zhì)量濃度≤44.9 g/m3，NH3/NOx比不超過保證值0.84條件下，脫硝效率≥92.3%，氨逃逸量≤2.28 mg/m3，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%。

2 研究意義

煙氣流場不均問題為大多數(shù)電廠的共性問題，其影響如下。

(1)SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場不均，造成脫硝噴氨不均，噴氨量增大，液氨消耗量增加。

(2)SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸率升高，硫酸氫銨的生成量增加，容易造成空氣預熱器腐蝕堵塞。

(3)SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣流速高區(qū)域容易造成脫硝催化劑磨損，流速過低區(qū)域容易造成脫硝催化劑堵塞。

(4)SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣流速高區(qū)域容易造成噴氨格柵噴嘴磨損，流速過低區(qū)域容易造成噴氨格柵噴嘴堵塞[1-5]。

3 SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場均勻性分析

SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場均勻性檢查主要采用機組運行期間試驗及機組停運期間內(nèi)部檢查相結合的方式進行。

(1)采用網(wǎng)格法測量100%，75%，50% 3種負荷率工況下SCR脫硝系統(tǒng)入口煙道各點的煙氣流速、壓力、溫度和氧量，SCR脫硝系統(tǒng)出入口煙道內(nèi)NOx質(zhì)量濃度分布情況。

(2)機組停運期間檢查，主要為進入SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)部，通過噴氨格柵噴嘴積灰及磨損位置、脫硝入口煙道積灰分布位置、脫硝催化劑等綜合分析脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣流速分布情況[6]。全面檢查噴氨格柵噴嘴情況如圖1— 6所示。

圖1 噴氨格柵下部(積灰少，局部有磨損)Fig.1 The lower part of the ammonia-injecting grid(with little ash and local wear)

圖2 噴氨格柵上部(積灰多，未見磨損)Fig.2 The upper part of the ammonia-injecting grid(with accumulated ash and no wear)

圖3 第1層催化劑上前部整流格柵(灰少)Fig.3 Fore rectifier grid on the first-layer catalyst(little ash)

圖4 第1層催化劑上后部整流格柵(灰多)Fig.4 Rear rectifier grid on the first-layer catalyst(much ash)

圖5 靠前煙道脫硝催化劑底部存在磨損Fig.5 Abrasion at the bottom of denitration catalyst in fore flue duct

分析機組停運期間脫硝系統(tǒng)內(nèi)部檢查情況，可得出如下結論。

(1)根據(jù)脫硝系統(tǒng)噴氨格柵下部積灰少、局部有磨損和脫硝系統(tǒng)噴氨格柵上部積灰多、未見有磨損的現(xiàn)象，判斷噴氨格柵前水平煙道處上部煙氣流速低、下部煙氣流速高[7]。

(2)根據(jù)第1層催化劑上前部整流格柵積灰少、后部整理格柵積灰多的現(xiàn)象，判斷第1層催化劑上部煙氣流速靠近部分流速高、靠后部分流速低[8-10]。

(3)根據(jù)靠前煙道脫硝催化劑底部存在磨損、靠后煙道脫硝催化劑底部正常無磨損的現(xiàn)象，判斷脫硝催化劑區(qū)域靠前煙道煙氣流速高，靠后煙道煙氣流速低。

4 煙氣流場數(shù)值模擬和物理模擬

按照新鄉(xiāng)公司脫硝系統(tǒng)的實際尺寸，1∶1進行數(shù)學模型建模計算。建模網(wǎng)格總數(shù)為337萬，99.99%的網(wǎng)格扭曲度在0.82以下，網(wǎng)格的最大扭曲度僅為0.91。速度場偏差和NH3/NOx比偏差的監(jiān)測點布置在第1層催化劑上面300 mm處。采用FLUENT軟件對流場進行模擬，按照脫硝裝置的實際尺寸1∶1進行建模計算[11]。為便于計算，作如下假設。

圖6 靠后煙道脫硝催化劑底部正常無磨損Fig.6 No abrasion at the bottom of denitration catalyst in rear flue duct

(1)將煙氣視為不可壓縮牛頓流體。

(2)系統(tǒng)絕熱。

(3)省煤器入口煙氣流場分布均勻。

(4)不考慮化學反應。

(5)將催化劑層設為多孔介質(zhì)。

(6)不考慮混合器及煙道內(nèi)壁面的摩擦。

基于上述假設，在計算中采用連續(xù)性方程、動量方程、湍流動能(k)方程、湍流動能耗散率(ε)方程、組分方程、能量方程。速度場偏差和NH3/NOx比偏差的監(jiān)測面設置在第1層催化劑上面300 mm處，與現(xiàn)場測試點的位置相同。在求解過程中，采用松弛迭代的變松弛系數(shù)法，采用一階迎風差分，壓力-速度的耦合方式為SIMPLIC算法[12]，不同情況下的速度場分析如圖7— 9所示。

圖7 無氨煙混合擾流器Fig.7 Ammonia-free mixed flow spoiler

圖8 方形氨煙混合擾流器Fig.8 Rectangular ammonia-smoke mixed flow spoiler

圖9 圓形氨煙混合擾流器Fig.9 Circular ammonia-smoke mixed flow spoiler

對3個工況下的SCR脫硝系統(tǒng)阻力和單個混合器阻力進行對比，見表1。加裝混合器之后不可避免地會增加系統(tǒng)阻力，其中加裝方形葉片混合器增加了115 Pa，圓形葉片混合器增加了80 Pa，分別較原有系統(tǒng)阻力增加了11.7%和8.2%，增加幅度較?。挥嬎銌蝹€混合器的阻力可知，方形葉片混合器阻力為185 Pa，圓形葉片混合器阻力為155 Pa，其阻力大于加裝混合器之后系統(tǒng)增加的阻力，可推知加裝混合器之后，雖然混合器本體阻力增加，但其改善了系統(tǒng)其他區(qū)域的流場，使煙氣阻力下降，抵消了部分混合器本體所增加的阻力，其中方形葉片混合器抵消了70 Pa的阻力，圓形葉片混合器抵消了75 Pa的阻力。 因此，圓形葉片混合器在阻力方面的表現(xiàn)較方形葉片混合器更佳[13]。

表1 不同工況下的阻力情況Tab.1 Resistance under different working conditions Pa

根據(jù)以上對比，可得出如下結論。

(1)氨煙混合裝置對速度偏差的改善能力弱，其與葉片形狀有密切關系，不合適的葉片形狀選擇會使煙氣的速度場均勻性變差。

(2)氨煙混合裝置對NH3/NOx比的分布均勻性改善能力較強，可使第1層催化劑前的 NH3/NOx比偏差降低40%以上，其改善能力與葉片形狀關系較小。

(3)加裝氨煙混合裝置會增加脫硝系統(tǒng)阻力，但其會改善其他區(qū)域的流場來降低本身阻力帶來的影響，其中圓形葉片混合器所增加的阻力較方形葉片混合器小。

綜上所述， 圓形葉片氨煙混合擾流器較方形葉片氨煙混合擾流器更適用于脫硝系統(tǒng)。

當物理模擬SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)煙氣流量偏差超過10%時，則重新進行數(shù)值模擬計算。根據(jù)數(shù)值模擬計算情況優(yōu)化導流板結構，再次進行物理模擬，直至達到流量偏差在10%以內(nèi)的要求，根據(jù)最終模擬情況進行導流板調(diào)整，采用導流板布局和結構調(diào)整，實現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場優(yōu)化。采用FLUENT軟件對加裝圓形葉片的氨煙混合擾流發(fā)生器后的預計效果進行模擬，煙道內(nèi)流線圖如圖10所示。

圖10 脫硝系統(tǒng)入口煙道煙氣流線圖Fig.10 Flue gas flow chart at denitration inlet

5 氨煙混合擾流實踐應用

結合#2機組大修，在#2機組脫硝系統(tǒng)噴氨格柵后加裝圓形氨煙混合擾流發(fā)生器。對脫硝系統(tǒng)入口煙道進行實際勘察發(fā)現(xiàn)，噴氨格柵后的煙道支撐比較密集，需要割除一組煙道支撐。用氨煙混合擾流器代替割除的支撐，安裝完成后對煙道的受力不會造成影響。如圖11所示，擾流器具體安裝位置在噴氨格柵后1.5 m處，圓形葉片氨煙混合裝置的葉片直徑為700 mm，偏斜角度均為45°，將靜態(tài)混合器兩端焊在煙道上下兩側(cè)，所有部件保持水平誤差10 mm。

6 開展SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整

優(yōu)化SCR脫硝系統(tǒng)噴氨均勻性。組織開展噴氨優(yōu)化試驗，確定脫硝系統(tǒng)氮氧化物數(shù)值，通過調(diào)整就地噴氨調(diào)門調(diào)整脫硝系統(tǒng)兩側(cè)噴氨均勻，調(diào)整前后情況見表2，實現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)噴氨準確性、均勻性，減少過噴、少噴、漏噴現(xiàn)象[14-15]。

圖11 氨煙混合擾流器安裝后Fig.11 Photos after installation of ammonia-smoke mixed flow spoiler

表2 噴氨優(yōu)化調(diào)整前后脫硝系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of the denitration system before and after ammonia-injection optimized adjustment

7 結論

(1)在300 MW工況下，#2機組脫硝系統(tǒng)噴氨量下降22.4%，16.6%，10.9%，平均下降16.6%；在350 MW工況下，#2機組脫硝系統(tǒng)噴氨量下降15.5%，13.7%，平均下降14.6%；在400 MW工況下，#2機組脫硝系統(tǒng)噴氨量下降11.4%，19.5%，平均下降15.5%。綜上所述，#2機組脫硝系統(tǒng)噴氨量平均下降15.6%。

(2)在300 MW工況下，#2機組脫硝系統(tǒng)阻力增加3.0，48.6 Pa；在350 MW工況下，#2機組脫硝系統(tǒng)阻力增加8.4，50.3 Pa；在400 MW工況下，#2機組脫硝系統(tǒng)阻力增加18.6，19.7 Pa。由此可見，#2機組脫硝系統(tǒng)煙氣流場優(yōu)化后，脫硝系統(tǒng)煙氣阻力未明顯增加。