SCR脫硝分區(qū)噴氨影響因子研究及優(yōu)化

李茂清 賈佐梓

摘 ?要：近年來，針對SCR脫硝系統過量噴氨和氨逃逸等問題，分區(qū)噴氨控制技術開始在燃煤電廠進行應用。該文采用數值模擬方法（CFD）對某600 MW機組的SCR分區(qū)噴氨系統進行流場模擬，并提出優(yōu)化方案，優(yōu)化后催化劑入口氨氮比和噴氨分區(qū)對應性顯著改善，最后分析不同負荷工況對流場的影響。

關鍵詞：CFD；分區(qū)噴氨；流場優(yōu)化；分區(qū)影響因子；選擇性催化還原

中圖分類號：X773 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0120-04

Abstract： In recent years， aiming at issues such as excessive ammonia injection and ammonia escape in SCR denitrification systems， partitioned ammonia injection control technology has begun to be applied in coal-fired power plants. This article uses a numerical simulation method， Computational Fluid Dynamics （CFD）， to simulate the flow field of the SCR zoned ammonia injection system of a 600 MW unit， and proposes an optimization plan. After optimization， the catalyst inlet ammonia nitrogen ratio and the correspondence between the ammonia injection zones are significantly improved. Finally， the impact of different load conditions on the flow field was analyzed.

Keywords： CFD; zoned ammonia injection; flow field optimization; zonedimpact factor; selective catalytic reduction （SCR）

選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術作為一種主要的高效NOx控制技術，廣泛應用于國內燃煤發(fā)電機組，使出口NOx濃度達到超低排放要求[1-3]。近年來，隨著脫硝裝置投運，尤其超低排放改造后，由于測量延遲、噴氨不均、燃燒不穩(wěn)及流場情況差等原因造成的SCR進出口NOx測量不準、波動、氨逃逸超標、NH4HSO4沉積、空預器低溫段蓄熱元件堵塞及除塵器電極積灰等問題越發(fā)頻繁、嚴重[4-5]。

基于上述現狀，分區(qū)噴氨精準控制技術開始在燃煤電廠進行應用，該技術依據煙氣網格取樣測量的實際值作為控制量，自動調節(jié)噴氨總閥，同時通過矩陣式分區(qū)測量系統對脫硝流場進行更精確的分區(qū)測量，控制系統對分區(qū)測量數據進行分析計算，進而指導各對應區(qū)域噴氨自動調節(jié)門的調整，使反應區(qū)內NH3/NOx得以均勻混合，提高脫硝系統利用率[6-7]。分區(qū)噴氨控制技術對測量結果精準度要求較高，這也意味著良好的SCR系統流場是實現這一切的前提，鑒于超低排放后對SCR流場的強制性要求，大都集中于對催化劑入口截面速度場和氨濃度分布的優(yōu)化，但關于流場優(yōu)化對分區(qū)噴氨的影響卻鮮有涉及。因此以某600 MW機組的脫硝改造為例，從流場優(yōu)化的角度對分區(qū)噴氨改造后流場對分區(qū)噴氨的影響進行了研究。

1 ?CFD模型與方法

1.1 ?數值模型及邊界條件

CFD（Computational Fluid Dynamics）是一種被廣泛應用的計算流體動力學方法，在各行業(yè)中得到了廣泛的應用。本文針對某600 MW機組脫硝系統建立了1∶1的計算機模擬模型，建立的模擬模型如圖１所示，模型網格主要采用六面體網格進行劃分，總網格數量約為330萬，并進行了網格無關性驗證。

數值模擬時以現場測試數據作為輸入的計算條件，省煤器出口單個反應器煙氣質量流量1 341 972 kg/h，煙氣密度為0.577 kg/m3，煙氣溫度為363 ℃；氨空氣混合氣質量流量1 649 kg/h，溫度為250 ℃。

2 ?計算結果

2.1 ?初始工況

圖3是初始工況下SCR脫硝裝置不同角度的整體速度跡線，可以看出脫硝入口段水平煙道擴徑處流場劇烈變化，原有導流板未能起到導流作用，氣體未能朝擴徑測分流，導致豎直段煙道底部形成了渦流，從而使整個豎直段煙道內煙氣流動混亂，出現了明顯偏流現象。反應器頂部煙道處氣流朝后墻側偏移，形成了高速區(qū)，且入射到第一層催化劑時流速與豎直方向最大夾角約30°。

如上所述整個SCR系統流場較不均勻，不利于煙氣NOx和NH3的混合，催化劑入口上方500 mm處氨氮比分布如圖4所示，總體呈現前墻側氨氮比偏低，后墻側氨氮比偏高，擴徑側氨氮比偏高的趨勢。且氨濃度相對標準偏差約為20.6%，遠高于行業(yè)標準要求的10%，過高的氨濃度不均勻性往往導致過量噴氨和氨逃逸，是導致下游空預器堵塞等現象的元兇。

圖5和圖6分別展示了不同噴氨分區(qū)單獨噴氨時的流動跡線和催化劑入口的氨氮比，用以表征不同噴氨分區(qū)對對應控制區(qū)域的影響。如圖5所示，由于豎直段煙氣流動混亂，各個分區(qū)噴出的氨氣出現明顯擴散，橫跨多個分區(qū)，在催化劑入口呈現的氨氮比也沒有明顯的界限，其對各個控制分區(qū)的影響因子見表1。噴氨分區(qū)2、3和催化劑入口分區(qū)2、3影響因子低于0.5，對應性較差，上述現象表明，在目前的流場下，噴氨分區(qū)和催化劑入口分區(qū)無法形成對應，分區(qū)噴氨無法起到優(yōu)化脫硝性能的作用。

2.2 ?優(yōu)化工況

在原始方案的基礎上對導流系統進行了整體優(yōu)化，優(yōu)化后的導流系統如圖 7所示，主要做了以下調整：①水平煙道入口增設2組圓盤導流板，優(yōu)化水平煙道內煙氣在豎直方向上的均勻性；②對擴徑段開始和結束處的導流板進行了加密，并對豎直煙道底部的圓弧導流板進行了重新設計，保證了煙氣沿擴徑側的均勻分布；③對豎直煙道頂部和反應器頂部的導流板進行了重新設計和加密，確保了煙氣流量在反應器頂部的均勻分配。

經過上述導流系統調整后，SCR系統內的煙氣流動狀況有了顯著改善，優(yōu)化后的煙氣流場如圖8所示，消除了豎直煙道底部的渦流和豎直煙道內煙氣偏流的現象，保證了噴氨格柵前的煙氣流速均勻性，有利于氨氣和煙氣的均混；消除了煙氣在反應器前后墻的偏流和渦流，入射到第一層催化劑時流速與豎直方向最大夾角不超過10°。均勻的煙氣流場使煙氣和氨氣充分混合，有效改善了催化劑入口氨氮濃度分布，如圖9所示，氨濃度相對標準偏差從20.6%降至4.7%。

導流系統優(yōu)化后，噴氨跡線幾乎不發(fā)生擴散，如圖10所示，噴氨分區(qū)和催化劑入口的擬控制區(qū)域對應性大幅提升，圖11展示了不同分區(qū)單獨噴氨時催化劑入口的氨氮比，表2展示不同噴氨分區(qū)對催化劑入口擬控制區(qū)域的影響因子，相對應的4個分區(qū)影響因子分別為0.84、0.73、0.74、0.88，意味著催化劑入口不同分區(qū)的氨氮比和噴氨分區(qū)的噴氨量幾乎是一一對應的，只需分別調整不同分區(qū)噴氨格柵，便可以控制對應催化劑入口區(qū)域的氨氮比，實現精準噴氨分區(qū)控制。

2.3 ?不同負荷

考慮機組實際運行情況，對優(yōu)化后的SCR系統在75%負荷和50%負荷下的煙氣流場進行了模擬，結果如圖12所示，3種工況下催化劑入口截面氨氮比分布幾乎沒有變化，意味著優(yōu)化方案對不同負荷下的脫硝系統也同樣適用。

3 ?結論

本文對某600 MW機組的脫硝系統進行了流場模擬，提出了優(yōu)化方案，并從流場優(yōu)化的角度對分區(qū)噴氨改造后流場對分區(qū)噴氨的影響進行了研究，得到以下結論：

1）原有脫硝系統導流系統設計不合理，噴氨格柵所在的豎直段煙氣流場混亂，反應器頂部煙道流量分配不均，催化劑入口氨濃度相對標準偏差約為20.6%，遠高于行業(yè)標準要求的10%，催化劑入口煙氣入射角度最大約30°；不同噴氨分區(qū)噴出的氨氣出現明顯擴散，橫跨多個分區(qū)，對相對應的催化劑入口分區(qū)影響因子分別為0.54、0.27、0.37、0.63，分區(qū)對應性較差，難以通過分區(qū)控制噴氨優(yōu)化脫硝性能。

2）對導流系統進行優(yōu)化后，消除了豎直煙道底部的渦流和豎直煙道內煙氣偏流的現象，消除了煙氣在反應器前后墻的偏流和渦流，催化劑入口氨濃度相對標準偏差從20.6%降至4.7%，催化劑入口煙氣入射角度不超過10°；噴氨跡線也幾乎不發(fā)生擴散，相對應的4個分區(qū)影響因子分別為0.84、0.73、0.74、0.88，意味著催化劑入口不同分區(qū)的氨氮比和噴氨分區(qū)的噴氨量幾乎是一一對應的，只需分別調整不同分區(qū)噴氨格柵，便可以控制對應催化劑入口區(qū)域的氨氮比，實現精準噴氨分區(qū)控制。

3）對優(yōu)化后SCR系統100%、75%、50%負荷工況下的流場進行了模擬，催化劑入口處的氨氮比分布幾乎沒有變化。

參考文獻：

[1] 林青.SCR脫硝系統煙氣流場分布研究及優(yōu)化控制[J].華電技術，2019，41（12）：58-62.

[2] 田林林.基于流場優(yōu)化與等流量取樣的脫硝煙氣測量設計與應用[D].濟南：山東大學，2019.

[3] 秦天牧，林道鴻，楊婷婷，等.SCR煙氣脫硝系統動態(tài)建模方法比較[J].中國電機工程學報，2017，37（10）：2913-2919.

[4] 楊延龍.火電廠氮氧化物減排及SCR煙氣脫硝技術淺析[J].能源環(huán)境保護，2017，31（2）：31-35.

[5] 蔣春來，許艷玲，楊金田，等.“十二五”氮氧化物總量減排中期評估與對策探討[J].環(huán)境保護，2013，41（19）：19-22.

[6] 劉慶，邵旻，盧偉，等.脫硝噴氨精準控制技術研究[J].中國儀器儀表，2020（6）：74-78.

[7] JIN M C， CHOI J W， HONG S H， et al.Application of computational fluid dynamics analysis for improving performance of commercial scale selective catalytic reduction[J].Korean Journal of Chemical Engineering，2006，23（1）：43-56.

[8] 李文慶.燃煤電廠SCR脫硝系統分區(qū)噴氨優(yōu)化模擬研究[D].廣州：華南理工大學，2021.