火電機(jī)組SCR煙氣脫硝噴氨優(yōu)化模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

金玉群，尹國明

（1.國家電投集團(tuán)江西電力有限公司貴溪發(fā)電廠，江西 貴溪 335400；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

在大型燃煤電廠煙氣脫硝技術(shù)中，選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是國際上應(yīng)用最多、最成熟的技術(shù)，約占整個(gè)市場份額）90%[1]。其原理是利用氨氣（NH3）和催化劑，在適合的溫度區(qū)間將氮氧化物（NOx）還原為氮?dú)釴2。該法的特點(diǎn)是：由于使用了催化劑，故反應(yīng)溫度較低；凈化率高；工藝設(shè)備緊湊，運(yùn)行可靠。SCR煙氣脫硝技術(shù)在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中，反應(yīng)器內(nèi)的還原劑的濃度分布情況和氣流分布對(duì)脫硝效果有直接影響，隨運(yùn)行時(shí)間延長，當(dāng)脫硝裝置流場不均、催化劑化學(xué)壽命下降、積灰嚴(yán)重時(shí)，必然導(dǎo)致整個(gè)脫硝系統(tǒng)的脫硝效率下降，為保證排放濃度達(dá)標(biāo)，“多噴氨”是最常見的調(diào)節(jié)手段，“氨逃逸”幾乎在全國所有電廠“正在發(fā)生”或“即將發(fā)生”[2]。

某廠燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝工程，采用選擇性觸媒脫硝法（SCR），布置雙煙道雙反應(yīng)器，采用2+1催化劑層（1層備用），采用液氨作為還原劑，脫硝率不低于80%（NOX為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，6%含氧量，干基）。脫硝系統(tǒng)按雙煙道雙SCR反應(yīng)器形式設(shè)計(jì)，其中單個(gè)SCR反應(yīng)器尺寸為13 950 mm（L）×11 200 mm（W）×19 080 mm（H），按鍋爐在50%BMCR工況下煙氣量的要求設(shè)計(jì)單個(gè)SCR反應(yīng)器尺寸，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 SCR脫硝系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1 SCR噴氨優(yōu)化及數(shù)值模擬

1.1 模型建立及邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬假設(shè)條件如下：假設(shè)熱煙氣為不可壓縮的牛頓流體，假設(shè)煙氣在模型入口處分布是均勻的，采用多孔介質(zhì)來模擬反應(yīng)器的催化劑層，同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，因此不考慮實(shí)驗(yàn)中的化學(xué)反應(yīng)（NH3與NOX），上述假設(shè)都是為了模擬計(jì)算的方便。根據(jù)假設(shè)選取了廣泛用于計(jì)算高湍流雷諾數(shù)及遠(yuǎn)離壁面的流體流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)k－Epsilon模型[3]，將煙氣入口邊界條件設(shè)定為速度入口形式，且按比例設(shè)定入口處煙氣的組分。在噴氨格柵處邊界條件設(shè)定為速度入口形式，并根據(jù)實(shí)際的氨氣/空氣混合比例，設(shè)定其組分比例[4]，邊界條件詳情如表2。

表2 SCR邊界條件

采用標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)CV作為SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能的量化標(biāo)準(zhǔn)，SCR反應(yīng)器內(nèi)各截面處速度或濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差占該截面速度或濃度平均值的百分量即為標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)CV[5]，它的計(jì)算式如（1）、（2）所示：

對(duì)SCR系統(tǒng)在BMCR工況下的流場進(jìn)行一系列數(shù)值模擬，以此觀察NH3與熱煙氣的混合均勻度及煙氣速度分布，通過數(shù)據(jù)分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。影響SCR濃度及速度均勻性的因素有：混合器的結(jié)構(gòu)角度、導(dǎo)流板的位置及角度、各噴氨口噴氨量的分配等[6]。可對(duì)導(dǎo)流裝置、混合器對(duì)應(yīng)的角度、導(dǎo)流板的高度等進(jìn)行模擬優(yōu)化，根據(jù)模擬結(jié)果得到最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)和安裝角度、位置等指導(dǎo)設(shè)計(jì)。本文在總噴氨量不變的前提，對(duì)各噴氨口的噴氨量分配進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 噴氨量優(yōu)化方案

噴氨格柵之前，煙氣的分布情況已經(jīng)很不均勻，同時(shí)煙氣的流動(dòng)速度、煙氣和NH3的混合比例共同決定著NH3的流量，因此，想要使煙氣和NH3在噴氨格柵之后混合均勻，需要調(diào)節(jié)噴氨格柵中各噴氨嘴的噴氨量。噴嘴噴氨總量保持不變，將噴氨格柵前的上下兩排噴氨口分別設(shè)定為A排、B排，將A排噴氨量和B排的噴氨量依次進(jìn)行調(diào)節(jié)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是提高脫硝效率、降低NH3的消耗量及NH3的逃逸率，因此選擇優(yōu)化方案的原則：NH3濃度場的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)在SCR裝置的第一層催化劑入口處能夠較小，而且速度場的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)CV≤15%，必須滿足設(shè)計(jì)要求的范圍。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)隨A噴氨量的變化

圖2 優(yōu)化后第一層催化劑入口流場和濃度場

在BMCR工況下，將A排和B排的噴氨量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過大量的數(shù)值模擬后，得到圖1所示的結(jié)果。結(jié)果表明，將A排噴嘴的噴氨量調(diào)節(jié)為原來噴氨量的55%，B排噴嘴的噴氨量調(diào)節(jié)為原來噴氨量的45%，模擬結(jié)果顯示相對(duì)最優(yōu)。

在噴氨量優(yōu)化后的BMCR工況下，從圖2可以看出，第一層催化劑入口處的NH3濃度分布比較均勻，與優(yōu)化之前相比，濃度分布情況明顯得到改善，NH3濃度分布偏差系數(shù)CV值降到8.7%，與原來的14.9%相比，其均勻程度得到很大提高，同時(shí)煙氣速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)的CV值為8.2%，比優(yōu)化前稍有提高，優(yōu)化得出的兩個(gè)結(jié)果都滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 噴氨均勻性采樣優(yōu)化

當(dāng)前SCR裝置的采樣主要分布在脫硝設(shè)施出口煙道上，無法對(duì)氮氧化物和煙氣流速監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)全覆蓋。本機(jī)組加裝脫硝設(shè)施全斷面均勻性采樣裝置，在每個(gè)催化劑模塊中心位置安裝一個(gè)取樣管道，根據(jù)需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)該催化劑模塊下方的氮氧化物濃度和煙氣流速，可全面掌握SCR反應(yīng)器全斷面脫硝效率，從而實(shí)時(shí)評(píng)估運(yùn)行中每個(gè)催化劑模塊的脫硝效率。有效監(jiān)測(cè)脫硝反應(yīng)器的脫硝反應(yīng)效率和煙氣流速，通過噴氨量調(diào)整提高脫硝效率，減少氨逃逸量，減少催化劑層和空預(yù)器堵塞，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。采樣裝置優(yōu)化布置示意圖見圖3。全斷面均勻性采樣裝置實(shí)體外觀圖見圖4。

圖3 噴氨全斷面均勻性采樣裝置布置示意圖

圖4 噴氨全斷面均勻性采樣裝置實(shí)體外觀圖

2 模擬優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證

按照保持總噴氨量不變的情況下，依次改變A排與B排的噴氨量的優(yōu)化方案，在該火電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證，常用工況下試驗(yàn)結(jié)果如表3

表3 常用工況下性能試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證噴氨優(yōu)化調(diào)整效果，在燃燒常用煤種工況下，以工況1作為未調(diào)整噴氨門之前的A側(cè)實(shí)測(cè)出口NOX濃度分布見表4；對(duì)應(yīng)噴氨優(yōu)化調(diào)整后的SCR系統(tǒng)A側(cè)出口NOX分布見表5。在噴氨優(yōu)化調(diào)整前的工況1下，SCR系統(tǒng)A側(cè)對(duì)應(yīng)的出口NOX平均值為87.7 mg/Nm3，其偏差為16.86%，濃度分布非常不均，導(dǎo)致在控制噴氨總門而噴氨小門不做調(diào)整情況下，氨耗量大，氨逃逸率高，SCR脫硝效率不高的情況。在噴氨優(yōu)化調(diào)整后的工況2下，SCR系統(tǒng)A側(cè)對(duì)應(yīng)的出口NOX平均值為83.95 mg/Nm3，其偏差為9.89%，濃度分布達(dá)到良好（<10%）的要求，與工況1比較，氨耗量由工況1的137.5 kg/h減小為調(diào)整后工況2的135.9 kg/h，氨逃逸率由工況1的3.92 ppm下降為2.93 ppm，SCR脫硝效率由工況1的80.4%提高為調(diào)整后工況2的81.58%。

表4 工況1對(duì)應(yīng)SCR系統(tǒng)A側(cè)出口NOX濃度分布

表5 工況2對(duì)應(yīng)SCR系統(tǒng)A側(cè)出口NOX濃度分布

3 結(jié)語

通過機(jī)組SCR噴氨優(yōu)化運(yùn)行模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論:

1）數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行情況相符性好，選擇建立的數(shù)學(xué)模型合理有效，為SCR系統(tǒng)脫硝性能的優(yōu)化提供分析支持。

2）噴氨分配數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果表明，保持總的噴氨量不變的前提下，將A排噴嘴的噴氨量調(diào)節(jié)為原來噴氨量的55%，B排噴嘴的噴氨量調(diào)節(jié)為原來噴氨量的45%，模擬結(jié)果顯示相對(duì)最優(yōu)。優(yōu)化后濃度分布情況明顯得到改善，氨氣濃度分布偏差系數(shù)CV由原來的14.9%降到8.7%。

3）性能試驗(yàn)表明，氨氣與煙氣的混合效果受噴嘴噴氨量比例的影響較大，保持總的噴氨量不變的前提下，通過調(diào)整各個(gè)噴氨嘴的噴氨比例，使SCR裝置脫硝效率得到改善，氨逃逸率可降至3 ppm以下。

參考文獻(xiàn)：

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