超低排放SNCR+SCR 脫硝系統(tǒng)流場優(yōu)化技術(shù)與應(yīng)用

韋 耿，張定海，魏艷娜，任凌申，周 武

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 引言

根據(jù)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，2003-12-31 后建成投產(chǎn)的煤粉鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度低于100 mg／m3［1］，然而根據(jù)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》，對于鍋爐排放進(jìn)一步提高了要求，煙塵排放質(zhì)量濃度不高于10 mg／m3，SO2排放質(zhì)量濃度不高于35 mg／m3，而NOx排放質(zhì)量濃度則不高于50 mg／m3，即超低排放［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)早期建成的鍋爐很多NOx排放質(zhì)量濃度達(dá)到500 mg／m3，最高達(dá)到1 000 mg／m3，鍋爐超低排放設(shè)計(jì)、改造的難度相當(dāng)大。

目前鍋爐在燃煤煙氣脫硝技術(shù)中有燃燒前控制、燃燒中控制及燃燒后控制技術(shù)，燃燒后控制脫硝技術(shù)基本是主流標(biāo)配。煙氣脫硝技術(shù)還分成SNCR和SCR 技術(shù)，雖然目前大部分電廠采用低氮燃燒+SNCR 或者低氮燃燒+SCR 的技術(shù)基本可以滿足環(huán)保排放要求，但是在某些電廠因鍋爐自身設(shè)計(jì)運(yùn)行條件以及煤種限制，單靠SNCR 或者SCR 無法滿足排放要求，因此SNCR+SCR 協(xié)同脫硝技術(shù)也有一定的市場。

楊永利、鄭玉嬰等人研究了脫硝催化劑性能和改進(jìn)配方［3-4］，秦亞男、梁存敬等人研究了SNCR+SCR協(xié)同脫硝的還原劑混合均勻性問題，分別從爐內(nèi)噴槍布置優(yōu)化和噴氨柵格不均勻控制方面著手［5-6］，但是對于超低排放下脫硝系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，即流場均勻性提升問題還有許多值得探討的地方。本文從工程實(shí)際出發(fā)，通過分析流場模擬和冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場測量結(jié)果，闡述了脫硝煙道流場優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)路線。

1 超低排放下脫硝流場設(shè)計(jì)面臨難點(diǎn)

1.1 脫硝煙道入口煙氣組分均勻性

四角切圓和對沖鍋爐都因?yàn)槿紵绞降脑颍疱仩t出口的煙氣中氮氧化物等組分分布不均，噴氨柵格（AIG）噴氨系統(tǒng)又難以根據(jù)實(shí)際分布進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，極易引起脫硝煙道中氨氮摩爾比分布不均勻。采用SNCR+SCR 的脫硝系統(tǒng)中，一般SNCR 噴槍布置在爐膛上部前墻，還原劑難以覆蓋爐膛截面，最多只能覆蓋30%左右，受噴槍數(shù)量和霧化效果等原始條件限制，要做到還原劑在煙氣中均勻混合是不可能的，因此投運(yùn)SNCR 系統(tǒng)后，也極易造成SCR煙道入口NOx分布的不均。要達(dá)到理想的氨氮混合效果需要配置大量的控制反饋系統(tǒng)，因此直接在脫硝煙道入口采取措施改善NOx分布均勻性是最科學(xué)經(jīng)濟(jì)的措施。

1.2 AIG 入口煙氣流場均勻性

工程中對AIG 入口煙氣速度均勻性考察一般要求偏差是±15%，隨著超低排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，均勻性要求也越來越高，為應(yīng)對超低排放的指標(biāo)將AIG 入口速度均勻性優(yōu)化提高至±8%，以保證脫硝效率達(dá)標(biāo)的同時(shí)避免氨逃逸超標(biāo)。常規(guī)脫硝煙道僅通過在轉(zhuǎn)角、擴(kuò)／縮口位置布置導(dǎo)流板，以調(diào)節(jié)煙道內(nèi)AIG前的流場均勻性。然而這樣的措施在超低排放要求下就要升級(jí)，必須采用特殊設(shè)計(jì)來優(yōu)化流場均勻性。

1.3 催化劑層入口流場均勻性

在超低排放背景下，一般上層催化劑入口速度偏差考核要求不大于±10%，氨氮比濃度偏差不大于±3%，入射角偏差不大于10°。在實(shí)際運(yùn)行中，反應(yīng)器整流柵格易發(fā)生積灰問題（見圖1），從而影響催化劑入口流場均勻性，尤其在燃燒高灰分煤種時(shí)，不科學(xué)的整流器設(shè)計(jì)易造成飛灰搭橋沉積，流場不均勻進(jìn)一步的會(huì)引起催化劑層表面的積灰，局部形成高速區(qū)，即煙氣走廊。催化劑局部積灰、塌陷嚴(yán)重的影響反應(yīng)器的運(yùn)行表現(xiàn)（見圖2），造成反應(yīng)器出口NOx、氨等排放不達(dá)標(biāo)。

圖1 整流器柵格積灰情況

圖2 催化劑層積灰、磨損情況

2 脫硝流場均勻性優(yōu)化研究與應(yīng)用

針對上述關(guān)鍵問題，通過數(shù)值模擬及冷態(tài)試驗(yàn)，得到超低排放下脫硝流場均勻性優(yōu)化的實(shí)施路線。

2.1 大尺度混合器

2.1.1 技術(shù)路線

SCR 入口煙氣NOx分布規(guī)律存在很大的不確定性，原因在于該分布與鍋爐燃燒方式、SNCR 運(yùn)行狀況、鍋爐燃燒負(fù)荷等關(guān)系緊密，分布規(guī)律的不確定對改進(jìn)措施的選擇帶來很大挑戰(zhàn)。行業(yè)內(nèi)已有針對大尺度混合器的研究專利，但是只能實(shí)現(xiàn)煙道前后墻之間的混合，如圖3（a）所示，通過在煙道中設(shè)置一塊傾斜一定角度的擋板，煙氣流經(jīng)擋板后引起卷吸回流，促成煙道內(nèi)煙氣的劇烈擾動(dòng)混合，從而實(shí)現(xiàn)提高SCR 入口煙氣組分均勻性的目的。但入口煙道的煙氣組分不僅存在前后墻不均勻性，同時(shí)還有左右側(cè)各個(gè)方向不均勻性。

如圖3（b）所示，新型大尺度混合器結(jié)構(gòu)采用帶角度的葉片組交錯(cuò)布置，根據(jù)實(shí)際流場分布情況可調(diào)節(jié)混合器葉片夾角和葉片組夾角，以及混合器葉片的長度和寬度，實(shí)現(xiàn)不同的混合效果，并控制阻力，同時(shí)混合器材料需要做防磨。煙氣流經(jīng)該大尺度煙氣混合器后，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)煙道寬度方向和高度方向全維度的均勻性調(diào)整。

圖3 脫硝煙道傳統(tǒng)和新型大尺度混合器結(jié)構(gòu)

2.1.2 工程應(yīng)用

四川某電廠為600 MW“W”型火焰鍋爐，原始排放較高，因此在2016年進(jìn)行了脫硝提效改造，效率不小于92.18%，采用SNCR+SCR 系統(tǒng)。為避免SNCR 投運(yùn)后對SCR 入口NOx濃度的影響，改造中擬在煙道適當(dāng)位置增加大尺度混合器。

混合器加裝前后流場均勻性的優(yōu)化效果很明顯，在450 MW 負(fù)荷下對左側(cè)反應(yīng)器進(jìn)行現(xiàn)場測量，速度均勻性相對標(biāo)準(zhǔn)偏差從35%優(yōu)化至21.9%，組分均勻性相對標(biāo)準(zhǔn)偏差從13.7%優(yōu)化至6.3%。

2.2 新型均流器

2.2.1 技術(shù)路線

在安裝大尺度混合器后，雖然煙氣中的組分均勻性以及速度均勻性已經(jīng)得到極大的優(yōu)化，針對超低排放的要求，仍需要在AIG 之前增加新型均流器，對煙氣進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)化調(diào)整，使流場的均勻性偏差達(dá)到±10%以內(nèi)。

對多種新型均流器型式（見圖4）進(jìn)行了試驗(yàn)研究，最終發(fā)現(xiàn)如圖5 所示結(jié)構(gòu)的均流器效果最好，可以滿足工程需求。該結(jié)構(gòu)采用特定高度直板布置成柵格狀，可十字交叉或者上下層十字交錯(cuò)，直板在煙道深度和寬度方向上兩兩對稱布置呈八字形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中通過調(diào)節(jié)均流器的直板高度及角度來滿足特定工程的要求。

圖4 脫硝煙道均流器結(jié)構(gòu)

圖5 脫硝煙道新型均流器結(jié)構(gòu)

2.2.2 應(yīng)用情況

在應(yīng)對超低排放脫硝市場對技術(shù)升級(jí)的挑戰(zhàn)時(shí)，所述新型均流器可以優(yōu)化AIG 入口的流場均勻性，流場均勻性偏差從目前±15%優(yōu)化至±8%以內(nèi)。在100 多臺(tái)（套）各等級(jí)容量鍋爐高效脫硝工程項(xiàng)目中應(yīng)用，運(yùn)行效果良好達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3 雙層整流器

2.3.1 技術(shù)路線

傳統(tǒng)脫硝反應(yīng)器的整流器為單層?xùn)鸥駹罱Y(jié)構(gòu)，如圖6 所示，采用平直交錯(cuò)的板式框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)煙氣流向的整理。在實(shí)際運(yùn)行過程中，尤其在云貴地區(qū)主要燒高灰分煤種，在機(jī)組負(fù)荷下降反應(yīng)器流速減小的情況下，容易發(fā)生整流柵格的積灰堵塞。業(yè)內(nèi)各企業(yè)采用的解決方案基本上是通過增加?xùn)鸥竦目讖?，尤其是寬度方向的間隔，避免飛灰在柵格內(nèi)搭橋沉積。這樣造成的一個(gè)負(fù)面影響是整流柵格對煙氣的整理效果下降明顯，煙氣流向非垂直進(jìn)入催化劑層，易造成催化劑脫硝效果不佳。本文結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新性地提出了雙層整流器的結(jié)構(gòu)。

如圖6 所示為傳統(tǒng)整流器柵格結(jié)構(gòu)，煙氣流過時(shí)形成渦旋，飛灰容易形成橋接；增加?xùn)鸥駥挾确较蚓嚯x后，整流效果又不理想。針對這一矛盾，雙層整流器結(jié)構(gòu)采用上層粗調(diào)下層細(xì)調(diào)的思路，避免飛灰沉積的同時(shí)保證甚至提高了整流效果。如圖7 所示，上層結(jié)構(gòu)以寬度方向的板式框架為主，主要目的是對煙氣來流進(jìn)行流向的整理，將煙氣流向變成豎直；下層結(jié)構(gòu)則跟傳統(tǒng)整流柵格相似，但是因?yàn)橛猩蠈咏Y(jié)構(gòu)預(yù)先對煙氣進(jìn)行了梳理，在下層的柵格中煙氣避免了劇烈的渦旋運(yùn)動(dòng)，飛灰也更不容易在下層沉積。

雙層整流器通過精細(xì)計(jì)算和設(shè)計(jì)，物料成本基本與傳統(tǒng)整流柵格持平，但是運(yùn)行效果比后者要優(yōu)良很多。

圖6 傳統(tǒng)整流器柵格結(jié)構(gòu)

圖7 雙層整流器柵格結(jié)構(gòu)

2.3.2 應(yīng)用情況

湖南某電廠2×315 MW 機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的催化劑積灰和局部塌方現(xiàn)象，現(xiàn)場調(diào)查后發(fā)現(xiàn)整流柵格本身積灰和磨損嚴(yán)重，因而造成了催化劑層入口局部均勻性差，出現(xiàn)積灰和吹損情況。經(jīng)詳細(xì)計(jì)算，并考慮防磨措施，項(xiàng)目安裝了雙層整流器結(jié)構(gòu)。如圖8 所示，根據(jù)實(shí)際工程改造前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析計(jì)算，顯示了催化劑層飛灰分布在兩種整流器結(jié)構(gòu)下對比，圖8（a）是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖8（b）是雙層結(jié)構(gòu)，新型結(jié)構(gòu)下催化劑層入口的飛灰分布更均勻，計(jì)算結(jié)果表明，雙層新結(jié)構(gòu)整流器下催化劑層入口截面的速度場也更均勻。運(yùn)行一年多并未再出現(xiàn)之前所反饋問題。

圖8 催化劑層飛灰分布在兩種整流器結(jié)構(gòu)下對比

3 結(jié)語

針對目前高效脫硝系統(tǒng)面臨的煙道流場均勻性提升、避免反應(yīng)器積灰等問題，本文提出了有效的解決方案，并在工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證。

大尺度混合器可以極大改善SCR 入口煙氣的均勻性，避免爐內(nèi)燃燒因素及SNCR 投運(yùn)帶來的負(fù)面影響，降低后期還原劑混合的難度。

新型均流器對AIG 入口煙氣均勻性進(jìn)行了精細(xì)化調(diào)節(jié)，可以將煙氣均勻性偏差控制在±10%以內(nèi)；

雙層整流器的應(yīng)用避免了高灰工程脫硝反應(yīng)器的易積灰風(fēng)險(xiǎn)，有效保護(hù)催化劑運(yùn)行安全。