大型燃煤機(jī)組SCR裝置超低排放改造流場(chǎng)優(yōu)化

鄭 妍，姚 宣，王冬生，陳訓(xùn)強(qiáng)，李曉金

(北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司 北京市火電廠煙氣凈化工程技術(shù)研究中心，北京 100039)

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)煤電行業(yè)全面落實(shí)“節(jié)約、清潔、安全”的能源戰(zhàn)略方針，燃煤機(jī)組污染物排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。2015年7月環(huán)境能源局、發(fā)改委和環(huán)保部聯(lián)合發(fā)文，要求燃煤電廠全面實(shí)施超低排放，即在6%基準(zhǔn)氧含量條件下，NOx排放質(zhì)量濃度低于50 mg/Nm3，這意味著脫硝設(shè)備要達(dá)到接近或超過(guò)90%的脫硝效率，對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

經(jīng)驗(yàn)表明SCR裝置的脫硝效率通常不高于85%[1-4]。在同等催化劑條件下，脫硝裝置為達(dá)到更高脫除效率，對(duì)還原劑/煙氣均勻混合程度的要求呈指數(shù)型上升[5-6]。提升還原劑與煙氣的混合質(zhì)量、提高脫硝系統(tǒng)對(duì)來(lái)流工況的抗干擾性是實(shí)現(xiàn)SCR穩(wěn)定超低排放的兩大核心要素[7]。因此亟需開(kāi)發(fā)適用于脫硝超低排放的噴氨混合裝置，結(jié)合煙道內(nèi)整流構(gòu)件設(shè)計(jì)，提升煙氣流場(chǎng)的均勻性和適應(yīng)性。目前國(guó)內(nèi)在役實(shí)現(xiàn)“超低排放”的燃煤機(jī)組普遍出現(xiàn)性能不穩(wěn)定、氨逃逸超標(biāo)等問(wèn)題[8-10]，根本原因在于煙道截面大，而還原劑噴射量相比煙氣量極小，很難實(shí)現(xiàn)充分混合，使得反應(yīng)器內(nèi)部分區(qū)域氨供應(yīng)不足，而部分區(qū)域氨過(guò)量，導(dǎo)致整體效率和氨逃逸不達(dá)標(biāo)，造成空預(yù)器壓差過(guò)高、堵塞等問(wèn)題。對(duì)于負(fù)荷頻繁波動(dòng)的調(diào)峰機(jī)組，氨的噴射無(wú)法適應(yīng)煙氣來(lái)流變化，上述問(wèn)題會(huì)更加突出[11-12]。

目前還原劑噴射裝置有2種技術(shù)：① 噴氨格柵：湯元強(qiáng)等[13]在SCR工藝性能研究過(guò)程中采用噴氨格柵的方式，實(shí)現(xiàn)氨氣和煙氣的均勻摻混，噴嘴口徑小、數(shù)目多，高溫高塵條件下易發(fā)生飛灰堵塞，不具備調(diào)整來(lái)流均勻性的能力。② 駐渦型噴氨混合器：楊超等[14]采用基于駐渦混合機(jī)理的還原劑混合裝置探究氨氣混合效果，噴管數(shù)目少、口徑大，具備調(diào)整來(lái)流均勻性的能力，能主動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)流氮氧化物濃度、速度、溫度的偏差。

雷達(dá)和金保升[15]利用經(jīng)冷態(tài)模型校驗(yàn)過(guò)的SCR數(shù)值模型，研究噴氨格柵處煙氣速度場(chǎng)對(duì)SCR均流與還原劑混合性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用噴氨格柵方式的SCR技術(shù)較依賴(lài)導(dǎo)流板的布置方式和布置位置，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)不同會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生不同作用，并影響不同負(fù)荷下煙氣混合效果。李壯揚(yáng)等[16]以某電廠660 MW亞臨界燃煤機(jī)組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣流動(dòng)以及噴氨分布均勻性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整噴氨格柵煙道內(nèi)均流部件對(duì)速度、濃度均勻性有顯著改善作用，通過(guò)分析流場(chǎng)不均勻性得到的分區(qū)噴氨方法能夠進(jìn)一步優(yōu)化NH3在煙道中分布，因此整體系統(tǒng)噴氨控制精度需求較高，運(yùn)行較復(fù)雜。此外，噴氨格柵管長(zhǎng)期受煙氣直接沖擊造成噴氨格柵管磨損嚴(yán)重。現(xiàn)有的噴氨格柵管一般直接鉆孔供噴氨使用，磨損較嚴(yán)重易發(fā)生噴氨不均勻、噴孔堵塞等問(wèn)題。駐渦型噴氨混合器則不能實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)控。

針對(duì)上述問(wèn)題，吸取噴氨格柵的優(yōu)點(diǎn)和駐渦型噴氨混合器特點(diǎn)，研發(fā)多維度駐渦型脫硝噴氨混合裝置，利用較少的大口徑噴嘴，實(shí)現(xiàn)大截面煙道內(nèi)煙氣與還原劑的均勻摻混，同時(shí)具備調(diào)整來(lái)流均勻性的能力。通過(guò)設(shè)置整流裝置，進(jìn)一步調(diào)整速度場(chǎng)均勻性，避免偏流對(duì)混合及脫硝反應(yīng)造成影響，充分發(fā)揮催化劑的能力，避免堵塞、磨損。

1 計(jì)算模型

1.1 機(jī)組情況

本文以某660 MW國(guó)產(chǎn)燃煤超臨界參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組脫硝裝置改造為例開(kāi)展研究。脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原脫硝技術(shù)(SCR)，SCR煙氣脫硝技術(shù)的還原劑選用液氨蒸發(fā)工藝，在設(shè)計(jì)及校核煤種、鍋爐最大工況(BMCR)、100%煙氣量條件下，脫硝效率不低于91.7%。脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)入口NOx質(zhì)量濃度600 mg/Nm3，脫硝反應(yīng)器出口處煙氣中NOx質(zhì)量濃度不大于50 mg/Nm3，1臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)脫硝反應(yīng)器，每臺(tái)反應(yīng)器催化劑層數(shù)按2+1設(shè)置(2層運(yùn)行，預(yù)留1層備用，預(yù)留層布置在反應(yīng)器底部)，煙氣垂直向下通過(guò)催化塊層。反應(yīng)器進(jìn)口煙溫約373 ℃，因噴入混合氣以及煙道、反應(yīng)器散熱，出口煙溫約369 ℃。

1.2 計(jì)算模型

機(jī)組原脫硝反應(yīng)器、煙道三維建模根據(jù)實(shí)際煙道結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建如圖1所示，充分考慮導(dǎo)流板、噴氨管、駐渦型噴氨混合器、整流格柵及催化劑層對(duì)煙氣流場(chǎng)和煙氣組分的影響。計(jì)算整體范圍從省煤器出口到空氣預(yù)熱器進(jìn)口，計(jì)算模型入口與省煤器出口煙道連接，計(jì)算模型出口與空預(yù)器進(jìn)口煙道連接。模型按照實(shí)際尺寸設(shè)置，反應(yīng)器長(zhǎng)寬高分別為11.1、15.1和19.53 m，噴氨處煙道尺寸3.1 m×15.15 m。

圖1 SCR反應(yīng)器計(jì)算模型Fig.1 SCR calculation model

原脫硫裝置在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)氨氮分布不均，過(guò)量噴氨，下游催化劑堵塞、磨損，空預(yù)器堵塞等問(wèn)題。針對(duì)原有系統(tǒng)還原劑混合不均勻及速度場(chǎng)不均問(wèn)題，提出改造方案為：入口煙道設(shè)整流裝置；采用多維度駐渦噴氨混合裝置，反應(yīng)器頂部設(shè)整流裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化改造后SCR系統(tǒng)反應(yīng)器模型Fig.2 SCR simulation model after optimization

通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)某660 MW火電機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)改造前后進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比[17-19]，研究煙氣在煙道各位置流動(dòng)、變化和相互混合的過(guò)程，同時(shí)研究駐渦型噴氨混合器對(duì)煙氣流場(chǎng)及脫硝還原劑分布混合的效果，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行針對(duì)性?xún)?yōu)化，以設(shè)計(jì)適合催化劑安全、高效、穩(wěn)定反應(yīng)的SCR煙道結(jié)構(gòu)。

1.3 模型設(shè)置

計(jì)算中使用的基本假設(shè)包括[20-21]：① 計(jì)算負(fù)荷為100%BMCR；② 煙道模型進(jìn)口的煙氣速度在進(jìn)口截面均勻分布(16.18 m/s)，且溫度分布均勻(373 ℃)；③ 煙道壁面絕熱，且內(nèi)部沒(méi)有熱源和熱沉，因此，未噴氨時(shí)煙道內(nèi)溫度處處均勻；④ 煙道模型出口斷面處壓力分布均勻；⑤ 催化劑層和整流格柵用多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化，用各向異性的方法對(duì)催化劑層的阻力特性進(jìn)行定義，采用2+1層催化劑床層。湍流模型采用Standardk-ε，壁面函數(shù)采用Standard wall functions。模型采用混合網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格單元數(shù)約150萬(wàn)，在噴氨管和駐渦型噴氨混合器采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他計(jì)算區(qū)域利用規(guī)則的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。另外，在特殊區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如導(dǎo)流板、噴氨管和駐渦型噴氨混合器等。煙道模擬運(yùn)行工況為BMCR 100%的煙氣量，物性參數(shù)、噴氨系統(tǒng)參數(shù)參考上述參數(shù)設(shè)定[22]，且各噴氨支管流量相同。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 原脫硝系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

改造前煙道不同位置的NH3分布如圖3所示。原脫硝裝置由于入口水平煙道設(shè)有張角較大的擴(kuò)徑段，引起下游煙道左右側(cè)煙氣流量不均，進(jìn)而造成脫硝反應(yīng)器左右側(cè)出現(xiàn)較大的氨氣分布偏差。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，脫硝入口來(lái)流條件變化時(shí)，來(lái)流擾動(dòng)會(huì)驅(qū)使還原劑氨分布的偏差進(jìn)一步放大，進(jìn)而造成脫硝裝置效率降低或氨逃逸排放過(guò)高。由于該裝置噴氨混合器后豎直混合段煙道較短，停留時(shí)間短，對(duì)還原劑與煙氣的混合要求更高。

圖3 改造前煙道不同位置的NH3分布Fig.3 NH3 distribution of different areas before optimization

2.2 優(yōu)化改造方案計(jì)算結(jié)果

根據(jù)電廠需求，綜合成本和效果分析，確定改造方案如下：采取分級(jí)多效混合、多排分區(qū)、強(qiáng)制整流的優(yōu)化思路，在原脫硝裝置內(nèi)，通過(guò)升級(jí)駐渦噴氨混合裝置、增設(shè)豎井煙道頂部彎頭擾流板，強(qiáng)化氨氣與煙氣的混合，顯著改善了催化劑入口還原劑的均勻性；在脫硝反應(yīng)器上部增設(shè)整流裝置，改善反應(yīng)器內(nèi)前后墻流速偏差，提高煙氣流動(dòng)的均勻性，緩解催化劑表面積灰、磨損等問(wèn)題；在入口煙道擴(kuò)徑段前設(shè)導(dǎo)流板，調(diào)整該處的速度場(chǎng)，緩解側(cè)部煙道積灰及噴氨混合器前煙氣偏流問(wèn)題。

改造優(yōu)化方案NH3分布模擬結(jié)果如圖4所示，可知無(wú)論是縱截面還是第1層催化劑入口，NH3分布均勻性較改造前顯著提升。由于煙道截面較寬，改造前單排噴氨裝置覆蓋面積有限，脫硝反應(yīng)器前后方向出現(xiàn)較大的氨氣分布偏差。優(yōu)化改造方案設(shè)有2排渦流混合裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煙道截面噴氨的分區(qū)控制，進(jìn)而提高氨氣在煙氣中分布的均勻性，優(yōu)化噴氨系統(tǒng)調(diào)節(jié)性，且在下游增設(shè)擾流板，利用強(qiáng)制擾流進(jìn)一步加強(qiáng)氨氣與煙氣的混合，顯著改善催化劑入口還原劑的均勻性，從而達(dá)到提高脫硝效率、降低氨逃逸的目的。

圖4 改造后煙道不同位置的NH3分布Fig.4 NH3 distribution of different areas after optimization

此外，煙氣流場(chǎng)的組織是影響煙道阻力分布、速度均勻性和煙氣組分摻混程度的重要因素。受現(xiàn)場(chǎng)情況限制，原脫硝煙道入口設(shè)有張角較大的擴(kuò)徑段，導(dǎo)致煙氣偏流嚴(yán)重。相比噴氨格柵，駐渦噴氨混合裝置本身具有整流效果，具備一定的負(fù)荷自適應(yīng)性。改造方案通過(guò)在脫硝裝置進(jìn)口煙道前設(shè)置導(dǎo)流葉片，強(qiáng)制改善來(lái)流煙氣分布的均勻性，使駐渦混合器前端的截面速度分布相對(duì)均勻，均勻的速度場(chǎng)能夠提高駐渦型噴氨混合器的混合效果。為了保證進(jìn)入催化劑的速度場(chǎng)均勻，在脫硝反應(yīng)器上部同時(shí)增設(shè)整流裝置。

改造后的煙氣流線圖如圖5所示，可知煙氣在煙道內(nèi)的流動(dòng)較為平滑，進(jìn)入脫硝反應(yīng)器前，氣流在導(dǎo)流葉片和頂部擾流管作用下，經(jīng)過(guò)整流格柵后，煙氣方向轉(zhuǎn)為向下，速度方向較為一致，分布更加均勻。

圖5 煙道內(nèi)煙氣流線Fig.5 Streamline of the flue gas

2.3 優(yōu)化改造結(jié)果

脫硝煙道反應(yīng)器優(yōu)化后，BMCR工況下第1層催化劑上表面的速度、煙氣入射角度和氨濃度均值、方差見(jiàn)表1?？芍獌?yōu)化改造后速度分布的不均勻性為6.6%，小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15%；氨濃度分布的不均勻性為4.9%，小于5%；煙氣入射角小于10°，全部滿足超低排放要求的煙道流場(chǎng)設(shè)計(jì)要求。

表1 改造后脫硝系統(tǒng)特征參數(shù)

為驗(yàn)證CFD理論研究結(jié)果的可靠性，對(duì)改造后660 MW機(jī)組脫硝裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。在660 MW滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，沿脫硝反應(yīng)器出口煙道的長(zhǎng)度方向取6～7個(gè)測(cè)孔，用網(wǎng)格法分別測(cè)量反應(yīng)器出口NOx、氨逃逸濃度，結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 實(shí)測(cè)脫硝裝置出口NOx濃度Fig.6 Measured NOx concentration at the outlet of the SCR reactor

圖7 實(shí)測(cè)脫硝裝置出口氨逃逸濃度Fig.7 Measured ammonia escape concentration at the outletof the SCR reactor

由圖6、7可知，改造后脫硝裝置出口NOx濃度總體分布非常均勻，平均濃度低于超低排放限值，且氨逃逸濃度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值3×10-6，說(shuō)明經(jīng)過(guò)流場(chǎng)優(yōu)化改造后，進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，煙氣與還原劑混合均勻，保證了脫硝效率，同時(shí)減少氨逃逸及還原劑耗量，減緩下游空預(yù)器堵塞，降低機(jī)組運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

3 結(jié) 論

1)針對(duì)某660 MW超臨界煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)研究煙氣和氨氣在SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)的混合過(guò)程，針對(duì)現(xiàn)有噴氨優(yōu)化系統(tǒng)問(wèn)題，提出了基于入口煙道設(shè)整流裝置，采用分級(jí)多效駐渦混合裝置、反應(yīng)器頂部設(shè)整流裝置的改造方案。

2)依據(jù)CFD模擬計(jì)算結(jié)果，本文提出的SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可充分實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)分布和NH3/NOx充分混合，即反應(yīng)器內(nèi)第1層催化劑入口截面煙氣速度不均勻性低于15%；第1層催化劑的煙氣入射角低于10°；SCR反應(yīng)器第1層催化劑所在入口截面NH3/NOx混合不均勻性低于5%。

3)原脫硝裝置改造后，在脫硝裝置出口進(jìn)行網(wǎng)格化測(cè)量NOx濃度和氨逃逸濃度，驗(yàn)證了改造方案的可靠性。本文提出的流場(chǎng)升級(jí)改造思路及方法對(duì)指導(dǎo)大型燃煤機(jī)組SCR系統(tǒng)超低排放改造具有借鑒意義。