電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)值模擬

楊競

（中國計量學(xué)院浙江杭州310000）

電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)值模擬

楊競

（中國計量學(xué)院浙江杭州310000）

本文以某電廠300MW鍋爐的選擇性催化還原（SCR）反應(yīng)系統(tǒng)為研究對象，利用計算流體力學(xué)軟件對不同機(jī)構(gòu)下SCR反應(yīng)器的脫硝性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對數(shù)據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。

煙氣脫硝；導(dǎo)流板；數(shù)值模擬

我國能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“富煤、缺油、少氣”的特征，因此在未來一段時期內(nèi)，我國內(nèi)動力能源消耗都仍然以煤炭為主。煤炭燃燒中會產(chǎn)生NOx、NOx以及煙塵等污染物，這些污染物會給環(huán)境帶來極大的負(fù)面影響，同時隨著低碳經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)等發(fā)展理念得到人們廣泛認(rèn)同，對NOX排放的控制工作已經(jīng)成為了社會發(fā)展的重要問題。目前，在國際中應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)主要為SCR脫硝法，這一技術(shù)具有顯著的應(yīng)用優(yōu)點：（1）由于SCR脫硝法在實際操作過程中應(yīng)用了催化劑，因此其對反應(yīng)溫度的要求則相對較低；（2）SCR脫硝法在所有煙氣凈化技術(shù)中能夠獲得較高的凈化率，通常能夠達(dá)到90%以上，這是SCR脫硝法得到國際上廣泛認(rèn)同的一個重要原因[1]；（3）具有較高的運行穩(wěn)定性，SCR脫硝法的工藝設(shè)備使用較為緊湊，且具有較高的運行穩(wěn)定性與安全性；（4）經(jīng)過SCR脫硝法技術(shù)處理后的氮氣能夠直接釋放到大氣環(huán)境中，且不會對環(huán)境造成二次污染。雖然SCR脫硝法在實際應(yīng)用中具有較多優(yōu)點，但其在污染物排放方面仍然存在一定的不足，需要對其展開進(jìn)一步的研究[2]。

國內(nèi)學(xué)者在研究脫硝系統(tǒng)硫場分布情況、煙氣與氨混合均勻程度對催化劑的壽命影響、混合煙氣在催化劑作用下的反應(yīng)情況時，多采用數(shù)值模擬的研究方法進(jìn)行研究，毛劍宏等利用數(shù)值模擬以及冷態(tài)試驗對脫硫系統(tǒng)硫場進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化；凌忠錢等雪珍針對300MW鍋爐SCR系統(tǒng)導(dǎo)流板進(jìn)行了多冊的優(yōu)化，最終得到了能夠符合設(shè)計需求的具體方案；楊超等學(xué)者則對渦流混合器進(jìn)行了深入的探究，并對其煙道設(shè)置的優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)值模擬，從而得到而來渦流混合器煙道設(shè)置的最佳方案[3]。本文也以某電廠300MW燃煤鍋爐的SCR反應(yīng)系統(tǒng)為研究對象，展開了對系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)值模擬工作，希望能夠通過本文的研究，得到該電廠300MW燃煤鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)的最佳設(shè)置。

1 計算模型與數(shù)值模擬方案

1.1 計算模型

某電廠300MW燃煤鍋爐的SCR煙道設(shè)計要求達(dá)到：噴氨格柵上游煙氣速度偏差≤15%，煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器的流速偏差< 15%，入口煙氣流向偏差≤±10°；氨氮比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%，入口溫度分布偏差≤±10K，3層催化劑全部安裝后裝置的總壓降不超過1000Pa。

1.2 數(shù)值模擬方案

在數(shù)值模擬方案過程中，由于SCR反應(yīng)器的煙道存在多個面積較大的擴(kuò)口段，因此為了更好的確定不同擴(kuò)口段對系統(tǒng)脫硫率的影響，需要進(jìn)行多次建模處理，從而根據(jù)結(jié)果獲得最佳的導(dǎo)流板布置方案。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 無導(dǎo)流板時SCR反應(yīng)器的數(shù)值模擬

計算結(jié)果表明，第一層催化劑入口處的速度偏差系數(shù)為31.9%，氨氮比分布偏差達(dá)到11.0%，速度和NH3體積分?jǐn)?shù)分布存在嚴(yán)重不均問題，這些問題直接導(dǎo)致SCR反應(yīng)器的脫硝效率無法達(dá)到預(yù)期，僅為72.5%，氨逃逸率也較高，達(dá)到了2.4×10-5，無法滿足設(shè)計需求。

2.2 初始方案SCR反應(yīng)器的數(shù)值模擬

2.2.1 初始方案一

初始方案是在電站鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)的煙道入口、流動調(diào)整氣之間以及煙氣流速變化較大的增加了導(dǎo)流板，從而希望能夠達(dá)到對SCR脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化目的。但初始方案并沒有獲得預(yù)期的優(yōu)化效果。

2.2.2 初始方案二

為了解決煙道內(nèi)氣流的偏斜問題，初始方案二在方案一的基礎(chǔ)上將導(dǎo)流板2的長度進(jìn)行了加長，并優(yōu)化設(shè)計了導(dǎo)流板2的出口間隙，經(jīng)實驗操作發(fā)現(xiàn)，這種方案仍然無法解決煙道內(nèi)的流速分布不均問題，且仍然存在氣流傾斜問題。

2.2.3 初始方案三

初始方案三是在方案二的基礎(chǔ)上，在導(dǎo)流板3之前增加了一段直板引導(dǎo)段，其目的是為了更好的優(yōu)化在上升煙道內(nèi)部的煙氣流速分布情況。經(jīng)過實踐操作，發(fā)現(xiàn)初始方案3能夠顯著改善上升煙道內(nèi)的煙氣流速分布情況，且其NH3體積分?jǐn)?shù)的偏差也有了較大的降低，但其也存在一定的不足：第一層催化劑入口處的氨氮分布偏差仍然無法降低到所要求的數(shù)值之下。

2.3 最終方案SCR反應(yīng)器的數(shù)值模擬

在之前模擬的三種初始方案的基礎(chǔ)上，最終方案采取了在SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流板2出的擴(kuò)口段后方、導(dǎo)流板3的前方再加入一塊導(dǎo)流板。經(jīng)過實踐操作，最終方案能夠有效消除前述三種方案存在的速度分布不均勻等情況，使得煙道內(nèi)流場得到更好的優(yōu)化，并使得NH3體積分?jǐn)?shù)分布數(shù)值也更加合理，該方案的相關(guān)實驗參數(shù)都符合設(shè)計要求，這表明最終方案已經(jīng)實現(xiàn)了對電場SCR脫硝系統(tǒng)的最佳優(yōu)化。

3 結(jié)語

本文針對某電廠300MW鍋爐的選擇性催化還原（SCR）反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，經(jīng)過方案一、二、三的嘗試，最終方案最終使系統(tǒng)各項參數(shù)達(dá)到了設(shè)計要求。

[1]凌忠錢,曾憲陽,胡善濤,周昊,岑可法.電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)值模擬[J].動力工程學(xué)報,2014,01:50-56.

[2]旋繼新,馬素紅.燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)控制及優(yōu)化[A].中國節(jié)能協(xié)會熱電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.2016燃煤電廠超低排放形勢下SCR(SNCR)脫硝系統(tǒng)運行管理及氨逃逸與空預(yù)器堵塞技術(shù)交流研討會論文集[C].中國節(jié)能協(xié)會熱電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,2016:8.

[3]李德波,徐齊勝,廖永進(jìn),曾庭華,沈躍良,劉亞明,溫智勇.中國電站鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)服役過程中運行規(guī)律研究[A].中國節(jié)能協(xié)會熱電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.2016燃煤電廠超低排放形勢下SCR(SNCR)脫硝系統(tǒng)運行管理及氨逃逸與空預(yù)器堵塞技術(shù)交流研討會論文集[C].中國節(jié)能協(xié)會熱電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,2016:7.