某電廠脫硝流場優(yōu)化的研究與應(yīng)用

廖大兵 劉求陽 崔乘亮 徐兵

摘要：SCR脫硝的核心裝置是脫硝催化劑，為完全發(fā)揮催化劑的催化效果，需要保證系統(tǒng)的流場分布非常均勻，將氣體擴(kuò)散理論和表面化學(xué)反應(yīng)理論應(yīng)用于煙氣脫硝應(yīng)過程，建立反應(yīng)速率模型，改善SCR性能的方法與措施，用均布導(dǎo)流板優(yōu)化入口煙道流場和用放射排列直板導(dǎo)流板結(jié)合整流器優(yōu)化反應(yīng)器流場的方案，確定并驗(yàn)證機(jī)組入口煙道、反應(yīng)器的流場優(yōu)化方案，消除SCR反應(yīng)器催化劑入口速度不均的現(xiàn)象，延長催化劑使用壽命，提高脫硝效率。

關(guān)鍵詞：脫硝；流場；優(yōu)化

1 前言

對于SCR脫硝反應(yīng)裝置而言其核心是脫硝催化劑，在催化劑的作用下煙氣中的NOx與NH3快速反應(yīng)生成N2和H2O。為完全發(fā)揮催化劑的催化效果，需要保證系統(tǒng)的流場分布非常均勻，包括溫度分布、氨氣和氮氧化物的分布、流速分布等，另外為了保證SCR脫硝反應(yīng)器能夠長期有效地運(yùn)行，煙道內(nèi)不能積灰，積灰嚴(yán)重會造成堵塞，使設(shè)備壓損增大，并且影響后續(xù)設(shè)備的使用壽命，還直接影響脫硝效率。

目前，脫硝主要采用選擇性催化還原（SCR）工藝煙氣脫硝系統(tǒng)，SCR反應(yīng)器布置在省煤器與空預(yù)器之間的高含塵區(qū)域，國內(nèi)較多燃煤電廠脫硝裝置存在堵塞和塌方的現(xiàn)象，某電廠脫硝裝置運(yùn)行五年后，也發(fā)現(xiàn)催化劑存在局部塌陷的現(xiàn)象，且脫硝出口不同位置的NOx濃度偏差較大，氨逃逸有超過3ppm的現(xiàn)象。通過現(xiàn)場查看催化劑磨損和塌陷導(dǎo)致出現(xiàn)催化劑磨損和塌陷的主要原因是催化劑層速度不均勻系數(shù)偏大。因此通過對現(xiàn)有導(dǎo)流板布置情況下，反應(yīng)器內(nèi)速度場數(shù)值模擬研究，得到速度場分布的規(guī)律，尤其是第一層催化劑上截面速度分布不均勻系數(shù)，找到催化劑磨損和塌陷的原因，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高脫硝效率和催化劑壽命。

2 流場試驗(yàn)及數(shù)據(jù)

為了解該電廠脫硝流場的實(shí)際情況及速度場分布的規(guī)律，對脫硝裝置第一層催化劑上方新增了流場測試點(diǎn)，并在330MW和300MW兩種工況下對脫硝裝置的進(jìn)出口進(jìn)行了流場測試，測試結(jié)果顯示催化劑上方流場極不均勻，偏差較大。同時(shí)，采用網(wǎng)格法對脫硝出口不同位置的NOx進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)NOX相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，見表1。

流場不均勻，引起NOX相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，不僅影響脫硝效率，造成液氨的大量浪費(fèi)，還會使氨逃逸增加，極容易引起空預(yù)器的堵塞。因此，需要進(jìn)行脫硝導(dǎo)流板的優(yōu)化改進(jìn)。

建立模型與理論研究

利用模型通過流場模擬來確定SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)件是一種很好的設(shè)計(jì)方式， 該方式的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一種能夠真實(shí)反映出模擬SCR脫硝系統(tǒng)流場狀況組合系統(tǒng)。脫硝裝置在國內(nèi)應(yīng)用較晚，對脫硝流場優(yōu)化研究較少。提高脫硝效率、延長催化劑壽命是目前的研究熱點(diǎn)。結(jié)合測試數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，可為脫硝反應(yīng)器煙道、導(dǎo)流板及噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供重要依據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 建立模型理論依據(jù)

催化劑層速度不均勻系數(shù)其定義式為：

xi為每個(gè)測點(diǎn)的參數(shù)值，x為平均值，偏差值越小，速度分布均勻性就越好。在工程應(yīng)用中，通常要求催化劑入口截面處速度分布的最大偏差要小于15%。

圖1為數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域以及坐標(biāo)系統(tǒng)。數(shù)值模擬坐標(biāo)原點(diǎn)定義在圖1所示位置。為了方便描述導(dǎo)流板所在的位置，第一層催化劑上面位置處的導(dǎo)流板定義為右上角位置。

數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域選取從省煤器出口要反應(yīng)器出口，整個(gè)數(shù)值模擬網(wǎng)格規(guī)模為100萬網(wǎng)格點(diǎn)。

結(jié)合設(shè)計(jì)及工廠經(jīng)驗(yàn)，初步擬定導(dǎo)流板優(yōu)化改進(jìn)方案為：在原有7塊弧形導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上，反應(yīng)器左上角增加直形導(dǎo)流板，反應(yīng)器右上角導(dǎo)流板之間增加1塊弧-直型導(dǎo)流板，共增加8塊弧-直型導(dǎo)流板。

建立數(shù)值模型后，借助試驗(yàn)軟件，下一步進(jìn)行建模分析及驗(yàn)證。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過計(jì)算得到，第一層催化劑入口截面上速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為10%，偏差較小，已經(jīng)完全滿足優(yōu)化的要求。

4優(yōu)化效果

脫硝導(dǎo)流板優(yōu)化完成，在機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)月后，對脫硝裝置的流場和性能進(jìn)行了測試。試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定，保證鍋爐運(yùn)行方式不變，在脫硝反應(yīng)器入口煙道進(jìn)行煙氣流速場測試。根據(jù)測試結(jié)果，入口流速場相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.68%。

同時(shí)，對脫硝出口NOx濃度進(jìn)行了測試，在保證氨逃逸穩(wěn)定且不超標(biāo)的前提下，發(fā)現(xiàn)出口NOx相對分布均勻，出口NOX相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.36%，對比優(yōu)化調(diào)整前測試數(shù)據(jù)， 出口NOX相對標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯減小。

5結(jié)論及建議化

結(jié)合某電廠催化劑局部坍塌、脫硝出口濃度不均的問題，結(jié)合試驗(yàn)測試及建模理論分析，得出脫硝流場不均勻，速度偏差較大，并進(jìn)行了優(yōu)化脫硝導(dǎo)流板的改進(jìn)措施。實(shí)施后，經(jīng)試驗(yàn)測量，脫硝流場得到優(yōu)化，反應(yīng)器入口流速場相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.68%；對脫硝反應(yīng)器出口各點(diǎn)NOx濃度進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)脫硝出口NOx濃度變得更加均勻，相對偏差降低到9.36%。通過對脫硝流場的優(yōu)化，徹底滿足反應(yīng)器速度分布偏差系數(shù)CV≤15%的要求，有效延長催化劑使用壽命，提高脫硝效率，減少氨逃逸，節(jié)省噴氨量，有效防止空預(yù)器堵塞等問題，對于電廠節(jié)能減排具有良好的作用。

作者簡介：

廖大兵（1981年），男，華潤電力控股有限公司，主任工程師，碩士，工程師。

劉求陽（1972年），男，華潤電力控股有限公司華南大區(qū)，副總經(jīng)理，碩士，工程師。

崔乘亮（1971年），男，廣州華潤熱電有限公司，副總經(jīng)理，本科，工程師。

徐兵（1987年），男，廣州華潤熱電有限公司，節(jié)能工程師，本科，初級工程師。