SCR區(qū)域噴氨的NH3分布與均勻性調(diào)整

陶莉，肖育軍

1.高效清潔火力發(fā)電技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院

3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華中電力試驗(yàn)研究院有限公司

隨著單臺(tái)鍋爐容量與煙氣量的增加,選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)煙道截面顯著增大,在入口煙道連續(xù)的90°與180°拐角與彎道,以及橫向與縱向傾斜擴(kuò)張[1-3]結(jié)構(gòu)的影響下,煙氣在噴氨格柵區(qū)域?yàn)椴痪鶆蛐苑植糩4-5],這使得噴氨格柵的區(qū)域噴氨量分布難以確定[6]。而區(qū)域噴氨量與煙氣NOx分布的不一致,是導(dǎo)致出口煙道截面上一些區(qū)域NOx濃度超標(biāo),而另一些區(qū)域NH3逃逸率高的根本原因[7]。目前,SCR出口煙道的在線煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)采用單點(diǎn)監(jiān)測(cè)或2~3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分別抽取煙氣樣品組成混合樣來對(duì)煙氣組分進(jìn)行監(jiān)測(cè),易出現(xiàn)因監(jiān)測(cè)點(diǎn)位不具代表性,而使CEMS監(jiān)測(cè)值不能真實(shí)反映污染物濃度與設(shè)備運(yùn)行狀況[8],導(dǎo)致噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)依據(jù)CEMS監(jiān)測(cè)值做出的調(diào)整策略反而加重SCR系統(tǒng)的異常運(yùn)行(區(qū)域NOx濃度超標(biāo)與區(qū)域逃逸NH3嚴(yán)重),并引起空預(yù)器、布袋快速堵塞等故障[9]。

為提高SCR系統(tǒng)運(yùn)行的高效性與穩(wěn)定性,多數(shù)學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注對(duì)SCR裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與催化劑的研究[10-11],而對(duì)系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整原理的具體實(shí)施研究甚少。區(qū)域噴氨量調(diào)整的原理是使煙道中NH3和NOx等均勻混合,實(shí)現(xiàn)調(diào)整的2個(gè)依據(jù):1)依據(jù)噴氨格柵區(qū)域煙氣的速度分布與煙氣中NOx濃度來調(diào)整區(qū)域噴氨量；2)依據(jù)出口監(jiān)測(cè)截面NOx濃度分布來調(diào)整區(qū)域噴氨量。不同的噴氨格柵結(jié)構(gòu)把入口煙道劃分為不同的區(qū)域[12],而區(qū)域內(nèi)煙氣的平均速度難以確定,同時(shí),缺乏依據(jù)區(qū)域內(nèi)煙氣平均速度分布來計(jì)算噴氨量分布的理論公式；由于拐角、彎道與變截面的存在,使得出口監(jiān)測(cè)斷面上的區(qū)域與噴氨格柵支管間對(duì)應(yīng)關(guān)系難以確定,尤其是在催化劑層存在堵塞與破損的情況下,這種對(duì)應(yīng)關(guān)系更難確定。因此,噴氨調(diào)整過程中依據(jù)噴氨格柵區(qū)域的煙氣速度分布與出口監(jiān)測(cè)截面上NOx濃度分布來精準(zhǔn)調(diào)整區(qū)域噴氨量的原理一直難以實(shí)施。而在超潔凈排放NOx濃度低于50 mg∕m3與NH3逃逸濃度低于3×10－6等的要求下,任何SCR系統(tǒng)都需要對(duì)區(qū)域噴氨量進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)[12-13]。

數(shù)值計(jì)算是確定煙道內(nèi)煙氣分布的有效方法[6,14],同時(shí),其能方便地確定各區(qū)域內(nèi)煙氣的平均速度。因此,筆者以數(shù)值計(jì)算的方式[15]建立具有變截面煙道的某典型SCR系統(tǒng)的數(shù)值模型,研究單根噴氨格柵支管所噴NH3在出口監(jiān)測(cè)截面上的區(qū)域分布與區(qū)域噴氨格柵支管所噴NH3在SCR系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)軌跡；以及變負(fù)荷下,噴氨格柵區(qū)域煙氣的速度分布與NH3濃度分布差異；依據(jù)所建立的理論公式調(diào)整噴氨量后,對(duì)比分析均勻噴氨與不均勻噴氨所導(dǎo)致的出口監(jiān)測(cè)截面上NH3濃度的分布情況。以期為SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整與出口截面在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的優(yōu)化改造提供指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)模型

建立的某典型SCR結(jié)構(gòu)模型與噴氨格柵結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出,由于空間上的限制導(dǎo)致入口水平煙道上具有單側(cè)擴(kuò)張結(jié)構(gòu),同時(shí),為引導(dǎo)煙氣在煙道與裝置內(nèi)均勻流動(dòng),系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了多處導(dǎo)流板與均流格柵,這不利于噴氨格柵各支管與出口截面S-2上的對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定。針對(duì)煙道橫向與縱向煙氣不均需要進(jìn)行噴氨量分布調(diào)整的情況,噴氨格柵結(jié)構(gòu)共有24根噴氨支管,分為4排6列,即把入口煙道分成了24個(gè)可以獨(dú)立控制噴氨量的區(qū)域,如支管1-Ⅱ表示第1排第Ⅱ列的噴氨支管。

圖1 典型SCR結(jié)構(gòu)模型與噴氨格柵結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical SCR structure model and ammonia injection grid structure

2 模型設(shè)置

裝置內(nèi)湍流的求解,采用時(shí)均控制方程結(jié)合湍流模型的方法,把湍流流動(dòng)看作平均流動(dòng)和脈動(dòng)流動(dòng)的疊加,其中脈動(dòng)流動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響通過湍流模型來計(jì)算[16-17]。考慮煙道中煙氣與NH3的混合特性,加入組分模型,催化劑層采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算[16-17]。數(shù)值模型中邊界條件以及湍流模型、多組分模型、多空介質(zhì)模型等參數(shù)設(shè)定的準(zhǔn)確性論證在前期研究中已完成[18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 NH 3的區(qū)域分布

噴氨支管所噴NH3在出口監(jiān)測(cè)截面上的分布特性及區(qū)域如圖2所示。從圖2可得,NH3濃度分布區(qū)域的形狀與噴氨支管的長(zhǎng)方形形狀特征顯著不同,噴氨支管所噴NH3的濃度以高濃度中心向周圍擴(kuò)散,這是由于流動(dòng)過程中NH3與煙氣的混合與擴(kuò)散作用所致。噴氨支管與出口監(jiān)測(cè)截面上均勻劃定的區(qū)域大多具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但NH3濃度分布中心整體有向上偏移的趨勢(shì),尤其是噴氨支管2-Ⅱ、2-Ⅲ、2-Ⅳ以及3-Ⅲ所噴NH3的濃度中心與正對(duì)應(yīng)區(qū)域發(fā)生了較大偏移,這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是在截面S-1上,第Ⅰ~Ⅵ列煙氣平均速度分布特征為高-低-高-低(速度為14~18 m∕s),但隨著煙氣的流動(dòng),這種不均勻性逐漸得到改善,即NH3隨著煙氣從噴氨格柵第Ⅰ列區(qū)域向第Ⅵ列區(qū)域流動(dòng)。同時(shí),支管4-Ⅱ、4-Ⅲ、4-Ⅳ所對(duì)應(yīng)區(qū)域上NH3濃度的擴(kuò)散表現(xiàn)為各向異性,這主要是因?yàn)闊煹琅c頂層催化劑上部后墻區(qū)域間的90°拐角導(dǎo)致該區(qū)域壓強(qiáng)低,促使區(qū)域間煙氣湍流混合加強(qiáng)。

圖2 噴氨支管所噴NH 3在出口截面上的分布區(qū)域與特性Fig.2 Distribution of the sprayed ammonia on the outlet section of the ammonia injection pipe and its regional correspondence

靠近壁面的噴氨支管所噴NH3在其對(duì)應(yīng)區(qū)域上的分布具有相同特征,即NH3濃度高的中心區(qū)域貼近壁面。這主要是因?yàn)閲姲敝Ч芩鶉奛H3在與煙氣混合的過程中會(huì)向附近區(qū)域擴(kuò)散,由于壁面的阻擋作用消除了那一側(cè)的擴(kuò)散效應(yīng),因此導(dǎo)致NH3濃度高的中心區(qū)域分布在對(duì)應(yīng)區(qū)域的近壁面。由于兩側(cè)壁面的阻擋作用,這種現(xiàn)象在支管1-Ⅰ、1-Ⅵ、4-Ⅰ與4-Ⅵ對(duì)應(yīng)區(qū)域中體現(xiàn)得最充分,這也導(dǎo)致這些區(qū)域NH3分布的中心濃度高于其他支管。

確定噴氨支管所噴NH3在出口截面上的分布區(qū)域,能建立各噴氨支管與出口監(jiān)測(cè)截面區(qū)域間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,這對(duì)精確調(diào)整噴氨支管噴氨量及對(duì)出口在線監(jiān)測(cè)全斷面取樣點(diǎn)的布設(shè)具有指導(dǎo)作用[19],同時(shí),根據(jù)調(diào)整后區(qū)域NOx濃度的變化,也能初步判斷其對(duì)應(yīng)噴氨支管是否發(fā)生堵塞。

經(jīng)上述分析可得,煙道結(jié)構(gòu)特性引起的煙氣混合與流場(chǎng)特性,將改變噴氨支管與出口截面區(qū)域間均勻劃分后的正對(duì)應(yīng)關(guān)系,增加了依據(jù)出口區(qū)域NOx濃度進(jìn)行支管噴氨量調(diào)整的復(fù)雜性與不確定性。

3.2 NH 3的運(yùn)動(dòng)軌跡

每一排中6根噴氨支管所噴NH3的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。從圖3可以看出,第1排與第4排NH3分別主要流經(jīng)催化劑前、后墻1∕4區(qū)域,因?yàn)榈?排與第4排噴氨支管所噴NH3的跡線分布嚴(yán)格受到導(dǎo)流板3與導(dǎo)流板5的限制,噴氨格柵縱向4排支管正好與煙道中被導(dǎo)流板3以及導(dǎo)流板5所分成的4個(gè)區(qū)域相對(duì)應(yīng)。其中第1排中噴氨格柵上部有少量高濃度的NH3跡線向煙道中間區(qū)域偏移,這主要是由于NH3從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散所致(噴氨支管1-Ⅵ區(qū)域?yàn)闊煔馑俣确植嫉牡退賲^(qū),均勻噴氨情況下,該區(qū)域NH3濃度較高),這也是第1排反應(yīng)區(qū)有少量高濃度NH3跡線的原因。第2排與第3排主要流經(jīng)反應(yīng)區(qū)中間1∕2區(qū)域,其運(yùn)動(dòng)跡線被導(dǎo)流板3限制在對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi),但受彎道與導(dǎo)流板4的影響,少量運(yùn)動(dòng)跡線沒有被導(dǎo)流板5限制在對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi),導(dǎo)致第2排與第3排噴氨格柵支管所噴NH3在反應(yīng)區(qū)內(nèi)分布比較分散。

圖3 橫向支管所噴NH 3的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Concentration trajectory of the sprayed ammonia by the lateral branch pipe

從上述分析得出,橫向支管所噴NH3的運(yùn)動(dòng)軌跡很好地被導(dǎo)流板限定在對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi),這種效應(yīng)限制了NH3的混合擴(kuò)散,但支管所噴NH3在出口監(jiān)測(cè)截面上分布區(qū)域不會(huì)太分散,有利于噴氨格柵支管與監(jiān)測(cè)截面區(qū)域間對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定,可根據(jù)出口監(jiān)測(cè)截面上NOx濃度來進(jìn)行精準(zhǔn)噴氨調(diào)整。

每一列中4根噴氨支管所噴NH3的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。從圖4可以看出,在均勻噴氨的情況下,第Ⅰ~Ⅵ列NH3濃度呈逐漸上升趨勢(shì),且在單列中這種趨勢(shì)也存在,如第Ⅴ列與第Ⅵ列。噴氨區(qū)域煙氣分布的不均勻性是導(dǎo)致該現(xiàn)象的根本原因,也是SCR系統(tǒng)需要進(jìn)行各區(qū)域噴氨量調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)NH3與NOx均勻性混合的原因。但由于第Ⅴ列與第Ⅵ列中某些支管所在區(qū)域的煙氣速度變化太劇烈,使得所采用的“工”字型噴氨支管結(jié)構(gòu)無法完全實(shí)現(xiàn)所控制區(qū)域NH3與NOx的均勻混合性。從圖4(b)~(e)可以發(fā)現(xiàn),NH3從噴嘴出來后發(fā)生明顯向左(NH3濃度高區(qū)域)偏移的趨勢(shì),這與圖2 NH3濃度中心向上偏移相一致,是由煙氣速度分布特性所導(dǎo)致的。

圖4 縱向支管所噴NH 3的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Concentration trajectory of the sprayed ammonia by the vertical branch pipe

3.3 NH 3濃度分布

不同煙氣處理量條件下,截面S-1上煙氣速度和NH3濃度分布如圖5所示(速度顯示范圍與處理煙氣量等比例縮放)。從圖5(a)可以得出,噴氨格柵區(qū)域的煙氣速度分布趨勢(shì)基本一致,第Ⅰ~Ⅵ列煙氣平均速度分布特征為高-低-高-低,不因煙氣處理量的變化而發(fā)生劇烈變化,即在一個(gè)工況下噴氨量分布調(diào)整適宜后,能實(shí)現(xiàn)其他工況下的NH3與NOx的均勻混合。

從圖5(b)可得,煙氣速度高的區(qū)域,NH3濃度低；煙氣速度低的區(qū)域,NH3濃度高。同時(shí),由于截面S-1上煙氣速度變化劇烈,NH3與煙氣的擴(kuò)散與混合還未完全,因此區(qū)域內(nèi)NH3濃度分布也呈現(xiàn)劇變性,圖中NH3濃度特低的藍(lán)色線對(duì)應(yīng)格柵支管間的間隔。

圖5 不同煙氣處理量下S-1上煙氣速度和NH 3濃度的分布Fig.5 Velocity and concentration distribution of NH3 on S-1 under different treatment capacity of the flue gas

依據(jù)每根噴氨支管所控制噴氨區(qū)域內(nèi)煙氣速度均值,通過下式計(jì)算各噴氨支管的噴氨量。

式中:L為噴氨支管所噴NH3的總流量,L∕s；Vi為噴氨支管所控制噴氨區(qū)域的煙氣速度均值,m∕s；li為支管的噴氨量,L∕s。

依據(jù)計(jì)算得到的噴氨量調(diào)整后,截面S-1上NH3的濃度分布如圖6所示。從圖6可以看出,NH3濃度分布的均勻性得到很大改善,左下角區(qū)域最大NH3濃度由調(diào)整前的11.21×10－4變?yōu)?.93×10－4,同時(shí),這種局部最高濃度很難通過噴氨調(diào)整來實(shí)現(xiàn)均勻性,這是因?yàn)樵谝桓Ч芩刂频膮^(qū)域內(nèi)區(qū)域間煙氣速度變化太劇烈。雖然與煙氣中NH3平均濃度(4.02×10－4)的相對(duì)誤差為47.5%,但截面S-1僅距噴氨格柵2.2 m,在進(jìn)入催化劑前,隨著混合與擴(kuò)散的發(fā)生,局部區(qū)域的不均勻性將得到很好的改善。格柵支管間的間隔特性表明,NH3有隨煙氣向低流速區(qū)域偏移的趨勢(shì)。

圖6 調(diào)整后截面S-1上的NH 3濃度分布Fig.6 Concentration distribution of NH3 on S-1 after adjustment

均勻噴氨與不均勻噴氨情況下,出口監(jiān)測(cè)截面S-2上NH3的濃度分布如圖7所示。從圖7可得,在煙氣分布不均勻,而均勻噴氨的情況下,截面S-2上NH3濃度分布趨勢(shì)與截面S-1一致,即存在一個(gè)NH3濃度最大的區(qū)域,其濃度約為平均濃度的1.39倍(100%煙氣處理量下)；同時(shí),第1排噴氨支管所對(duì)應(yīng)區(qū)域的NH3濃度高于第4排,且這些趨勢(shì)不因煙氣處理量的變化而顯著改變。調(diào)整前,50%、75%、100%煙氣處理量下出口截面S-2上NH3濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為19.79%、19.23%、17.17%；調(diào)整后,截面S-2上NH3濃度分布非常均勻,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.8%。

圖7 調(diào)整前、后出口監(jiān)測(cè)截面S-2上的NH 3濃度分布Fig.7 Concentration distribution of NH3 on the outlet monitoring section S-2 before and after adjustment

調(diào)整后,截面S-1與截面S-2上NH3濃度的均勻分布代表了頂層催化劑上NH3與煙氣的均勻混合,但在實(shí)踐中這并不能避免因催化劑層中毒、堵塞與損壞而導(dǎo)致的出口監(jiān)測(cè)截面上NO與NH3逃逸超標(biāo)情況。因此,需要依據(jù)出口NOx濃度分布與圖2顯示的噴氨支管與出口監(jiān)測(cè)截面區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行精細(xì)調(diào)整,同時(shí)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,共同實(shí)現(xiàn)出口監(jiān)測(cè)截面上NOx均勻分布與避免區(qū)域NH3逃逸超標(biāo),并實(shí)現(xiàn)揭示區(qū)域催化劑是否失效的問題。

4 結(jié)論

(1)單根支管的位置與煙道結(jié)構(gòu)影響了所噴NH3的混合、擴(kuò)散與偏移效應(yīng),確定單根支管所噴NH3在出口監(jiān)測(cè)截面上的分布區(qū)域,有利于根據(jù)出口監(jiān)測(cè)截面上NOx分布特性精準(zhǔn)地調(diào)整支管噴氨量。

(2)與橫向噴氨支管結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)限定了NH3跡線分布在相對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi),有利于噴氨格柵支管與監(jiān)測(cè)截面區(qū)域間對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定,縱向區(qū)域噴氨支管所噴NH3隨煙氣發(fā)生向低流速區(qū)域偏移的趨勢(shì)。

(3)不同處理煙氣量與均勻噴氨情況下,截面S-1上的煙氣速度分布趨勢(shì)保持不變,局部低速區(qū)域煙氣速度有較小變化；由于煙氣分布的不均勻性,在均勻噴氨情況下,截面S-1與S-2上的NH3分布非常不均勻,S-2上NH3最高濃度約為平均濃度的1.39倍。

(4)調(diào)整前,50%、75%、100%煙氣處理量下出口截面S-2上NH3濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為19.79%、19.23%、17.17%。調(diào)整后,截面S-1上NH3分布均勻性得到很大改善,截面S-2上NH3濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.8%。