大型燃煤機組SCR裝置超低排放改造流場優化

鄭 妍，姚 宣，王冬生，陳訓強，李曉金

(北京國電龍源環保工程有限公司 北京市火電廠煙氣凈化工程技術研究中心，北京 100039)

0 引 言

近年來，國家對煤電行業全面落實“節約、清潔、安全”的能源戰略方針，燃煤機組污染物排放標準不斷提高。2015年7月環境能源局、發改委和環保部聯合發文，要求燃煤電廠全面實施超低排放，即在6%基準氧含量條件下，NOx排放質量濃度低于50 mg/Nm3，這意味著脫硝設備要達到接近或超過90%的脫硝效率，對SCR脫硝系統長期可靠運行帶來極大挑戰。

經驗表明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，脫硝裝置為達到更高脫除效率，對還原劑/煙氣均勻混合程度的要求呈指數型上升[5-6]。提升還原劑與煙氣的混合質量、提高脫硝系統對來流工況的抗干擾性是實現SCR穩定超低排放的兩大核心要素[7]。因此亟需開發適用于脫硝超低排放的噴氨混合裝置，結合煙道內整流構件設計，提升煙氣流場的均勻性和適應性。目前國內在役實現“超低排放”的燃煤機組普遍出現性能不穩定、氨逃逸超標等問題[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，很難實現充分混合，使得反應器內部分區域氨供應不足，而部分區域氨過量，導致整體效率和氨逃逸不達標，造成空預器壓差過高、堵塞等問題。對于負荷頻繁波動的調峰機組，氨的噴射無法適應煙氣來流變化，上述問題會更加突出[11-12]。

目前還原劑噴射裝置有2種技術：① 噴氨格柵：湯元強等[13]在SCR工藝性能研究過程中采用噴氨格柵的方式，實現氨氣和煙氣的均勻摻混，噴嘴口徑小、數目多，高溫高塵條件下易發生飛灰堵塞，不具備調整來流均勻性的能力。② 駐渦型噴氨混合器：楊超等[14]采用基于駐渦混合機理的還原劑混合裝置探究氨氣混合效果，噴管數目少、口徑大，具備調整來流均勻性的能力，能主動調節來流氮氧化物濃度、速度、溫度的偏差。

雷達和金保升[15]利用經冷態模型校驗過的SCR數值模型，研究噴氨格柵處煙氣速度場對SCR均流與還原劑混合性能的影響，結果發現采用噴氨格柵方式的SCR技術較依賴導流板的布置方式和布置位置，導流板結構不同會對流場產生不同作用，并影響不同負荷下煙氣混合效果。李壯揚等[16]以某電廠660 MW亞臨界燃煤機組SCR煙氣脫硝系統為研究對象，對SCR反應器內煙氣流動以及噴氨分布均勻性進行數值模擬研究，研究發現優化調整噴氨格柵煙道內均流部件對速度、濃度均勻性有顯著改善作用，通過分析流場不均勻性得到的分區噴氨方法能夠進一步優化NH3在煙道中分布，因此整體系統噴氨控制精度需求較高，運行較復雜。此外，噴氨格柵管長期受煙氣直接沖擊造成噴氨格柵管磨損嚴重。現有的噴氨格柵管一般直接鉆孔供噴氨使用，磨損較嚴重易發生噴氨不均勻、噴孔堵塞等問題。駐渦型噴氨混合器則不能實現分區調控。

針對上述問題，吸取噴氨格柵的優點和駐渦型噴氨混合器特點，研發多維度駐渦型脫硝噴氨混合裝置，利用較少的大口徑噴嘴，實現大截面煙道內煙氣與還原劑的均勻摻混，同時具備調整來流均勻性的能力。通過設置整流裝置，進一步調整速度場均勻性，避免偏流對混合及脫硝反應造成影響，充分發揮催化劑的能力，避免堵塞、磨損。

1 計算模型

1.1 機組情況

本文以某660 MW國產燃煤超臨界參數汽輪發電機組脫硝裝置改造為例開展研究。脫硝系統采用選擇性催化還原脫硝技術(SCR)，SCR煙氣脫硝技術的還原劑選用液氨蒸發工藝，在設計及校核煤種、鍋爐最大工況(BMCR)、100%煙氣量條件下，脫硝效率不低于91.7%。脫硝系統運行時入口NOx質量濃度600 mg/Nm3，脫硝反應器出口處煙氣中NOx質量濃度不大于50 mg/Nm3，1臺機組配置2臺脫硝反應器，每臺反應器催化劑層數按2+1設置(2層運行，預留1層備用，預留層布置在反應器底部)，煙氣垂直向下通過催化塊層。反應器進口煙溫約373 ℃，因噴入混合氣以及煙道、反應器散熱，出口煙溫約369 ℃。

1.2 計算模型

機組原脫硝反應器、煙道三維建模根據實際煙道結構尺寸構建如圖1所示，充分考慮導流板、噴氨管、駐渦型噴氨混合器、整流格柵及催化劑層對煙氣流場和煙氣組分的影響。計算整體范圍從省煤器出口到空氣預熱器進口，計算模型入口與省煤器出口煙道連接，計算模型出口與空預器進口煙道連接。模型按照實際尺寸設置，反應器長寬高分別為11.1、15.1和19.53 m，噴氨處煙道尺寸3.1 m×15.15 m。

圖1 SCR反應器計算模型Fig.1 SCR calculation model

原脫硫裝置在運行過程中出現氨氮分布不均，過量噴氨，下游催化劑堵塞、磨損，空預器堵塞等問題。針對原有系統還原劑混合不均勻及速度場不均問題，提出改造方案為：入口煙道設整流裝置；采用多維度駐渦噴氨混合裝置，反應器頂部設整流裝置，具體結構如圖2所示。

圖2 優化改造后SCR系統反應器模型Fig.2 SCR simulation model after optimization

通過計算流體力學(CFD)方法對某660 MW火電機組SCR脫硝系統改造前后進行數值模擬對比[17-19]，研究煙氣在煙道各位置流動、變化和相互混合的過程，同時研究駐渦型噴氨混合器對煙氣流場及脫硝還原劑分布混合的效果，在計算結果的基礎上進行針對性優化，以設計適合催化劑安全、高效、穩定反應的SCR煙道結構。

1.3 模型設置

計算中使用的基本假設包括[20-21]：① 計算負荷為100%BMCR；② 煙道模型進口的煙氣速度在進口截面均勻分布(16.18 m/s)，且溫度分布均勻(373 ℃)；③ 煙道壁面絕熱，且內部沒有熱源和熱沉，因此，未噴氨時煙道內溫度處處均勻；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模型簡化，用各向異性的方法對催化劑層的阻力特性進行定義，采用2+1層催化劑床層。湍流模型采用Standardk-ε，壁面函數采用Standard wall functions。模型采用混合網格劃分，模型網格單元數約150萬，在噴氨管和駐渦型噴氨混合器采用非結構化網格，其他計算區域利用規則的結構化網格。另外，在特殊區域對網格進行加密處理，如導流板、噴氨管和駐渦型噴氨混合器等。煙道模擬運行工況為BMCR 100%的煙氣量，物性參數、噴氨系統參數參考上述參數設定[22]，且各噴氨支管流量相同。

2 計算結果分析

2.1 原脫硝系統計算結果

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有張角較大的擴徑段，引起下游煙道左右側煙氣流量不均，進而造成脫硝反應器左右側出現較大的氨氣分布偏差。當機組負荷波動，脫硝入口來流條件變化時，來流擾動會驅使還原劑氨分布的偏差進一步放大，進而造成脫硝裝置效率降低或氨逃逸排放過高。由于該裝置噴氨混合器后豎直混合段煙道較短，停留時間短，對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 優化改造方案計算結果

根據電廠需求，綜合成本和效果分析，確定改造方案如下：采取分級多效混合、多排分區、強制整流的優化思路，在原脫硝裝置內，通過升級駐渦噴氨混合裝置、增設豎井煙道頂部彎頭擾流板，強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；在脫硝反應器上部增設整流裝置，改善反應器內前后墻流速偏差，提高煙氣流動的均勻性，緩解催化劑表面積灰、磨損等問題；在入口煙道擴徑段前設導流板，調整該處的速度場，緩解側部煙道積灰及噴氨混合器前煙氣偏流問題。

改造優化方案NH3分布模擬結果如圖4所示，可知無論是縱截面還是第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，脫硝反應器前后方向出現較大的氨氣分布偏差。優化改造方案設有2排渦流混合裝置，可以實現對煙道截面噴氨的分區控制，進而提高氨氣在煙氣中分布的均勻性，優化噴氨系統調節性，且在下游增設擾流板，利用強制擾流進一步加強氨氣與煙氣的混合，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。受現場情況限制，原脫硝煙道入口設有張角較大的擴徑段，導致煙氣偏流嚴重。相比噴氨格柵，駐渦噴氨混合裝置本身具有整流效果，具備一定的負荷自適應性。改造方案通過在脫硝裝置進口煙道前設置導流葉片，強制改善來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均勻，均勻的速度場能夠提高駐渦型噴氨混合器的混合效果。為了保證進入催化劑的速度場均勻，在脫硝反應器上部同時增設整流裝置。

改造后的煙氣流線圖如圖5所示，可知煙氣在煙道內的流動較為平滑，進入脫硝反應器前，氣流在導流葉片和頂部擾流管作用下，經過整流格柵后，煙氣方向轉為向下，速度方向較為一致，分布更加均勻。

圖5 煙道內煙氣流線Fig.5 Streamline of the flue gas

2.3 優化改造結果

脫硝煙道反應器優化后，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、方差見表1。可知優化改造后速度分布的不均勻性為6.6%，小于行業標準規定的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設計要求。

表1 改造后脫硝系統特征參數

為驗證CFD理論研究結果的可靠性，對改造后660 MW機組脫硝裝置進行現場測試。在660 MW滿負荷運行工況下，沿脫硝反應器出口煙道的長度方向取6～7個測孔，用網格法分別測量反應器出口NOx、氨逃逸濃度，結果如圖6、7所示。

圖6 實測脫硝裝置出口NOx濃度Fig.6 Measured NOx concentration at the outlet of the SCR reactor

圖7 實測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，且氨逃逸濃度遠低于設計值3×10-6，說明經過流場優化改造后，進入反應器時，煙氣與還原劑混合均勻，保證了脫硝效率，同時減少氨逃逸及還原劑耗量，減緩下游空預器堵塞，降低機組運行維護費用。

3 結 論

1)針對某660 MW超臨界煤粉鍋爐脫硝系統研究煙氣和氨氣在SCR脫硝反應器內的混合過程，針對現有噴氨優化系統問題，提出了基于入口煙道設整流裝置，采用分級多效駐渦混合裝置、反應器頂部設整流裝置的改造方案。

2)依據CFD模擬計算結果，本文提出的SCR脫硝系統優化設計方案可充分實現流場分布和NH3/NOx充分混合，即反應器內第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，在脫硝裝置出口進行網格化測量NOx濃度和氨逃逸濃度，驗證了改造方案的可靠性。本文提出的流場升級改造思路及方法對指導大型燃煤機組SCR系統超低排放改造具有借鑒意義。