燃煤電廠SCR系統(tǒng)超凈排放技術(shù)優(yōu)化

上海電氣電站環(huán)保工程有限公司 杭逸斐

煤炭是我國能源生產(chǎn)消費的主力，燃煤發(fā)電發(fā)揮了不可替代的作用。如2018年我國火力發(fā)電量約占發(fā)電總量的70%，其中煤電裝機容量占火電裝機總量的88.6%是火力發(fā)電的主力。但煤炭燃燒會產(chǎn)生大量的粉塵、氮氧化物、硫氧化物和重金屬等污染物破壞大氣生態(tài)環(huán)境。因此我國政府不斷提高對燃煤大氣污染的排放要求，加大監(jiān)管力度。由于傳統(tǒng)控制水平有限，且受到鍋爐側(cè)的負荷波動和煤質(zhì)變化影響，各污染物脫除裝備運行不穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)存在還原劑超噴堵塞空預(yù)器，流場不均勻?qū)е旅撓跣势偷葐栴}。

目前政府通過在脫硫脫硝除塵領(lǐng)域頒布多項政策法規(guī)等手段，要求燃煤電廠鍋爐污染物排放濃度低于燃氣輪機排放限值，即二氧化硫＜35mg/m3、氮氧化物＜50mg/m3、煙塵＜10mg/m3[1]，實現(xiàn)污染物的超凈排放，達到治理大氣污染源的目的。

然而在機組實際運行中，鍋爐負荷波動、煤質(zhì)變化、燃燒狀態(tài)調(diào)整等因素都會影響脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣分布，如果仍采用不變的噴氨方式，將無法根據(jù)脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣分布的變化對噴氨量進行相應(yīng)的調(diào)整，就會造成催化劑入口氨氣濃度分布與NOx濃度分布不匹配，增加氨氮混合不均性。同時，由于脫硝技術(shù)已相對成熟，普遍項目不進行流場模擬依靠項目經(jīng)驗進行導(dǎo)流板布置或取消導(dǎo)流板布置，導(dǎo)致流場均勻度不可控，進而影響脫硝效率，導(dǎo)致催化劑磨損、空氣預(yù)熱器堵塞、腐蝕等一系列問題。為滿足電廠NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，提高脫硝系統(tǒng)運行效率，降低系統(tǒng)出口NOx濃度偏差、減小氨逃逸量，對鍋爐脫硝系統(tǒng)優(yōu)化有較高的意義[2]。

基于上述背景，在超低排放要求下SCR脫硝設(shè)計規(guī)范及原則，通過分區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究了智能化精細噴氨的可行性，并依托某脫硝項目研究SCR反應(yīng)器內(nèi)的流場分布，優(yōu)化導(dǎo)流板布置，明確了流場模擬的重要性。

1 SCR智能化精細噴氨

基于煙氣速度分布NOx濃度分布和溫度分布等多方綜合因素的考慮，對SCR噴氨格柵控制系統(tǒng)進行精細化優(yōu)化改造，通過網(wǎng)格法巡測煙道截面NOx值分布，運用巡測結(jié)果通過內(nèi)置數(shù)據(jù)庫聯(lián)動進行智能化自動控制噴氨，使氨逃逸接近零，實現(xiàn)下游設(shè)備運行穩(wěn)定。

1.1 分區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

對某項目噴氨格柵所在的煙道進行分區(qū)（SCR進口煙道尺寸8.8m×14.0m、出口煙道尺寸為12.1m×22.19m）：將氨注入煙道劃為6個大分區(qū)，每個分區(qū)約為4.4m×4.6m的近似正方形區(qū)域（圖1所示），分別對應(yīng)氨噴射系統(tǒng)的6個噴氨分區(qū)電動調(diào)節(jié)閥，可實現(xiàn)橫向和縱向噴氨調(diào)節(jié)。同時針對脫硝現(xiàn)場實際情況以及性能測試、調(diào)試等需要，在每個大分區(qū)中再細分了4個小分區(qū)，分別對應(yīng)4個噴氨手動調(diào)閥。

SCR反應(yīng)器的出口CEMS測量煙道尺寸為12.1m×22.19m，根據(jù)氨注入煙道分區(qū)情況，將出口CEMS測量煙道同樣劃為6個分區(qū)，每個分區(qū)尺寸約為6.05m×7.4m（圖2所示），分別對應(yīng)垂直上方的氨注入煙道分區(qū)。將出口煙道的6個分區(qū)中的煙氣輪流取樣至用于分區(qū)控制且獨立的CEMS分析儀，測量NOx/O2濃度，信號參與6個分區(qū)噴氨調(diào)節(jié)閥的控制，實現(xiàn)噴氨分區(qū)控制[3]。

1.2 多點取樣系統(tǒng)

脫硝入口監(jiān)測采用網(wǎng)格取樣裝置（多點混合）進行取樣，配置一套CEMS（含NOx、O2和CO煙氣組份）。脫硝出口監(jiān)測可配置兩套不同取樣的裝置：一為網(wǎng)格取樣裝置（多點混合）進行取樣，配置一套CEMS（含NOx、O2煙氣組份）對噴氨總量進行連續(xù)調(diào)節(jié)；二為網(wǎng)格取樣裝置（多點分區(qū)）進行取樣，配置一套CEMS（含NOx、O2煙氣組份）對噴氨格柵分區(qū)氨噴射量調(diào)平。

多點混合取樣：多點混合網(wǎng)格取樣裝置從各取樣孔網(wǎng)格化抽取煙道內(nèi)煙氣作為樣本進入母管，樣本氣體在取樣母管內(nèi)進行充分混合，輸送到測量筒由CEMS探頭進行污染物NOx測量。多點混合網(wǎng)格取樣裝置通過網(wǎng)格狀均布在煙道的各個測點，抽取樣本煙氣混合測量，得到一個相對具有代表性的數(shù)據(jù)。該方式避免了傳統(tǒng)單點取樣以偏概全的劣勢，從而更好的控制噴氨總量。

多點分區(qū)取樣：多點分區(qū)取樣裝置將取樣格柵等面積均分布置在煙道同一截面上，取樣格柵上每組取樣探頭由單獨的控制閥獨立控制且能互相切換，保證取樣煙氣能夠多點獨立測量且自由取樣。其中取樣格柵分區(qū)單元參考《GBT 16157-1996固定污染源排氣中顆粒物和氣態(tài)污染物采樣方法》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，可實現(xiàn)煙道內(nèi)同一截面全區(qū)域多點混合式取樣并可輪巡式單獨測量各個區(qū)域相應(yīng)測得全區(qū)域NOx/O2濃度值。

1.3 氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)

氨逃逸檢測系統(tǒng)可按其是否參與噴氨總量調(diào)節(jié)閉環(huán)控制設(shè)置。若氨逃逸數(shù)據(jù)不參與噴氨總量調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，可以在SCR反應(yīng)器出口煙道上設(shè)置一臺氨逃逸分析儀，進行監(jiān)控及上傳環(huán)保局使用；若氨逃逸數(shù)據(jù)同時參與噴氨總量調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，根據(jù)出口煙道的尺寸，可以在SCR反應(yīng)器出口煙道上設(shè)置2點式氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)，SCR出口布置2個光學(xué)檢測端直接安裝在煙道上，接入多點式氨逃逸監(jiān)測主機。

1.4 預(yù)估效益

提高出口NOx均勻性而減少用氨量：出口NOx偏差減少10%,平均脫硝率提高約0.9%，平均氨逃逸量相對減少約5%。智能噴氨優(yōu)化控制實施后，考慮運行調(diào)節(jié)中各種因素影響，噴氨量至少能減少10%[4]。

提高催化劑的使用壽命：降低出口NOx的不均勻度10%。如果出口NOx相對偏差從50%降至40%，則催化劑壽命能相對提高約12%。

降低風(fēng)機阻力：氨逃逸降低后能夠大大減少空預(yù)器堵塞的可能性，空預(yù)器的吹掃周期可以相應(yīng)延長，考慮空預(yù)器的高壓水吹掃成本，相當(dāng)于減少了空預(yù)器檢修費用。得益于智能噴氨優(yōu)化，脫硝下游空預(yù)器的平均阻力將降低，引風(fēng)機功率輸出降低，即可減少引風(fēng)機電耗的費用。

對于2×300MW燃煤電廠采用精細噴氨后預(yù)估可以產(chǎn)生的效益如下：提高出口NOx均勻性而減少用氨量，預(yù)估效益30萬/年；催化劑壽命相對提高約12%，預(yù)估效益100萬/年；減少空預(yù)器堵塞，預(yù)估效益100萬/年，可知采用精細噴氨后預(yù)計帶來230萬/年的效益。

2 SCR反應(yīng)器數(shù)值模擬

本小節(jié)某燃煤機組的鍋爐配套脫硝裝置的設(shè)計，通過數(shù)值模擬優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)流場，提高煙氣在關(guān)鍵區(qū)域的流速均勻分布，優(yōu)化脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。本項目脫硝工藝系統(tǒng)設(shè)計原則如下：AIG上游煙氣速度偏差＜±15%（均方根偏差率），入口煙氣流速偏差＜±12%（均方根偏差率），入口煙氣流向→＜±10°，入口煙氣溫度偏差→＜±10℃，NH3/NOx摩爾比絕對偏差＜5%。

2.1 數(shù)值模擬試驗

計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dyna_mics，簡稱CFD）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。研究的目的是讓煙氣流速、溫度、煙氣入射角、壓損在所述范圍內(nèi)，通過調(diào)整并模擬煙道內(nèi)導(dǎo)流板、整流裝置等進行優(yōu)化設(shè)計，以獲得最好的脫硝效果。脫硝裝置內(nèi)流場的數(shù)值模擬采用fluent軟件，每個仿真算例均為三維模型并生成流場網(wǎng)格。整個系統(tǒng)由變體積的約577萬個計算網(wǎng)格組成。同時模擬過程中對數(shù)學(xué)模型的選取及邊界條件的相應(yīng)處理如下：

選用Standard k-ε模型對湍流計算進行簡化模擬[5]；選用組分輸運模型計算煙氣中各組分的輸運和擴散；采用多孔介質(zhì)模擬噴氨格柵、4層催化劑層上游的整流格柵，并在垂直格柵方向上設(shè)置更大的阻力系數(shù)以模擬垂直狀態(tài)下的流場；催化劑層模擬采用各向同性多孔介質(zhì)模型進行代替，各方向為相同壓損系數(shù)，以實現(xiàn)催化劑層的壓力損失；邊界條件的設(shè)定：煙氣入口和噴氨噴嘴入口采用速度邊界條件，出口定義為出流；催化劑層用多孔介質(zhì)模型來模擬催化劑層的阻流和減壓特性。

邊界條件設(shè)置。數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置為：主煙氣入口煙氣體積流量8222635m3/h，溫度658K（385℃），O2體積分?jǐn)?shù)3.3768%，CO2體積分?jǐn)?shù)14.8382%，H2O體積分?jǐn)?shù)5.2948%，N2體積分?jǐn)?shù)76.3886%，SO2體積分?jǐn)?shù)0.1016%。

2.2 無/加導(dǎo)流板時數(shù)值模擬

沒有加導(dǎo)流板時的初始流場計算結(jié)果如下：噴氨格柵前截面速度偏差系數(shù)Cv值40.44%、噴氨格柵前截面溫度偏差系數(shù)Cv值0.0001℃、噴氨格柵入口截面角度偏差13.13°、第一層催化劑入口截面速度偏差系數(shù)Cv值14.18%、第一層催化劑入口截面溫度偏差系數(shù)Cv值0.0006℃、第一層催化劑入口截面角度偏差13.74°。

加導(dǎo)流板后數(shù)值模擬。導(dǎo)流板布置：在噴氨格柵入口段增加5塊導(dǎo)流板，提高氨煙氣混合均勻度；在煙氣分流兩側(cè)分別增加導(dǎo)流板布置各7塊導(dǎo)流板，提高反應(yīng)器入口煙氣均勻度。加導(dǎo)流板后計算結(jié)果如下：噴氨格柵前截面速度偏差系數(shù)Cv值14.08%、噴氨格柵前截面溫度偏差系數(shù)Cv值0.0001℃、噴氨格柵入口截面角度偏差4.43°、第一層催化劑入口截面速度偏差系數(shù)Cv值2.07%、第一層催化劑入口截面溫度偏差系數(shù)Cv值0.136℃、第一層催化劑入口截面角度偏差5.13°。

綜上，本文通過分區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究了智能化精細噴氨的可行性，依托某脫硝項目對SCR反應(yīng)器內(nèi)的溫度、壓力和速度場進行了研究，主要結(jié)論如下：

通過精細噴氨改造可使脫硝反應(yīng)器NOx出口濃度分布更加均勻，有效解決了局部噴氨過量引起的氨選逸率偏高或噴氨不足，噴氨不合理造成的反應(yīng)不充分等問題，降低了氨逃逸；通過CFD流場模擬分析某電廠流場情況，結(jié)果表明：無導(dǎo)流板時，SCR系統(tǒng)主要截面速度場、溫度場、壓力場紊亂，對噴氨效果產(chǎn)生了重大不利條件。加裝本文設(shè)計的導(dǎo)流板后噴氨格柵入口速度偏差縮小至14.08%、角度偏差4.43°，催化劑入口截面速度偏差系數(shù)為2.07%，入口速度角度偏差5.13°。各參數(shù)通過流場模擬和導(dǎo)流板的增設(shè)滿足了催化劑對煙氣流場的要求，并且優(yōu)于其要求，對提升脫硝效果可以起到顯著提升。

脫硝的根本在于“均勻”，均勻的流場是保證脫硝效果的前提。通過精細噴氨的改造可以最大程度上保證氨和NOx混合均勻，促使其反應(yīng)效率提高。流場模擬的優(yōu)化可以保證煙氣流場均勻，使得催化劑的利用率最大化，脫硝反應(yīng)更充分，同時避免煙氣集聚沖刷影響使用壽命。從噴氨和流場兩個角度對脫硝系統(tǒng)進行優(yōu)化可以大幅度的提高脫硝系統(tǒng)性能，緩解還原劑超噴現(xiàn)象，保證超凈排放的指標(biāo)下脫硝及其下游設(shè)備安全、穩(wěn)定、高效運行。