循環流化床鍋爐脫硝噴氨低耗深度分析

姜宇鶴 孔祥隆 杜智永

華電章丘發電有限公司 山東 濟南 250200

引言

火電廠鍋爐的煙氣脫硝系統主要針對鍋爐運行過程中產生的污染性煙氣進行相應的優化，從而降低其中的氮氧化物含量，是鍋爐運行過程中產生煙氣到排放至大氣中的中間環節，對于環境保護起著至關重要的作用。目前被廣泛應用的是SCR煙氣脫硝工藝，主要由還原劑制備系統以及脫硝反應系統兩大結構組成，還原劑的制備即液態氨的制備過程，脫硝反應系統則是指具體的催化優化過程。SCR煙氣脫硝系統在運行的過程中主要包括以下環節，首先需要進行液態氨的準備和儲存，之后將液態氨水進行高溫蒸發，并和提前輸入到脫硝系統中的空氣進行有效的混合處理，并將混合充分之后的氣體向脫硝系統進行科學的噴灑，從而使混合氣體和需要進行優化處理的煙氣進行有效的混合，有利于兩者在催化劑的表面進行有效的分布和充分的反應，從而完成煙氣的脫硝處理。

目前而言，最為有效的做法是對火力發電廠的SCR煙氣脫硝系統進行優化。這一過程涉及調整噴氨網，以提高尾煙的脫硫效率，從而降低氨氣的外泄水平，確保機組能夠穩定而安全地運行。這項優化不僅有益于環境，還有助于提升整個發電系統的性能。在實際操作中，已經有一些成功的案例，展示了這一優化策略在改善排放控制和設備運行方面的顯著效果。煙氣脫硝系統噴氨優化的問題。

1.1 鍋爐煙氣脫硝系統噴氨冷態調整不科學

在鍋爐煙氣脫硝系統中，由于催化劑管理不當，導致催化劑的使用壽命顯著縮短，進而增加了系統的運行成本，不利于火電廠的經濟效益提升。同時，設備內部可能積聚灰塵并出現過度磨損問題，對脫硝的有效性產生負面影響。這些問題的存在嚴重影響了火電廠鍋爐煙氣脫硝系統的運行效率，對煙氣脫硝的質量控制起到了不利作用。因此，必須對噴氨冷態進行優化與改善，以促進鍋爐煙氣脫硝系統的正常運行。

1.2 鍋爐煙氣脫硝系統噴氨熱態調整不到位

火電廠鍋爐煙氣脫硝系統的噴氨熱態調整優化是指在高溫環境下進行相應的調整和優化。由于目前在噴頭處液態氨水的蒸發氣體和空氣的混合物不能有效分布和噴射，導致部分氨元素組成的氣體在反應過程中逃逸，降低了液態氨水的還原性作用發揮，對煙氣的脫硝效率和質量產生不利影響。因此，應進行熱態調整優化，以提高煙氣脫硝的有效性。

2 SCR脫硝系統優化研究

2.1 機組概況介紹

“2+1”結構的催化劑設計，下部設有后備層，并配備了耙式半收縮式蒸汽吹灰機。隨著環境保護標準的提高，除硝裝置面臨越來越大的壓力，因為它不僅難以滿足更為嚴格的環保需求，還出現了氨耗量增大和空預器堵塞等問題[1]。

通過對該公司3號機組脫硝系統歷史監測資料的分析，發現其氨耗較高，并存在嚴重的空預器堵塞問題。問題的根本原因在于噴氨流場分布不均勻，導致空預器堵塞，從而增加了脫硝系統的運行費用。隨著環境法規的不斷升級，對系統進行優化調整勢在必行，以滿足更高的環保要求并降低運營成本。

2.2 SCR煙氣脫硝系統建模

2.2.1 數學模型建立。該脫硝系統由煙道，噴氨格柵，反應器，催化劑層組成，實驗對象為3號機組，在均布格柵下面的反應器主體中，設置了3個分層的催化劑。該反應器主體長度11800mm，反應器主體高15000mm，寬19000mm，總高度53000mm。

煙道出口等部位采用四邊格子，氨氣格柵、煙道拐角紊流區和催化劑段采用六邊形網格，并通過尺度函數對其進行了局部加密，從計算精度和時間上綜合考慮，選擇了253萬個脫硝系統[2]。

2.2.2 物理模型建立。脫硝系統構建精良，包括煙道、噴氨格柵、反應器以及催化劑層。針對3號機組，反應器主體在均布格柵下方精心設計，催化劑分為3個層次。反應器主體長達11800mm，高度達15000mm，寬度達19000mm，總高度達53000mm。

為了優化流體動力學效應，煙道出口等關鍵部位采用了四邊格子的設計，而氨氣格柵、煙道拐角紊流區和催化劑端則采用了六邊形網格。通過尺度函數的局部加密，系統在計算精度和時間效率之間取得了平衡。為了達到更高的計算精度和穩定性，我們選擇了龐大的253萬個脫硝系統。

這樣的設計不僅令系統在處理反應過程中更為高效，而且在實驗對象3號機組的操作中，為系統提供了穩定而可靠的性能。

2.2.3 仿真計算邊界條件[3]。①反應器模型的構造對化學反應的影響未被考慮。②3個催化劑的分層分布是均勻的，并且在各個位置上的化學反應速度都是一樣的。③將反應器與外部的熱量隔離。④煙氣進入反應器的煙氣溫度、速度應均勻分布，并與從反應器中排出的煙氣溫度、速度相一致。⑤反應速度與壓力的關系未被考慮。⑥煙氣中僅含有 NO、SO2、H2O、N2，O2、CO2。

（1）反應器模型的構造對化學反應的影響未被考慮。

（2）3個催化劑的分層分布是均勻的，并且在各個位置上的化學反應速度都是一樣的。

（3）將反應器與外部的熱量隔離。

（4）煙氣進入反應器的煙氣溫度、速度應均勻分布，并與從反應器中排出的煙氣溫度、速度相一致。

（5）反應速度與壓力的關系未被考慮。

（6）煙氣中僅含有 NO、SO2、H2O、N2、O2、CO2。

3 SCR脫硝系統優化研究

經過對流場的優化，問題已經有了一些改善，盡管并沒有完全解決。通過對噴氨格柵結構的調整、濃度場的優化、噴氨閥的調整以及AIG氨氣閥的調整等措施，可以有效降低SCR煙氣脫硫系統的氨耗。這些調整和優化不僅有助于提高脫硫效率，而且能夠在一定程度上減輕系統運行成本。

3.1 濃度場問題分析

通過介紹SCR煙氣脫硝原理及硫酸氫銨生成機理，來對濃度場問題進行分析。

3.1.1 數學模型建立[4]。在SCR反應器中，流動介質主要由大量煙氣、NH3和O2組成，因此，我們在本文中對其混合性能進行了詳盡的分析。基于這一模型，我們進行了一系列關于不同氣體成分的化學反應計算，通常以混合料的形式進行。通過這些計算，我們能夠更全面地了解不同成分在反應器中的相互作用，為優化反應過程提供了有力的數據支持。這種深入的分析為SCR系統的性能提升和操作優化提供了關鍵的理論基礎。

3.1.2 邊界條件設定。邊界條件按照第3章第3節的規定進行。在此基礎上，添加了 AIG噴頭轉速和SO2與NH3反應生成硫酸氫銨的化學反應。如表1、2所示。

表1 煙氣成分

表2 邊界條件

3.1.3 濃度場結果分析。在系統分析中，我們觀察到部分區域的噴氨量相對較小，由此導致該區域的NOx無法經歷充分的脫硝化學反應。經過初步推斷，我們得出結論，這種不均勻的氨氮摩爾比分布是導致濃度場不均勻的主要原因之一。換言之，系統中氨氣的分布不均勻直接影響了脫硝反應的效果。

為了解決這一問題，應該著手對脫硝系統的濃度場進行優化。這可能包括調整噴氨裝置，改善氨氣在系統中的流動性，以確保在整個系統中形成更加均勻的氨氮摩爾比分布。通過優化濃度場，我們有望提高脫硝系統的整體效率，確保在各個區域都能夠實現充分的脫硝反應，從而最大限度地減少NOx排放。這一優化策略將有助于提高系統性能，降低運行成本，并更好地滿足環保標準。

3.2 噴氨系統優化方案

對噴氨格柵結構的改造、噴氨閥門的更換、安裝靜態混合管的改造，實現了濃度場的優化。具體的優化方法是：

3.2.1 氨氣噴淋格柵的改進。在原來的氨氣格柵基礎上，對7排噴頭進行了改進，在每排噴頭的上部增加了8排噴氨管，每排噴氨管具有4個小噴頭，也就是說，從原來的噴頭改為8個噴頭。

提高了煙道中的氨氣濃度，提高了氨氣和煙塵的混合度。噴氨管長度為1062mm，直徑為63.5mm。

3.2.2 噴氨閥門改造。在噴氨閥門改造方面，氨化格柵氨氣調節閥原本是一種傳統的蝶形閥門。然而，蝶閥在流量調節方面表現不佳，經長時間使用容易導致腐蝕，從而影響其靈敏度[5]。相比之下，截止閥是一種閥門，使啟閉器沿著閥座中心線運動。它不僅具有良好的關閉性能，還具有低靈敏度和低壓差的特點，特別適用于流量調整。通過對原閥和蝶閥進行改造，引入了具有高靈敏度的截流閥，從而實現了對液氨系統的精密調整。

3.2.3 增加靜態混合管。為了提高氨氣與煙氣的接觸面積并增加氨氣與煙氣的混合度，在噴氨格柵上方安裝了兩排靜態混合管。這項改進旨在優化氨氣與煙氣之間的化學反應，通過增加混合管的數量，進一步提高了反應效率。

3.3 AIG氨氣閥門的調節優化

3.3.1 AIG氨氣閥門優化方案。在AIG氨氣閥門的調節優化中，通過改變噴氨網和噴氨閥，對AIG氨氣閥進行調整，以達到最佳的濃度場。考慮到煙氣轉角的擾動，在均勻格柵下、催化劑一層上、催化劑二層上、催化劑三層上的4個觀察面上進行了調整。

3.3.2 AIG氨氣閥門優化結果分析。通過對氨氣流量的優化，改善了濃度場的均勻性。同時，NH3和NOx的濃度分布也變得更加均勻。氨氮摩爾比例的分布也變得更加均勻，從最優的0.51。這一優化帶來了脫硫效果的改善，降低了氨耗。噴氨流速的優化不僅改善了NH3、NOx濃度場的均勻分布，還有助于提高NH3、NOx的濃度分布，從而實現了降低氨耗的目標。

4 結束語

隨著國家環保法規的不斷頒布和全國范圍內環保意識的逐漸提升，燃煤電廠迫切需要朝著高效、低成本、低污染的方向邁進。當前，SCR脫硫技術已經相對成熟，但要實現更大的突破和創新，需要根據不同電廠的具體情況進行進一步的改進和定制。

在未來的發展中，我們可以期待更多節能、環保的低NOx排放技術將成為火力發電廠關注和采用的焦點。這不僅是對環境的積極響應，也是符合社會對清潔能源和可持續發展的迫切需求。在這個變革的時代，電廠將不斷尋求先進技術和創新解決方案，以確保其在能源行業的可持續競爭中保持領先地位。

本文所述的技術改進和優化方案是這一發展趨勢的具體體現，通過對閥門系統和氨氣處理過程的精密調整，實現了更高效、更環保的運行。這不僅是對環保法規的主動響應，也是電廠在提升生產效益的同時，對可持續發展責任的積極履行。

綜上所述，燃煤電廠在追求高效清潔能源的同時，通過不斷創新和改進技術，將為實現更環保、更可持續的能源生產貢獻力量。隨著技術的不斷發展，我們可以期待更多先進的、綠色的解決方案將推動整個能源行業朝著更加可持續的未來邁進。