對沖燃燒鍋爐燃用劣質煤的脫硝優化改造

摘要：劣質煤的利用雖然對于我國煤炭清潔高效利用有著重要意義，但燃用的過程中卻存在著多種問題。以對沖鍋爐燃用劣質煤為例，對沖鍋爐在燃燒情況方面雖然非常適合劣質煤，但其燃用過程中存在NOx深度減排較差的問題，因此需要對脫硝系統進一步優化改造。以某發電廠330MW的對沖燃燒鍋爐為例，對脫硝系統進行流場優化、大顆粒飛灰攔截、噴氨系統智能測控等改造。改造后結果通過CFD和冷態實驗進行驗證，表明本次優化改造不僅有效地解決了原系統氨逃逸率高、脫硝系統效率低等問題，還為其它燃用劣質煤對沖燃燒鍋爐脫硝系統的改造與優化提供了范本和思路。

關鍵詞：對沖燃燒；脫硝；優化改造；劣質煤

引言

劣質煤往往指低熱值煤或高硫煤，包括揮發分≥10%以下的貧煤、無煙煤，或揮發分gt;10%、低熱值（≤16.7MJ/kg）的部分煙煤與褐煤。煤洗選加工過程產生的洗煤、洗中煤、油頁巖、半焦等均屬于劣質煤。目前，由于地區和成本的限制，部分地區的發電廠還采用劣質煤作為動力燃料或摻燒燃料，受劣質煤可燃性差、燃燒時爐膛溫度低、燃燒不穩定等問題影響，導致燃煤發電廠在超低排放方面存在諸多問題。如，劣質煤飛灰含量較高會使燃煤發電廠催化劑系統堵塞和磨損，從而導致脫硝效率的降低及下游設備的腐蝕[1]。另外，由于劣質煤的煤質特性，加強還原性氣氛雖然可以有效降低NOx，但灰分中高熔點的Fe2O3在還原性氣氛中會與SiO2形成共熔體，造成下游設備更嚴重的高溫腐蝕和結渣問題[2]，因此使用劣質煤在燃用中會存在無法實現更低NOx排放的問題。

近年來，煤炭資源的高強度開發與煤化工產業的快速發展，產生了大量劣質煤。鑒于國家政策對劣質煤資源化、高值化、清潔化利用的要求，因而不少燃煤發電廠有大比例摻燒或直燃劣質煤的需要，但受限于鍋爐型號仍為舊型的對沖鍋爐或四角切圓鍋爐[3]，導致劣質煤燃燒過程及排放都出現了諸多問題。

20世紀90年代我國開始引入適合燃燒揮發分低的、難燃煤的W型火焰鍋爐，因而相對于四角切圓鍋爐，對沖燃燒鍋爐更類似于W型火焰鍋爐，只不過對沖鍋爐燃燒器布置在前后墻正對位置，而W型火焰鍋爐燃燒器斜向下噴出煤粉，煤粉在爐膛里經歷更長的燃燒時間。對沖燃燒鍋爐相比于四角切圓鍋爐燃燒方式的熱負荷沿爐膛方向均勻性較好，爐膛出口及水平煙道的煙溫偏差小，易于控制；且對沖燃燒一二次風混合早，有利于難燃的劣質煤著火及燃盡；同時，采用旋流燃燒器的對沖燃燒鍋爐可以有效卷吸高溫煙氣，造成爐內高溫，更適合揮發分少著火點低的劣質煤。但存在對沖燃燒鍋爐對易結焦的煤適應能力弱的缺點，一二次風混合早導致空氣分級效果差，混合爐內溫度場較高使得爐內NOx生成濃度較高[4]，且變負荷的情況下NOx濃度水平變化劇烈，在噴氨系統跟隨性較差的情況下會造成瞬時過度噴氨的狀況，導致氨逃逸現象[5]。因此，對沖鍋爐在燃用劣質煤上雖然具有一定優勢，但會造成相應的脫硝情況惡化。

隨著國家政策要求的越來越嚴格，目前有不少燃煤發電廠脫硝系統NOx排放水平已無法滿足環保標準，燃煤發電廠的脫硝系統急需進一步優化與改造。本文以某電廠330MW的對沖燃燒鍋爐為例，通過對脫硝系統進行流場優化、大顆粒飛灰攔截、噴氨系統智能測控等改造手段，解決原系統氨逃逸率高、脫硝系統效率低等問題，并為其它燃用劣質煤對沖燃燒鍋爐脫硝系統的改造和優化提供參考與借鑒。

1設備與運行概況

1.1 設備概況

對沖燃燒鍋爐為亞臨界參數、自然循環單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、前后墻對沖燃燒的燃煤汽包爐。SCR 反應器采用3層固定床設計，其中2層半配置有催化劑，同時反應器頂端有格柵式均流裝置，使煙氣均勻流向催化劑。催化劑采用平板式催化劑，由具有彈性的不銹鋼篩網板上加壓涂覆包括TiO2、V2O5和WO3等活性催化劑成分。催化劑最低噴氨溫度為 280℃，最高連續運行煙溫為 420℃。所用燃煤的工業分析和煤灰的元素分析如表1、

表2所示，可以發現本鍋爐機組燃用的劣質煤具有較高的灰分和較低的揮發分，會導致燃料燃用的時候難以著火，以及導致爐內較高的飛灰含量從而造成催化劑層飛灰堵塞等問題；煤灰中含有堿土金屬元素，如Ca、Fe及S元素，在還原性氣氛下可能會加重結渣腐蝕的問題。

1.2 優化改造前脫硝系統測試

優化改造前先測試了320MW和180MW下脫硝系統的性能。利用網格法劃分SCR反應器的入口煙道截面，且對測試各點的流速、溫度及NOx分布情況分別進行測試，具體如表3所示。原SCR脫硝裝置布置在省煤器與空預器之間，煙道結構性矛盾突出，省煤器出口煙道橫向截面變化較大，煙道經過多次90°轉折后進入到催化劑上游截面，由于原有導流板導流作用效果不夠，導致豎直煙道橫截面上煙氣流速均勻性較差。結合試驗結果，可知原脫硝系統存在速度場、入口濃度場偏差大的問題，煙道內流場均勻性較差；出口濃度場均勻性較差，流場均勻性及噴氨均勻性較差，因此需要對脫硝系統進行優化改造。

2 脫硝系統優化改造方案分析

2.1尾部煙道加裝大顆粒飛灰攔截裝置

我國常使用攔截濾網以捕集、分離大顆粒飛灰，常見的濾網主要有平板式和屋脊式[6]。另外，也有利用CFD軟件確定在合適的位置安裝擋灰板以實現飛灰攔截[7]，以及采用多層波紋板進行飛灰攔截[8]。本項目改造采用平板式濾網對飛灰進行攔截。

2.2流場優化

通過CFD軟件對原脫硝系統進行模擬和優化。

2.2.1加裝導流板

原系統中脫硝頂部煙道位置僅在煙道拐彎處添加了導流板組，不能使煙氣平穩過渡且分布均勻，導致催化劑層煙氣流速的偏差大，如圖1a所示。模擬結果顯示，催化劑上方截面速度分布標準偏差系數為23.2%，極大地影響催化劑對煙氣中氮氧化物的脫除性能。本次優化設計增加了導流板，突擴了省煤器出口煙道，煙道轉折處及脫硝頂部煙道折向并突擴，最終設計煙道內加裝的導流板位置如圖1b所示。

2.2.2對噴氨支管等壓控制

傳統SCR噴氨管道長度較長，一般設計為等直徑管道。每經過一根噴氨支管，管道里面的氨水就會噴出，管道內的流量就會減少，但這樣會造成每個支管處的壓力不一致，從而導致噴氨支管的流速不一致，進而使得噴氨格柵噴氨量分布不均。針對該問題，應對噴氨管道采用變支管直徑等壓力設計，確保噴氨支管的流速基本一致。

2.2.3實現噴氨格柵全靜壓雙向調節

將噴氨格柵（AIG）分區，并改造AIG以實現全靜壓雙向可調節。對噴嘴進行防磨防堵灰處理，提高噴氨均勻性及可靠性，再配合噴氨優化調整試驗實現精準控制噴氨，優化催化劑反應效率，減少氨逃逸。

2.2.4在AIG后加裝氨-煙擾流混態發生器

由于項目原有系統中煙道都較短，無法讓NH3與煙氣中的NOx充分混合，使得進入催化劑層后的反應均勻性差。因此，針對該問題，提出了在AIG后面加裝氨-煙混態擾流發生器，使得噴氨后氨與煙氣經過氨-煙擾流器增強氨-煙混合的均勻性，讓NH3與NOx均勻反應，如圖2所示。

針對于原系統具有的脫硝系統反饋滯后、脫硝入口NOx濃度變化大、負荷波動大及調節速度慢等問題，優化脫硝智能控制系統并在優化中合理設置死區，充分利用前饋改進CEMS系統，減少NOx測試延遲；增加微分前饋補償，匹配、限制參數設置；采用多變量前饋，優化預測模型。優化后的脫硝控制邏輯如圖3所示。

3 CFD模擬計算分析

3.1 CFD模型建立

對煙道進行1：1建模，由于左右兩側SCR 脫硝反應器結構與入口煙氣條件相同，且沿鍋爐中心線呈對稱布置，故僅以單側反應器作為研究對象，模型計算入口為省煤器出口，模型計算出口為空預器入口。利用流體動力學計算軟件CFD對內部煙氣流場進行數值模擬計算，模型中主要考慮煙道結構、導流板及整流格柵對煙氣流場的影響，并對3個特征截面進行分析，如圖4所示。其中，截面1為噴氨格柵上游位置截面，截面2為煙道模型縱截面，截面3為第一層催化劑上方500mm截面。

3.2 優化后流場模擬結果

如圖5所示，流場優化改造后速度分布偏差減小，催化劑區域的低速流體區基本消除，噴嘴處截面速度分布均勻性改善，煙道內NOx分布均勻性提高；速度分布標準偏差為13.2%，滿足催化劑入口截面速度分布均勻性偏差小于15%的要求；首層催化劑上游煙氣的最大入射角為8.2°，滿足技術要求，改善了垂直性。優化改造后的SCR脫硝系統速度場和濃度場的分布均勻性增強，脫硝效能提升，氨逃逸減少。

3.3 冷態實驗結果

研究SCR反應器的內部流場，最簡單有效的方法是利用數值模型進行計算求解，但由于數值計算的復雜性，因而計算中用到了一些假設和經驗數據，得出的反應并不是真實情況，需進一步通過實驗驗證。冷態模擬技術被認為是一種準確、可靠、操作簡單的試驗方法，且冷態試驗對實際反應器設計和數值模擬的驗證是不可替代的。

試驗冷態模型如圖6所示，導流板、噴氨系統、混合器、整流格柵、催化劑層孔板、測點等均已安裝完成。實驗采用冷態的空氣模擬實際煙氣，催化劑層前的流速分布由從壁面測孔伸入的高精度轉輪風速儀測得，具體操作時應在沿壁面方向和垂直于壁面方向進行測量。

為了更量化地顯示催化劑層前的截面速度分布特性，作出如圖7所示的沿X和Y軸方向的平均速度分布曲線，其中沿X和Y軸某位置的速度值為該位置沿X或Y軸11個速度點的平均值。在3個負荷條件下，沿Y軸的平均速度分布較為均勻；相比而言，沿X軸的平均速度分布則總體呈現出一端速度低一端速度高的規律，這與圖速度云圖所呈現的直觀規律一致。分析認為，該低速區是由上游煙道的折轉擴張結構導致，在設計時已注意該區域低速區的消除。不同負荷下速度分布的標準差如表4所示，3個工況下總體截面的速度標準差均較小，滿足總體截面速度標準差小于15%的標準要求。

采用飄帶實驗確定SCR反應器內的流場分布及催化劑前的煙氣入射角度。煙氣經過催化劑層上游彎頭、導流板后的流線在導流板及整流格柵的作用下偏斜角度得到糾正，在催化劑層上方飄帶的入射角度滿足設計要求。

結論

針對燃用劣質煤的對沖燃燒鍋爐燃用過程中飛灰堵塞催化劑層、噴氨系統跟隨性差、氨逃逸率高等問題，提出了包括大顆粒飛灰攔截、流場優化、噴氨系統智能測控等改造手段的優化改造方案。改造后通過CFD和冷態實驗進行驗證，結果表明本次優化改造既有效地解決了原系統氨逃逸率高、脫硝系統效率低等問題，又有效控制了尾部煙道空預器硫酸氫銨堵塞，提高了鍋爐運行安全性，有利于實現NOx深度減排，同時還為其它燃用劣質煤對沖燃燒鍋爐脫硝系統的改造和優化提供了范本及思路。

參考文獻

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作者簡介

秦峰（1976—），男，漢族，內蒙古呼和浩特人，本科，高級工程師，研究方向為電廠運行節能生產管理、燃料管理。