脫硝系統均勻性優化方案研究

吳學斌，王軼，樊雄飛，顧超，伍力拓

(1.青銅峽鋁業發電有限責任公司，寧夏 青銅峽 751600；2.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710025)

0 引言

隨著中國環境保護法律法規日益嚴格，火電機組已普遍實施“超低排放”，其脫硝系統的運行可靠性被納入嚴格監管[1]。選擇性催化還原(SCR)因其具有高脫硝率、技術可靠等優點，成為目前燃煤電廠脫硝系統的主流選擇。在運行中，由于煙氣中NOx濃度分布無法達到均勻分布，同時噴氨裝置噴出的氨也無法達到均勻分布，使得部分區域的氨氮摩爾比值低于設計值，導致脫硝反應不均勻。因此在實際操作中，往往采取多噴氨的方式以滿足超低排放的要求，但是會造成氨逃逸增多的問題，對系統的穩定安全運行造成威脅[2-4]。目前仍有部分電廠脫硝系統未能充分發揮設計的減排能力和環保效益[5]，亟需對其進行改造優化。

氨逃逸率過高主要是由于氨利用率的不均勻性，在結構和催化劑已確定的情況下，脫硝系統的均勻性是影響脫硝系統指標(即脫硝效率和氨逃逸率)的重要因素。因此國內往往采取優化流場、改善均勻性的優化方案，以實現經濟高效的優化改造。脫硝系統均勻性較差的主要形成因素包括：(1)流場設計不合理導致流動不均勻[6]；(2)噴氨格柵強度不夠，混合不均勻[7-8]；(3)催化劑磨損[9]、催化效果不均勻；(4)噴氨總量的控制邏輯具有滯后性，以環保測點參數為基準調整指導參數的方式導致噴氨調整落后，尤其是變負荷的情況下，造成氨逃逸率升高[10]。

本文總結了流場和噴氨方式的優化改造方案，并以某330 MW 的燃煤機組脫硝系統改造為例，利用CFD 軟件對330 MW 燃煤機組SCR 脫硝系統進行模擬，對原煙道進行均勻性優化，并對噴氨格柵進行改造，還利用軟件模擬和實際熱態測試對比了脫硝系統改造前后的效果。結果表明改造后脫硝效能提升，并且降低了噴氨量，氨耗量減少23.8%，減少了氨逃逸，改善了經濟性。

1 示例設備與模擬

1.1 示例設備概況

待改造脫硝系統采用高灰型工藝布置，即反應器布置在鍋爐省煤器與空預器之間，催化劑使用蜂窩式催化劑。每層催化劑增加蒸汽吹灰器6 臺，每臺爐共計18 臺蒸汽吹灰器，用來清理催化劑表面的積灰，以保持催化劑表面清潔，保證催化劑正常工作。

1.2 模型建立

按照1∶1 的比例建立了全尺度三維模型，因左右兩側SCR 脫硝反應器結構及入口煙氣條件相同，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。利用CFD 軟件對SCR 脫硝系統進行流場模擬，模型計算入口為省煤器出口，模型計算出口為空預器入口。采用湍流k-ε雙方程模型計算煙氣流動，催化劑結構模擬采用多孔介質模型，依據實際壓降計算確定多孔介質內的黏性阻力系數和慣性阻力系數，并選擇合適的孔隙率。計算過程進行如下簡化：實際系統漏風較小，因此不考慮系統漏風；煙氣中的飛灰對本研究影響較小，因此煙氣視為單相氣態不可壓縮流體、連續介質且為定常流動；流體物性參數為常數，省煤器出口煙氣速度分布均勻。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500 mm 截面。考慮導流板、整流格柵和煙道其他部分的尺寸差異較大，因此進行局部網格加密，在兼顧計算量和網格合理性的情況下，得到模擬SCR脫硝系統模型總網格數約為457 萬個。通過計算不同導流板方案下的流場均勻性，得出了最優的導流板布置方案。

如圖1 所示，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，煙道結構性矛盾突出。同時由于省煤器出口煙道截面突擴，而彎頭處導流板并未實現煙氣流動在突變后截面上的均勻分布，導致豎直煙道橫截面上速度分布出現偏差，進入催化劑層的煙氣流速偏差較大(標準偏差為23.3%)，影響催化劑對煙氣中氮氧化物的脫除性能。另外，由于整流格柵上方未設置導流裝置，首層催化劑上游來流速度的垂直性不好，最大煙氣入射角為17°，不滿足煙氣入射角小于10°的要求。

圖1 SCR 脫硝系統模型

2 優化方案總結

2.1 加裝導流板

加裝導流板是常用的改善流場分布的方法，通過在流通面積或運動方向發生變化處安裝適當形狀的導流板，既可以避免在彎曲處的內外側出現大范圍的渦流區，也可以減少二次流的產生和影響范圍，并且有助于減少煙氣中顆粒對反應器和催化劑的磨損。導流板有直板、弧度板和弧度直板三種。反應器上方、頂部斜坡和整流格柵之間的區域，是整個流道最后也是最關鍵的流場控制區，由于該區域外輪廓變化很不規則，又有遠端的尖銳角存在，流場變動規律復雜而敏感，因此造成該區域的導流板布置、各電廠機組設置不同，脫硝效果差別很大。除了對導流板位置進行優化，近年來還有可移動式的導流板組，包括擺動調節式、平移調節式[11-12]，以實現導流板角度、位置的調控。

本次優化設計在省煤器出口煙道突擴處、煙道轉折后、脫硝頂部煙道折向以及突擴處加裝導流板，如圖2 和圖3 所示，優化后豎直煙道橫截面1 上速度分布偏差減小，速度分布標準偏差由35.7%降低為13.1%，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，有利于增強NH3/NOx混合的均勻性。脫硝頂部煙道位置增加導流板后，基本消除了催化劑區域的低速流體區，減小了催化劑層入口截面速度偏差。

圖2 加裝導流板位置示意圖

圖3 優化改造前后效果

改造后首層催化劑層上游速度分布的相對標準偏差速度分布的標準偏差系數由23.2% 降低為12.5%，滿足催化劑入口截面速度分布均勻性偏差小于15% 的要求。首層催化劑層上游煙氣入射角由17°降為7°，滿足小于10°的要求。另外改造后首層催化劑層上游氨氮比分布偏差為3.37%，滿足小于5%的要求。因此本次改造有效提高了流場均勻性，滿足技術標準。

2.2 噴氨裝置改造

噴氨裝置包括噴氨格柵(AIG)和氨煙混合器，主要分為線性控制式AIG、分區控制式AIG 和混合型AIG。其中，線性式AIG 是一根直通的噴氨母管上有多根支管，支管的流量相同，無法調節。分區控制式AIG 由線性式優化而來，煙道橫截面被均勻分為若干區域，NH3分區噴入，每個區域噴氨量單獨可調。混合式AIG 的噴氨管下流布置了靜態混合器，噴氨管上噴嘴和混合器的葉片相對布置，致使氨-煙形成穩定的渦流或旋流，以加強擾動，實現氨的均勻分布。混合器葉片有多種形式，包括“Y”型、“X”型等，另外混合器的半徑和安裝角不同時，均勻性也有所差異。

本次對噴氨裝置實施以下改造：

(1)噴氨格柵到催化劑之間的煙道長度需滿足一定長度，才能保證有足夠時間供煙氣擴散、稀釋、混合，而現有系統的煙道較短，導致NH3與NOx混合性差。故采用混合式AIG，在噴氨格柵上方1.5 m位置安裝氨- 煙擾流器以改善速度場和濃度場的均勻性。

(2)SCR 系統噴氨方式為渦流噴氨，寬度方向上分區少，深度方向上沒有分區，實際運行中無法通過噴氨優化調整來改善前后方向的濃度差異，系統整體調節性能較弱。故將原渦流噴氨改造為噴氨格柵，并進行分區改造，每個分區格柵設置一個手動調節門，以實現煙道寬度和深度的雙向精細化調節功能。

(3)設計防堵型AIG 噴嘴，并對支管管徑、噴嘴數量、噴射角度等進行模擬，確保各支管噴射的速度趨于一致均勻。為增強噴嘴噴射擴散效果和防堵灰性能，采用噴嘴Y 形錯列布置，并且設計偏斜一定角度，有利于氨與煙氣混合均勻。在噴嘴下方設置擾流板，如圖4 所示。擾流板可以對噴氨支管背風側的積灰進行有效自清除，使積灰高度小于噴口高度。煙氣進入擾流板后形成的渦流擾動，還可以對噴口邊沿的積灰形成不間斷沖擊，可有效防止噴口上積灰過多至坍塌、橋接等，防止噴氨格柵支管背風側積灰埋沒堵塞噴嘴、上方積灰坍塌堵塞噴嘴、噴嘴邊緣積灰搭橋堵塞噴嘴。

圖4 防堵噴嘴示意圖

(4)實際運行中發現，等徑噴氨母管存在壓降，無法保證各支管壓力一致，導致各支管噴嘴流速不均，速度偏差最大可達50%。故采取加大集管直徑、縮小噴管直徑的改造方案，形成“靜壓管”，使各噴嘴流速基本一致。

如圖5 所示，改造后截面3 首層催化劑上層500 mm 氨- 氮比均勻性較好，計算得出催化劑上方截面氨-氮比分布的均勻性偏差為3.37%，滿足首層催化劑上層500 mm 氨-氮濃度分布均勻性≤5%的要求，首層催化劑上游來流速度的垂直性良好，最大煙氣入射角為7°，滿足入射角小于10°的要求。通過本次優化改造，可提高SCR 脫硝系統的性能。

圖5 改造前后效果

3 改造后熱態測試結果

280 MW 工況下在SCR 反應器的進口和出口煙道截面，利用網格法進行煙氣取樣和流速測量，在測量面的寬度上開設若干個測孔，每個測孔的深度上取若干個測點，用標準皮托管和微壓計測量截面上各網格點的動壓。煙氣經不銹鋼管引出至煙道外，再經過除塵、除濕、冷卻等處理后，最后接入煙氣分析儀分析煙氣中的NOx含量，可獲得煙道截面的NOx濃 度 分布(干 基、標 態、6% O2)。表1 為280 MW工況下改造前和改造后熱態測試結果對比。由統計數據可知，280 MW 工況下，改造前每萬度電消耗液氨量為2.817 kg/(萬kW·h)，優化改造后為2.438 kg/(萬kW·h)，液氨耗量下降0.379 kg/(萬kW·h)，下降幅度為13.5%。在280 MW 工況下，入口NOx同為235 mg/Nm3的情況下，液氨單耗從2.817 kg/(萬kW·h)下降到2.147 kg/(萬kW·h)，下降23.8%。

表1 改造前后熱態測試結果對比

本次示例通過加裝導流板、改造噴氨裝置等方式，有效提高了脫硝入口速度場、入口NOx濃度場、出口NOx濃度場分布的均勻性，速度分布相對標準偏差CV 值≤15%，入口NOx濃度相對標準偏差CV 值≤5%，符合技術標準，且改造后降低液氨單耗23.8%，改善了經濟性。

4 結語

本文以某330 MW 的燃煤機組噴氨系統綜合優化改造為例，總結了流場和噴氨方式的優化改造方案，包括加裝導流板、加裝氨- 煙擾流器、優化噴氨格柵，為脫硝系統的優化改造流程提供參考。利用Fluent 軟件為330 MW 燃煤機組SCR 脫硝系統建立三維模型，對原煙道進行均勻性優化，并對噴氨格柵進行改造，以實現速度場和濃度場的分布均勻性增強。并在熱態280 MW 下進行性能試驗，結果表明改造后脫硝入口速度場、入口NOx濃度場、出口NOx濃度場分布的均勻性得到極大改善，均符合技術指標，脫硝性能提升，并且降低了液氨單耗23.8%，極大程度上提升了經濟性。