燃煤機組SCR脫硝系統技術提升與智慧噴氨設計

摘 要：為提升某660 MW燃煤機組SCR脫硝性能，采用網格法實測機組由高至低4種負荷下煙道入口流速、濃度等分布，并以此為入口參數進行CFD數值模擬計算，發現當前煙道首層催化劑前存在流速分布不均、氨氮量不匹配的問題。通過優化反應器入口導流板來提升首層催化劑前流速分布均勻性，并進行智慧噴氨設計，將原噴氨管路加裝自動調節閥門以實現運行中噴氨量的實時調整。經數值模擬驗證，優化設計方案能夠適應不同負荷下流場變化，各負荷下首層催化劑前流速分布偏差小于15%，氨氮摩爾比分布偏差小于5%，均滿足流場技術指標要求。

關鍵詞：多負荷；非均勻入口；數值模擬；流場優化；智慧噴氨

中圖分類號：TQ515 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0134-04

Technical improvement and intelligent ammonia injectiondesign of SCR denitrification system for coal-fired units

ZHANG Hejing 1 ，LIN Zengwen 1 ，ZHU Yinfei 1 ，ZENG Zhenrong 1 ，

LI Ying 1 ，TIAN Wei 2 ，LIU Yimiao 2

（1. Fujian Huadian Shaowu Energy Co.，Ltd.，Shaowu 354000，Fujian China；

2. Beijing Newleaf Technology Co.，Ltd.，Beijing 100083，China）

Abstract：In order to improve the SCR denitrification performance of a 660 MW coal-fired unit，the grid methodwas used to measure the distribution of flue inlet flow velocity and concentration under four loads from high to low，and CFD numerical simulation calculation was carried out with this as the inlet parameter，and it was found thatthere were problems of uneven flow velocity distribution and mismatched ammonia nitrogen amount in front of thecatalyst in the first layer of the flue. By optimizing the inlet deflector plate of the reactor to improve the uniformity offlow velocity distribution before the first layer of catalyst，the intelligent ammonia injection design was carried out，and the original ammonia injection pipeline was equipped with an automatic adjustment valve to realize the re?al-time adjustment of the ammonia injection amount during operation. The numerical simulation verificationshowed that the optimized design scheme could adapt to the changes of the flow field under different loads，and thedistribution deviation of the flow velocity before the first layer catalyst under each load was less than 15%，and thedistribution deviation of ammonia nitrogen molar ratio was less than 5%，which meets the requirements of the flowfield technical indicators.

Key words：multi-load；non-uniforminlet；numericalsimulation；flowfieldoptimization；intelligentammoniainjection

氮氧化物是引發酸雨、二次顆粒物的重要污染物 [1-2] ，燃煤機組目前仍是我國主要的能源供給來源 [3] 。

《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》規定NO X 排放濃度不得高于50 mg/m 3 。除低氮燃燒之外，燃煤機組大多采用選擇性催化還原法（SCR）對煙氣中NO X 進行處理，以氨為還原劑，在催化劑作用下，將高溫煙氣中的NO X 還原為N 2 和H 2 O [4-5] 。受限于空間位置，SCR脫硝煙道多轉折及變徑段，煙氣進入反應器前的流場均勻性難以保證 [6-10] 。此外，機組運行中面對調峰，負荷變化帶來的流場及污染物分布變化，要求SCR煙道流場及還原劑分配具有良好的適應性。

研究表明通過計算流體力學（CFD）數值模擬方法對脫硝煙道進行優化，調整導流板、混合裝置等能有效提升流場均勻性 [11-14] 。本文以某660 MW機組SCR脫硝系統為研究對象。以實測入口煙氣參數為邊界條件計算分析多負荷下煙氣流速、濃度及氨氮摩爾比分布等，對煙道內導流裝置進行優化，并結合智慧噴氨改善首層催化劑前流速及濃度分布均勻性，實現脫硝性能的整體提升，為智慧脫硝應用提供理論支撐與技術指導。

1 研究對象

1.1 機組概況

機組鍋爐為DG 1958/28.25—Ⅱ13 型超超臨界變壓直流爐，采用對沖燃燒方式、固態排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風。SCR反應器為雙塔對稱布置，入口為斜向上變徑煙道，截面向外側漸擴，該位置有2組導流板分別對應煙道變化角度，煙道中彎頭處均布置有導流板。氨注射管道位于豎直煙道，其上方布置有混合器，噴嘴的中心與混合器葉片的中心對準，該位置煙道截面尺寸3.4 m×12.945 m。反應器頂部布置一組導流板，反應器截面尺寸為11.84m×12.945m，高度為11.845m。反應器出口為斜向下煙道至空預器。

1.2 CFD計算方法

CFD技術是通過計算機對流體力學的控制方程進行數值模擬計算。在模擬計算過程中，將煙氣視為不可壓縮流體，定常流動，選擇標準k-ε方程，煙氣中多種組分采用組分運輸方程表示，控制方程由質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程組成。

計算域模型包括氨噴射格柵、催化劑層和煙道；其中催化劑層采用多孔介質模型定義阻力特性，保證催化劑層壓損與實際一致。

1.3 指標定義

采用相對標準偏差值評估SCR脫硝系統首層催化劑前流場分布。相對標準偏差（ Cv ）是指標準偏差與平均值的比值，值越小，表示流場均勻性越好。工程設計中一般要求流速偏差小于15%，氨氮摩爾比偏差小于5%。

1.4 邊界條件

在高、中、低、超低4種負荷下，實測各負荷下脫硝系統入口煙氣參數，如表1所示。

采用網格法對入口流速、NO X 濃度分布進行實測，并以此作為計算域模型的入口參數，分析機組在各負荷下流場特征，確保流場優化方案對負荷變化的適應性。圖1為計算域入口流速參數設置，圖2為計算域入口NO X 質量分數參數設置。

2 計算結果與分析

2.1 流動分析

圖3為不同負荷下混合器上方截面流速分布圖，各負荷下流速分布特征類似。混合器旋轉葉片使煙氣與氨發生強制擾流，截面中流速較高的區域中心與混合器中心位置對應。來流煙氣受入口煙道向外側變徑及內部導流板影響，靠近煙道左右墻區域流域略高。

煙氣自豎直煙道經2次翻轉進入反應器，然后流經整流格柵進入催化劑層。圖4為不同負荷下首層催化劑前流速分布，可以發現由混合器所導致的中心高速區已完全消失，后墻均存在高速區，前墻存在低速區，而煙道中心流速相對較低，各負荷下分布特征一致。說明本煙道中首層催化劑前流速偏差受脫硝系統入口流速偏差影響較小，主要是受煙道結構及內部導流裝置影響。各負荷下流速相對標準偏差值也接近，負荷由高至低其 C V 值分別為22.45%、22.42%、22.39%、22.36%，均大于15%，不滿足流速偏差要求。

不均衡的煙氣量會使催化劑利用率下降，同時高速煙氣會對整流格柵、催化劑層產生沖刷，降低使用壽命。

2.2 濃度分析

首層催化劑前NO X 質量分數分布如圖5所示，與圖2對比發現濃度高低區域與入口分布基本對應。煙氣經煙道導流、混合器、整流格柵等裝置后，NO X 分布均勻性有所提升，但大體特征不變，主要是因為煙道中混合器為單噴嘴小尺寸形式，煙氣擾流發生在小范圍內，而導流裝置對煙氣中氣體組分的混合影響較小。

在均勻噴氨時，氨氮摩爾比分布如圖6所示，負荷由高至低其 C V 值分別為9.09%、5.88%、9.78%、9.41%，均大于5%。氨氮摩爾比分布與NO X 濃度呈明顯的關聯性，二者分布大致相反，氨氮摩爾比的分布偏差主要歸因于NO X 分布導致的氨氮量不匹配。進入反應器后，氨氮摩爾比值較高的區域，氨量難以完全消耗，在出口極易導致過量的氨逃逸。而氨氮摩爾比值較低的區域，則無法將煙氣中的NO X 完全反應，使脫硝效率下降。

3 優化與設計

3.1 流場優化

針對當前脫硝煙道流場分布特征，對反應器頂部導流板進行優化，如圖7所示。反應器入口導流板數量由3塊增加至4塊，且傾角不同，在整流格柵中心偏后墻區域上方布置導流板，削弱煙氣在慣性作用下的后墻流域趨向性，改善中心區域流速低的現象。在后墻與頂蓋之間增設一導流板來消除煙氣聚現象。

3.2 智慧噴氨設計

均勻噴氨條件下，氨氮摩爾比分布與NO X 濃度值分布高低值相反，說明入口煙道流場對氨的分布無明顯影響，氨氮量不匹配主要受入口NO X 濃度分布不均影響，而SCR入口NO X 依賴于鍋爐燃燒，調控難度較大且會隨負荷變化，因此通過調控氨量進而調整氨氮匹配度更具有可行性。因此對噴氨管路進行智慧噴氨設計，保留原支管手動閥，將兩支管合并為一聯箱加設自動調閥，單側煙道共8分區，如圖8中提亮部分管道所示。實際運行中，配置NO X 同步分區測量儀表，智慧噴氨系統可根據NO X 濃度分布進行實時自動調整。

4 流場效果分析

4.1 流動分析

為驗證流場效果，采用與優化前一致的煙道入口設置參數，對優化后模型進行計算。圖9為首層催化劑前煙氣流速分布圖，各負荷下靠近后墻的高流速區及靠近前墻的低流速區均已消失，流速均勻性明顯提升，負荷由高至低其 C V 值分別為9.86%、9.94%、10%、9.33%，均滿足小于15%的控制指標要求。

4.2 濃度分析

在流場優化基礎上，調整各分區噴氨量，提高氨氮量匹配度，在混合器的強制擾流下，氨與煙氣充分混合，由高至低4種負荷下氨氮摩爾比 C V 值分別為3.68%、3.56%、3.27%、3.60%，均小于5%，如圖10所示。說明智慧噴氨設計能夠應對機組運行時由于負荷、燃燒帶來的波動，適應各負荷下NO X 濃度分布。

5 運行效果分析

流場優化及智慧噴氨改造完成后，在650MW、470MW、300 MW穩定負荷下，對出口測點NO X 值濃度進行記錄，得到數據記錄如圖11所示。各負荷下，SCR出口各測點NOX濃度分區都較均勻，無明顯偏差，且NO X 濃度均值小于規范要求，說明改造之后脫硝運行符合預期效果。

6 結語

（1）采用實測不同負荷下非均勻入口參數進行CFD流場仿真可以更加全面得了解煙道流場分布的共性及差異性，進而得到適配度更高的流場優化方案；

（2）不同負荷下噴氨格柵區域、首層催化劑前流速分布特征類似。而在單噴嘴小尺寸混合器下，首層催化劑前濃度場則更多得受脫硝系統入口濃度分布影響；

（3）反應器頂部導流板的布置會直接影響首層催化劑前煙氣流速分布，后墻處整流格柵頂與頂板之間的間隙會形成煙氣聚集區，通過增設導流板、合理布置導流傾角，可以有效提升該位置流速均勻性；

（4）在流場均勻的基礎上，智慧噴氨設計增加自動調節閥門，可以提高不同運行工況下氨量與煙氣中氮氧化物的匹配程度，結合原混合裝置實現氨氮均勻混合，經實際運行驗證滿足技術要求。

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（責任編輯：張玉平）