王敦敦，劉峰，陳珣，呂當(dāng)振，楊益

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙湖南410007；2.長(zhǎng)安益陽(yáng)發(fā)電有限公司，益陽(yáng)湖南413000)

電站鍋爐SCR脫硝旁路煙道改造數(shù)值模擬及應(yīng)用

王敦敦1，劉峰2，陳珣1，呂當(dāng)振1，楊益1

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙湖南410007；2.長(zhǎng)安益陽(yáng)發(fā)電有限公司，益陽(yáng)湖南413000)

某電廠在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，SCR脫硝裝置入口煙溫低于脫硝反應(yīng)最低溫度，導(dǎo)致SCR無(wú)法正常運(yùn)行。采取了在鍋爐轉(zhuǎn)向室后抽出高溫?zé)煔?，與低溫?zé)煔膺M(jìn)行混合，提高SCR入口煙氣溫度的技術(shù)改造措施。通過(guò)數(shù)值模擬及試驗(yàn)，研究了旁路煙道布置方式對(duì)混合后煙氣溫度分布的影響以及改造前后鍋爐效率、煙溫分布變化的情況。

SCR脫硝；旁路煙道；數(shù)值模擬；煙氣溫度

隨著中國(guó)對(duì)于大氣環(huán)保的更高要求，電站鍋爐必須進(jìn)行脫硝改造，目前采用最多的是選擇性催化還原脫硝裝置(SCR)〔1〕。由于部分火電廠鍋爐在設(shè)計(jì)初期煙氣脫硝問(wèn)題考慮不足，導(dǎo)致改造后的脫硝系統(tǒng)存在低負(fù)荷下入口煙氣溫度低問(wèn)題，在環(huán)境溫度低的情況下尤其明顯。當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣溫度易低于反應(yīng)溫度，脫硝催化劑會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，效率降低。因?yàn)樯晌飼?huì)附著在催化劑表面，堵塞催化劑的通道和微孔，降低催化劑的活性，嚴(yán)重者會(huì)產(chǎn)生催化劑低溫中毒失去活性，導(dǎo)致脫硝效率大幅下降，甚至導(dǎo)致脫硝裝置無(wú)法投運(yùn)〔2－3〕。鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，風(fēng)量難以降低，NOx生成量較高，因此需解決低負(fù)荷下的脫硝投運(yùn)問(wèn)題。

提高SCR反應(yīng)器入口煙溫方法一般有高溫?zé)煔饧訜?、省煤器分段布置、旁路部分給水、提高給水溫度等〔4〕。采用煙氣加熱技術(shù)對(duì)于煙溫的調(diào)節(jié)范圍廣，運(yùn)行控制方法簡(jiǎn)單，在電廠逐漸得到應(yīng)用。

1 脫硝旁路煙道改造

某電廠二期工程3，4號(hào)鍋爐為哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的660MW超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐，型號(hào)為HG－1913/25.4－PM8。經(jīng)過(guò)脫硝改造后，鍋爐尾部增加脫硝裝置，采用選擇性催化還原法(SCR)。該廠改造后采用的催化劑理論最低運(yùn)行溫度為310℃，3，4號(hào)鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，脫硝入口煙氣平均溫度經(jīng)常低于310℃。

為保證脫硝系統(tǒng)在全負(fù)荷段均能正常投運(yùn)，通過(guò)技術(shù)改造，在左右側(cè)尾部煙道上各安裝一個(gè)旁路煙道，布置圖如圖1所示。旁路煙道從轉(zhuǎn)向室引出高溫?zé)煔?，連接至脫硝前下部水平煙道。在旁路煙道上部安裝有隔絕電動(dòng)門，旁路煙道下部安裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)門，調(diào)節(jié)門后安裝有煙氣溫度測(cè)點(diǎn)。在鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行SCR入口煙氣溫度大于310℃時(shí)隔絕電動(dòng)門和調(diào)節(jié)電動(dòng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，旁路煙道關(guān)閉。當(dāng)入口煙氣溫度低于310℃時(shí)，手動(dòng)將隔絕門打開，并通過(guò)調(diào)門調(diào)整高溫?zé)煔饬髁浚刂泼撓跞肟跓煖卦诤线m范圍內(nèi)。

圖1 脫硝旁路煙道安裝位置示意圖

旁路煙道的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1，高溫?zé)煔鈦?lái)自過(guò)熱器上部的轉(zhuǎn)向室處，該部位在50%BMCR工況下煙氣溫度約為600℃。根據(jù)計(jì)算，抽取的煙氣量只占總煙氣量的6.7%，對(duì)鍋爐整個(gè)系統(tǒng)影響較小。

表1 旁路煙道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

2 煙氣混合數(shù)值模擬

通過(guò)數(shù)值模擬分析旁路煙道加入后對(duì)脫硝入口煙氣溫度的影響。建立從省煤器出口至脫硝入口之間的煙道模型，數(shù)值模擬控制方程采用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程模型模擬湍流流動(dòng)，組分傳輸模型模擬煙氣的混合，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬壁面的流動(dòng)及傳熱。主煙道入口和脫硝旁路煙道入口采用速度入口邊界條件。

按照設(shè)計(jì)工況，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的煙道傳熱模擬，煙氣流量為1 268.8 t/h，旁路煙氣流量為85 t/h，旁路煙氣溫度設(shè)定為578℃，煙道入口平均溫度設(shè)定為302℃。煙氣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定分別為O2＝0.068 7，CO2＝0.198 7，H2O＝0.061 3，該組分設(shè)定對(duì)應(yīng)的各氣體體積分?jǐn)?shù)為O2＝6.3%，CO2＝13.2%，H2O＝10%。

圖2為標(biāo)準(zhǔn)工況下，脫硝入口煙道溫度分布模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在分布趨勢(shì)上基本一致，模擬計(jì)算值和實(shí)測(cè)溫度值基本吻合，這表明模擬計(jì)算與實(shí)際情況基本相符。

圖2 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖3為標(biāo)準(zhǔn)工況下整體煙道系統(tǒng)垂直截面上的分布圖，高溫?zé)煔鈴呐月窡煹酪砸欢ń嵌冗M(jìn)入尾部煙道，與低溫?zé)煔膺M(jìn)行混合，由于高溫?zé)煔饬髁康停旌蟽H在煙道上部區(qū)域進(jìn)行。

圖3 煙道系統(tǒng)垂直截面上溫度分布圖(K)

圖4為脫硝入口水平截面上的溫度分布，高溫區(qū)域位于煙道中前部位，兩側(cè)溫度逐漸降低。

圖4 脫硝入口水平截面上溫度分布圖(K)

通過(guò)改變旁路煙道的煙氣流量，模擬計(jì)算流量變化對(duì)脫硝入口煙道溫度分布的影響。將旁路煙道高溫?zé)煔饬髁堪凑?種工況進(jìn)行設(shè)定，分別為85t/h，63 t/h和42 t/h。圖5所示為流量變化后，脫硝入口煙道平均溫度沿寬度方向的分布?？梢钥闯?，隨著高溫?zé)煔饬髁拷档?，脫硝入口煙道溫度逐漸降低，且分布趨于平均。在50%BMCR負(fù)荷下，全開旁路煙道，高溫?zé)煔饬髁繛樵O(shè)計(jì)流量(85 t/h)時(shí)，脫硝入口平均溫度為325℃，但是仍有部分邊緣趨于溫度低于脫硝安全溫度(310℃)。當(dāng)流量降低為設(shè)計(jì)流量一半時(shí)(42 t/h)時(shí)，脫硝入口平均溫度為308℃，低于脫硝安全運(yùn)行溫度。

圖5 高溫?zé)煔饬髁孔兓瘜?duì)脫硝入口煙道溫度分布影響

3 旁路煙道投運(yùn)對(duì)機(jī)組的影響

3.1 對(duì)鍋爐效率的影響

在50%BMCR負(fù)荷下，對(duì)脫硝旁路煙道的投退進(jìn)行試驗(yàn)，分析其對(duì)鍋爐效率，試驗(yàn)煤質(zhì)見表2。

表2 試驗(yàn)煤質(zhì)

脫硝旁路煙道投入前，未修正鍋爐熱效率為93.98%，脫硝旁路煙道投入后，電動(dòng)隔絕擋板和調(diào)節(jié)擋板全開，未修正鍋爐熱效率為93.78%，鍋爐效率下降0.2%。鍋爐效率降低是由于部分高溫?zé)煔鈴霓D(zhuǎn)向室引出，未經(jīng)過(guò)低溫過(guò)熱器(再熱器)和省煤器吸熱，直接與煙氣混合，造成排煙溫度升高，排煙損失增大。

3.2 對(duì)脫硝入口煙溫分布的影響

在50%BMCR負(fù)荷下，通過(guò)測(cè)量脫硝旁路煙道投運(yùn)前后的入口煙氣溫度，分布如圖6所示。測(cè)點(diǎn)位于左側(cè)脫硝入口垂直煙道處，以煙道垂直中心點(diǎn)為零點(diǎn)，圖中所示為煙氣溫度沿寬度方向(左右側(cè))的分布，此時(shí)環(huán)境溫度為28℃。

總體看，旁路煙道投運(yùn)前，脫硝入口煙溫寬在度方向呈典型的半“M”型分布，此時(shí)平均煙氣溫度為302℃，無(wú)法滿足脫硝要求；當(dāng)調(diào)節(jié)門全開時(shí)，根據(jù)DCS顯示，旁路煙道煙氣溫度為578℃，此時(shí)脫硝入口煙溫平均值為327℃，能滿足脫硝要求。但是，由于旁路煙道截面積比原有水平煙道小，高溫?zé)煔饣旌喜痪鶆?，?dǎo)致脫硝入口煙氣溫度沿寬度方面偏差變大，部分靠近左側(cè)煙道邊緣處的煙氣溫度低于310℃。

根據(jù)數(shù)字模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知，旁路煙道直接與尾部煙道相連，煙氣溫度相差較大，煙氣混合時(shí)間少，擾動(dòng)小，導(dǎo)致混合后的煙氣溫度在寬度方向上偏差變大。混合后的平均煙氣溫度雖然能夠滿足要求，但是煙道邊緣部分煙溫仍低于脫硝理論運(yùn)行溫度，會(huì)降低邊緣區(qū)域的催化劑的活性。以上問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)整旁路煙道的布置，增加導(dǎo)流板，增強(qiáng)煙氣的混合換熱等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖6 旁路煙道投運(yùn)對(duì)脫硝入口煙氣溫度影響

4 結(jié)論

1)通過(guò)安裝旁路煙道，在低負(fù)荷下顯著提高了脫硝入口煙氣溫度，實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷脫硝高效運(yùn)行，可有效避免低負(fù)荷下脫硝退出或效率下降導(dǎo)致的氮氧化物超標(biāo)排放。

2)旁路煙道投運(yùn)后，排煙損失增大會(huì)導(dǎo)致鍋爐效率略有降低，也會(huì)導(dǎo)致脫硝入口煙溫在寬度方向上的分布偏差擴(kuò)大，旁路煙道布置方式和煙氣混合換熱方面仍有改進(jìn)空間。

〔1〕劉建民.火電廠氮氧化物控制技術(shù)〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2012.

〔2〕蔣曉鋒，朱一飛，馬欣敏，等.鍋爐SCR脫硝改造中反應(yīng)溫度的保證〔J〕.電站系統(tǒng)工程，2015，34(4):55-57.

〔3〕楊青山，廖永進(jìn).降低SCR脫硝裝置最低投運(yùn)負(fù)荷的策略研究〔J〕.中國(guó)電力，2014，47(9):153-155.

〔4〕謝尉揚(yáng).提高SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度的技術(shù)方法〔J〕.中國(guó)電力，2015，48(4):36-39.

Power plant boiler SCR denitration bypass flue numerical simulation and application

WANG Dundun1，LIU Feng2，CHEN Xun1，LV Dangzhen1，YANG Yi1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Chang'an Yiyang Power Generation Co.，LTD，Yiyang 413000，China)

A power plant SCR entrance gas temperature was lower than the safe reaction temperature in low load condition，which led to the abnormal operation of the SCR.Through technical renovation，high temperature flue gas was removed from the boiler steering room，which mixed with low temperature flue gas to increase the SCR flue gas temperature of entrance.This paper studies SCR the bypass flue arrangement influence on the distribution of mixed flue gas temperature through numerical simulation.The boiler efficiency and flue gas temperature distribution changes are analyzed through the tests.

SCR denitration；bypass flue；numerical simulation；gas temperature

TM621.2

B

1008-0198(2016)05-0051-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.013

2016-01-26