梁秀進(jìn)，朱躍，魏宏鴿

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

360 MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模擬

梁秀進(jìn)，朱躍，魏宏鴿

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

針對(duì)某360 MW機(jī)組選擇性催化還原法(SCR)脫硝反應(yīng)器，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了噴氨優(yōu)化和流場(chǎng)優(yōu)化的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，入口流場(chǎng)的不均勻性，在反應(yīng)區(qū)NOx分布和速度場(chǎng)有明顯的體現(xiàn)。通過(guò)劃分控制區(qū)域，按照各區(qū)域內(nèi)氨氮比均衡的原則，不斷優(yōu)化噴氨格柵各噴管噴氨量，可以將各控制區(qū)的氨氮比標(biāo)準(zhǔn)偏差從10.0%左右降低到1.5%以下。通過(guò)改變噴氨格柵后導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，第1層催化劑入口速度場(chǎng)得到明顯改善。對(duì)流場(chǎng)優(yōu)化后重新進(jìn)行了噴氨優(yōu)化，結(jié)果顯示:噴氨格柵后的流場(chǎng)優(yōu)化對(duì)氨氮比均勻性影響不大。反應(yīng)器入口處的煙氣流場(chǎng)與噴氨模式共同決定了后續(xù)氨氮比的均勻性，噴氨格柵后的流場(chǎng)優(yōu)化可以更多地改變分布的相對(duì)位置。

選擇性催化還原法(SCR)；脫硝；噴氨優(yōu)化；流場(chǎng)優(yōu)化；計(jì)算流體力學(xué)(CFD)

0 引言

選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)在實(shí)際工程上應(yīng)用時(shí)，由于反應(yīng)器空間大，存在著流場(chǎng)不均勻、還原劑與煙氣混合差等問(wèn)題，脫硝效率要低于實(shí)驗(yàn)室條件下的效率。隨著環(huán)保排放要求越來(lái)越高，當(dāng)運(yùn)行要求脫硝效率在90% 以上時(shí)，因需要較大的氨氮比，容易造成逃逸氨超標(biāo)、碳酸氫銨堵塞空氣預(yù)熱器(以下簡(jiǎn)稱空預(yù)器)和催化劑壽命短等一系列問(wèn)題。所以，對(duì)在運(yùn)脫硝裝置進(jìn)行優(yōu)化，成為當(dāng)前的一個(gè)新課題。目前實(shí)際工程上的噴氨優(yōu)化[1-2]通常是測(cè)量獲得反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度和氨逃逸率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)節(jié)各噴氨支管的手動(dòng)氨閥開度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存在試驗(yàn)工作量大，難以整體把握的問(wèn)題。

在SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬已成為重要的工具，用于進(jìn)行導(dǎo)流板[3-4]、整流器[5-6]、混合器[7-8]的設(shè)計(jì)以及噴氨格柵形式[9]布置等的設(shè)計(jì)，以優(yōu)化其流場(chǎng)和噴氨，但其普遍存在著反應(yīng)器入口條件未知的問(wèn)題，一般作均一性假設(shè)來(lái)解決。也有部分研究人員進(jìn)行了非均勻入口條件的模擬，如周英貴[10]對(duì)入口非均勻入口條件的SCR氨噴射做過(guò)模擬研究，但其非均勻性入口條件來(lái)自于鍋爐燃燒模擬；王樂樂等[11]采用過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做過(guò)數(shù)值模擬，以優(yōu)化改造噴氨格柵形式；孫虹等[12]利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了噴氨優(yōu)化，按照氨氮一致分配理論，得到了良好的效果。鍋爐燃燒組織是復(fù)雜的，這就會(huì)使得模擬條件和實(shí)際條件有一定的偏差，對(duì)于在運(yùn)行的脫硝系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用CFD模擬進(jìn)行二次優(yōu)化，消除原始設(shè)計(jì)條件造成的偏差，將成為脫硝優(yōu)化的新方向。本文利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用CFD進(jìn)行了某360 MW機(jī)組在運(yùn)脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化和流場(chǎng)優(yōu)化的數(shù)值模擬。

1 模擬對(duì)象與方法

1.1 模擬對(duì)象

模擬對(duì)象為某電廠360 MW機(jī)組，其SCR入口煙道尺寸為2 400 mm×11 610 mm，反應(yīng)器規(guī)格為8 980 mm×11 610 mm，3層催化劑，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，入口NOx質(zhì)量濃度600 mg/m3時(shí)，設(shè)計(jì)脫硝效率91.7%。噴氨格柵分前后兩排，每排12組，每組2根噴管，分別負(fù)責(zé)上半部煙道和下半部煙道噴氨，前后排錯(cuò)列布置，共計(jì)48根噴管；噴氨管入口在煙道上面，迎風(fēng)面設(shè)有防磨板；負(fù)責(zé)上半部煙道的噴管有8對(duì)噴嘴，負(fù)責(zé)下半部煙道噴氨的有9對(duì)噴嘴，共計(jì)408對(duì)噴嘴，靠近上下煙道璧的噴嘴距煙道160 mm，噴嘴之間間距130 mm；噴管規(guī)格為?76 mm×5.0 mm，噴嘴規(guī)格為?27 mm×3.5 mm，每對(duì)噴嘴出口與煙氣走向左右分別呈45°角。噴氨控制方式是負(fù)責(zé)上半部煙道和下部煙道的噴管分開控制，1個(gè)控制閥控制3根噴管，共計(jì)16個(gè)控制閥。

入口數(shù)據(jù)采用實(shí)際測(cè)量結(jié)果，試驗(yàn)時(shí)采用網(wǎng)格法測(cè)量反應(yīng)器入口流場(chǎng)，寬度方向分9段，高度方向分5段，共計(jì)45個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1.2 模擬方法

模擬采用FLUENT17軟件，氣體流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，反應(yīng)器中煙氣、稀釋空氣和氨氣混合采用組分輸運(yùn)模型，入口界面采用速度入口，反應(yīng)器出口采用壓力出口。除NOx外，煙氣其他成分根據(jù)物性創(chuàng)建為獨(dú)立統(tǒng)一的流體，還原氣體為稀釋空氣和氨氣按一定比例的混合氣。催化劑層采用多孔介質(zhì)模型，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)并體現(xiàn)其增加阻力的作用。

表1 煙氣流速標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

表2 NOx質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

表3 煙氣溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

表4 均勻噴氨時(shí)各監(jiān)視面NH3/NOx標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

圖1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及噴氨管形式

反應(yīng)器及噴氨格柵結(jié)構(gòu)按實(shí)際情況繪制，網(wǎng)格數(shù)約1 000萬(wàn)，通過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)。模擬時(shí)將試驗(yàn)測(cè)量面作為反應(yīng)器入口，按照網(wǎng)格法測(cè)點(diǎn)位置將入口界面分割成與之網(wǎng)格法測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的45個(gè)子輸入面，分別輸入實(shí)測(cè)流速、NOx質(zhì)量濃度和煙氣溫度數(shù)據(jù)。各噴氨管上的噴嘴組有獨(dú)立的輸入界面，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)其噴氨量。根據(jù)其控制方式，對(duì)應(yīng)16個(gè)控制閥，在第1層催化劑入口設(shè)16個(gè)監(jiān)視界面,分別命名為1-s，1-x，2-s，2-x，3-s，3-x，4-s，4-x，5-s，5-x，6-s，6-x，7-s，7-x，8-s，8-x，數(shù)字1～8為Z方向從負(fù)到正依次排列，s為上半部煙道噴氨管對(duì)應(yīng)位置，x為下半部煙道噴氨管對(duì)應(yīng)位置。

1.3 評(píng)價(jià)方法

對(duì)流速、濃度、氨氮比等各項(xiàng)指標(biāo)均采用標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv的計(jì)算公式為

2 結(jié)果與討論

2.1 均勻噴氨

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入口界面模擬后，得出第1層催化劑入口平均流速為3.32 m/s，最大流速為4.47 m/s，最小流速為2.61 m/s；平均NOx質(zhì)量濃度為561.32 mg/m3，最大NOx質(zhì)量濃度為610.34 mg/m3，最小NOx質(zhì)量濃度為518.75 mg/m3；平均煙溫為617.49 K，最高煙溫為628.91 K，最低煙溫為559.18 K。根據(jù)第1層催化劑入口16個(gè)監(jiān)視界面的流速、NOx質(zhì)量濃度和煙氣溫度的平均值，計(jì)算出了它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差，見表1～表4。可以看出，NOx質(zhì)量濃度、煙氣流速、煙氣溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差依次減小，煙氣溫度的偏差只有0.70%左右。按照整體氨氮比0.917，各噴嘴均勻噴氨，得出了各監(jiān)視界面NH3/NOx的標(biāo)準(zhǔn)偏差，各界面基本在10.0%左右。每個(gè)區(qū)域內(nèi)NOx的絕對(duì)含量取決于煙氣量和NOx質(zhì)量濃度，所以氨氮比的偏差高于煙氣流速和NOx質(zhì)量濃度的偏差。

表6 流場(chǎng)優(yōu)化后各監(jiān)視面煙氣流速標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

2.2 噴氨優(yōu)化

噴氨優(yōu)化的方法與現(xiàn)場(chǎng)工程調(diào)節(jié)方法類似，孫克勤等[13]和吳學(xué)智等[14]也提出過(guò)的主動(dòng)不均勻噴氨法。保持系統(tǒng)整體氨氮比0.917不變，根據(jù)各監(jiān)視區(qū)域氨氮比，多次調(diào)節(jié)各噴管噴氨量，直至氨氮比均勻度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。均勻噴氨和噴氨優(yōu)化后第1層催化劑入口氨氮比分布圖如圖2所示，由圖2可以看出，均勻噴入時(shí)存在一個(gè)氨氮比偏高的區(qū)域，實(shí)際測(cè)量時(shí)在對(duì)應(yīng)反應(yīng)器出口對(duì)應(yīng)位置也有一個(gè)NOx低濃度區(qū)，合理性得到了驗(yàn)證。通過(guò)優(yōu)化，氨氮比逐步趨于均勻，說(shuō)明分區(qū)控制噴氨量的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)有效。

圖2 第1層催化劑入口氨氮比分布

為更直觀地顯示調(diào)節(jié)效果，表5給出了噴氨優(yōu)化后各控制界面氨氮比標(biāo)準(zhǔn)偏差。從表5中可以看出，經(jīng)過(guò)調(diào)整，各區(qū)域氨氮比標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于1.5%，與均勻噴氨時(shí)的10.0%左右相比有了極大的改善。結(jié)合圖2，煙道中間位置氨氮比明顯高于靠近上下煙道位置，靠近兩側(cè)有兩個(gè)明顯的氨氮比偏高的中心，這是因?yàn)楦叨确较蛏现皇芸赜趦山M噴管，這在實(shí)際運(yùn)行時(shí)使調(diào)節(jié)幅度有限。王樂樂等[11]論證過(guò)這個(gè)問(wèn)題，在該反應(yīng)器上，要改善上下方向上的不均勻程度，需在上下方向上設(shè)置更多的控制分段。各分區(qū)噴氨量與其NOx絕對(duì)含量并不完全呈比例對(duì)應(yīng)關(guān)系，可知煙氣流速的不均勻除了影響煙氣量外，還會(huì)影響噴嘴出流的軌跡，其不均勻程度對(duì)系統(tǒng)影響較大，容易形成局部還原劑過(guò)量或不足。

2.3 流場(chǎng)優(yōu)化

圖3給出了反應(yīng)器中心垂直界面和第1層催化劑入口上煙氣流速分布，可以看出入口煙道下部有向上流的趨勢(shì)，造成對(duì)應(yīng)第1層催化劑入口對(duì)應(yīng)位置流量偏小。

圖3 初始反應(yīng)器煙氣速度場(chǎng)

為改善該情況，并本著改造從簡(jiǎn)的原則，將原有噴氨格柵后煙道內(nèi)兩塊向上導(dǎo)流煙氣的導(dǎo)流板改為上部煙道向下導(dǎo)流。模擬結(jié)果如圖4所示，從圖4上可以看出，除最外緣和兩側(cè)外，煙氣流速均勻度有了明顯的改善。流場(chǎng)優(yōu)化后各監(jiān)視界面的煙氣流速標(biāo)準(zhǔn)偏差具體見表6，與表1相比，降低了3～4百分點(diǎn)。

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后煙氣速度場(chǎng)

在流場(chǎng)優(yōu)化后的基礎(chǔ)上，按原來(lái)的方法重新進(jìn)行了噴氨優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，與未作流場(chǎng)優(yōu)化相比，有一定的改善。但是，原有的氨氮比偏差大的局部并沒有消除，只是位置略有變化。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第1層催化劑入口氨氮比分布

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，噴氨格柵后進(jìn)行導(dǎo)流板改造來(lái)優(yōu)化流場(chǎng)，可以有效降低后續(xù)煙氣流速的不均勻程度，但是對(duì)前面的流場(chǎng)和噴氨優(yōu)化作用不明顯。所以，采用改變鍋爐燃燒組織方式、在反應(yīng)器噴氨格柵前設(shè)置導(dǎo)流板等手段，才能更好地優(yōu)化噴氨格柵處的流場(chǎng)，進(jìn)而取得均勻程度更高的氨氮比分布。

3 結(jié)論

在運(yùn)SCR脫硝反應(yīng)器的噴氨優(yōu)化存在著入口條件不均勻、結(jié)構(gòu)形式和控制方式不可調(diào)等約束條件，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行模擬，得出了如下結(jié)論：(1)入口條件的不均勻，將會(huì)在反應(yīng)區(qū)得到體現(xiàn)；(2)通過(guò)劃分控制分區(qū)，優(yōu)化噴氨格柵各噴管流量，能將分區(qū)之間氨氮比的標(biāo)準(zhǔn)偏差從10.0%左右降到1.5%以下；(3)煙氣流速的不均勻除影響煙氣量外，還會(huì)影響噴氨格柵噴嘴的出流軌跡，易于造成局部氨氮比偏高或偏低；(4)噴氨格柵后的流場(chǎng)優(yōu)化對(duì)流場(chǎng)作用明顯，但對(duì)改善氨氮比分布影響有限。

[1]方朝君，余美玲，郭常青.燃煤電站脫硝噴氨優(yōu)化研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2014，40(2)：25-27.

[2]李德波，廖永進(jìn)，曾庭華，等.SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵調(diào)整試驗(yàn)關(guān)鍵問(wèn)題探究[J].廣東電力，2016，29(7)：11-15.

[3]曹瑋.熱電廠SCR系統(tǒng)反應(yīng)器流場(chǎng)均勻性數(shù)值模擬研究[J].華電技術(shù),2015,37(4):64-66,79.

[4]毛劍虹，宋浩，吳衛(wèi)紅，等.電站鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2011，45(6)：1124-1129.

[5]MUNCY J, SHORE D, MARTZ T，et al.Interlayer mixing for improved SCR performance[C]//Pittsburgh:2006 environmental controls conference，2006.

[6]HECK R M，CHEN J M，SPERONELLO B K. Operating characteristics and commercial operating experience with high temperature SCR NOxcatalyst[J].Environmental progress，1994，13(4)：221-225.

[7]雷達(dá)，金保升.燃煤電站SCR內(nèi)煙氣流場(chǎng)及還原劑濃度場(chǎng)模擬與優(yōu)化[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(3)：394-399.

[8]吳衛(wèi)紅，徐甸，蘇傳城，等.X型靜態(tài)混合器流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].能源工程，2015(5)：45-49.

[9]CHO J M，CHOI J W，HONG S H，et al. Application of computational fluid dynamics analysis for improving performance of commercial scale selective catalytic reduction[J].Korean journal of chemical engineering，2006，23(1)：43-56.

[10]周英貴，金保昇.基于非均勻入口條件的SCR氨噴射方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，44(4)：121-126.

[11]王樂樂，周健，姚友工，等.煙氣脫硝SCR氨噴射系統(tǒng)調(diào)整效果評(píng)估[J].中國(guó)電力，2015，48(4)：16-22.

[12]孫虹，華偉，黃治軍，等.基于CFD建模的1 000 MW電站鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)噴氨策略優(yōu)化[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2016，36(10)：810-815.

[13]孫克勤，鐘秦，華玉龍，等.SCR反應(yīng)器短直進(jìn)口段混氨技術(shù)研究[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007(3)：10-13.

[14]吳學(xué)智，聶會(huì)建，鞠付棟，等.SCR脫硝系統(tǒng)不均勻噴氨方案的數(shù)值模擬研究[J].電力科技與環(huán)保，2014，30(5)：26-29.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-02-28；

2017-04-14

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A

1674-1951(2017)05-0070-04

梁秀進(jìn)(1979—)，男，山東臨沂人，高級(jí)工程師，工學(xué)博士，從事電站鍋爐節(jié)能及污染物排放控制工作(E-mail:liangxiujin@126.com)。