鄒堃，王丹秋

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SCR煙氣脫硝系統(tǒng)出口煙道NO測點(diǎn)技術(shù)改造

鄒堃1，王丹秋2

（1．上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海市 金山區(qū) 201518； 2．南京新瓦特智控科技有限公司，江蘇省 南京市 210032）

燃煤電站鍋爐排放的氮氧化物是大氣污染的一個(gè)重要來源，控制NO排放已成為當(dāng)前電廠的重要工作。上海漕涇電廠分別于2014年和2015年實(shí)施了超低排放改造工程，在改造后的長期運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，1號(hào)機(jī)組選擇性催化還原煙氣脫硝法(SCR)裝置出口NO濃度值與煙囪出口數(shù)據(jù)有著較大偏差。通過對(duì)SCR所在煙道流場的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，原有SCR進(jìn)出口的測點(diǎn)在煙道入口NO濃度分布不均勻時(shí)不能準(zhǔn)確測量出NO的濃度值，因此對(duì)原有的NO出口測點(diǎn)進(jìn)行了技術(shù)改造，變原來的2點(diǎn)平均測量為網(wǎng)格多點(diǎn)測量。技術(shù)改造后發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)NO與煙囪出口NO數(shù)據(jù)變化趨勢吻合，為進(jìn)一步的按需噴氨提供了基礎(chǔ)。

超低排放；選擇性催化還原(SCR)；NO濃度；網(wǎng)格多點(diǎn)測量

0 引言

燃煤電站鍋爐排放的氮氧化物是造成大氣污染的一個(gè)重要因素[1-3]，控制NO排放已成為當(dāng)前電力行業(yè)發(fā)展的重要工作環(huán)節(jié)[4-5]。目前最新標(biāo)準(zhǔn)要求燃煤電站超凈排放NO低于50mg/m3，而配備3層催化劑的選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)是燃煤電站煙氣脫硝的主要選擇[6-7]。

上海上電漕涇發(fā)電有限公司(以下簡稱漕涇電廠)是國內(nèi)首個(gè)以“上大壓小”核準(zhǔn)建成的百萬kW超超臨界燃煤電廠，現(xiàn)有2臺(tái)國內(nèi)單機(jī)容量最大的1 000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，分別于2010年1月和4月投產(chǎn)。漕涇電廠鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)三大主設(shè)備和絕大多數(shù)輔機(jī)均采用國產(chǎn)設(shè)備，國產(chǎn)化率達(dá)到95%以上。隨著燃煤電站NO超凈排放的推行，漕涇電廠分別于2014年和2015年實(shí)施了超低排放改造工程，投運(yùn)后性能試驗(yàn)表明，NO排放優(yōu)于燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著投運(yùn)時(shí)間的延伸，發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組SCR系統(tǒng)的NO監(jiān)測存在以下問題：SCR出口NO與煙囪出口NO數(shù)據(jù)經(jīng)常有較大偏差，且以NO監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行噴氨調(diào)節(jié)，難度大且效果不明顯。本文對(duì)SCR所在煙道流場進(jìn)行了數(shù)值模擬及NO測點(diǎn)的技術(shù)改造。

1 存在問題及流場分析

在1號(hào)機(jī)組實(shí)施超低排放改造過程后，長期運(yùn)行過程中機(jī)組人員發(fā)現(xiàn)SCR系統(tǒng)出口NO與煙囪出口NO數(shù)據(jù)經(jīng)常有較大偏差。

圖1為2017年2月15日中午11:15開始的一組負(fù)荷在500MW附近，SCR入口、出口以及煙囪出口NO測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從圖1可以看出，隨著機(jī)組負(fù)荷在500MW附近波動(dòng)，SCR入口和出口NO數(shù)據(jù)的主要波峰和波谷都能吻合，SCR出口NO時(shí)間上略有滯后；而從20~30min機(jī)組負(fù)荷從550MW降至490MW這段時(shí)間來看，煙囪NO對(duì)負(fù)荷變化的跟隨性最好，而SCR出口和入口NO雖然在這個(gè)時(shí)間段有下降趨勢，但不像煙囪出口NO那樣在0~20min和30min后有整體下降的趨勢。另值得注意的是，SCR出口的與煙囪出口NO數(shù)據(jù)有較大差別，以圖1中45min對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為例，SCR出口NO濃度為50.37mg/m3，超過超低排放標(biāo)準(zhǔn)的50mg/m3；而煙囪出口的NO濃度為13.96mg/m3，小于超低排放標(biāo)準(zhǔn)的50mg/m3，兩者差值達(dá)到36.41mg/m3。

圖1 技改前500 MW負(fù)荷附近NOx濃度及負(fù)荷數(shù)據(jù)

圖2為2017年2月18日中午11:15開始，負(fù)荷在750MW附近，SCR入口、出口以及煙囪出口NO測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從圖2可以看出，隨著負(fù)荷在750MW附近波動(dòng)，SCR入口和出口NO數(shù)據(jù)的主要波峰和波谷都能吻合，SCR出口NO時(shí)間上略有滯后；而從整個(gè)時(shí)間段來看，后半時(shí)間(50~90 min)與前半時(shí)間(0~40min)相比負(fù)荷整體上略有上升，煙囪NO能體現(xiàn)后半段整體略有上升趨勢，而SCR出口以及入口NO沒有整體上升趨勢；同樣SCR出口與煙囪出口的NO數(shù)據(jù)有較大差別，以圖2中75min對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為例，SCR出口NO濃度為46.65mg/m3，接近超低排放標(biāo)準(zhǔn)的50mg/m3；而煙囪出口的NO濃度為20.89mg/m3，小于超低排放標(biāo)準(zhǔn)的50mg/m3，兩者差值達(dá)到24.56mg/m3。

圖2 技改前750MW負(fù)荷附近NOx濃度及負(fù)荷數(shù)據(jù)

綜上所述，初步判斷由于SCR入口和出口各只安裝了1個(gè)NO測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)取2個(gè)取樣點(diǎn)的平均值，而在SCR的入口和出口均存在變徑情況，無法滿足足夠長的直管段條件使得NO濃度分布充分?jǐn)U散，因此改造前NO測點(diǎn)的布置無法代表真實(shí)的NO濃度，相對(duì)而言煙囪出口的NO測點(diǎn)前有相對(duì)較長的直管段，使得NO有充分?jǐn)U散的空間，結(jié)果更加可信。

2 SCR所在煙道流場模擬

為了驗(yàn)證上述分析，對(duì)SCR所在煙道內(nèi)的流場及NO的分布進(jìn)行數(shù)值模擬，煙道的三維模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為簡化計(jì)算，進(jìn)行如下假設(shè)：SCR脫硝系統(tǒng)所在煙道為絕熱系統(tǒng)，忽略內(nèi)部傳熱；煙氣為定常流動(dòng)的理想流體，物性參數(shù)為定值；不考慮化學(xué)反應(yīng)以及灰分對(duì)流場的影響；煙氣在催化劑層中的流動(dòng)只考慮層流流動(dòng)；系統(tǒng)漏風(fēng)為零。另數(shù)值模擬的目的主要是驗(yàn)證NO在流場中的擴(kuò)散對(duì)測量結(jié)果的影響，為了便于測量SCR進(jìn)出口NO濃度場，假設(shè)經(jīng)過催化層后NO催化吸收的百分比一樣，設(shè)為0。

圖3 SCR所在煙道三維外形圖

邊界條件的設(shè)定如下：

1）入口：采用速度入口邊界條件[8-9]，煙氣溫度=670 K；速度=16.5m/s；密度為=0.606 4 kg/m3。

2）出口：采用壓力出口邊界條件，出口煙氣溫度=670 K；壓力out=0。

3）催化劑床層的邊界條件設(shè)定：選用多孔質(zhì)模型，流動(dòng)方式選用層流區(qū)域，黏性阻力系數(shù)每個(gè)方向選取1.34 m-2，慣性阻力每個(gè)方向選取91m-2，孔隙率為0.68。

4）固體壁面和導(dǎo)流板均設(shè)為無滑移、無熱傳導(dǎo)的wall邊界條件。

其中噴氨格柵部分相比于整體模型尺寸很小，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，將噴氨格柵近似為具有相同水力直徑的方管，如圖4所示。噴氨格柵共9組，主管之間相距2000 mm，主管直徑為260mm；相鄰支管相距450mm，支管長850mm；支管寬80mm。

將噴氨格柵以上部分使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，噴氨格柵以下部分使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性校驗(yàn)，最終選取236萬網(wǎng)格作為計(jì)算網(wǎng)格。選用重整化RNG-模型來模擬煙道流場，SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)NO擴(kuò)散模擬選擇通用有限速率模型進(jìn)行。離散采用一階迎風(fēng)格式，計(jì)算過程中選用壓力基求解器，運(yùn)行環(huán)境中的參考?jí)毫?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖4 噴氨格柵簡化結(jié)構(gòu)示意圖

模擬工況如圖3所示，將入口均勻劃分為9個(gè)區(qū)，其中1區(qū)的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為0.010 0，2~9區(qū)設(shè)為0.001 0，則入口截面平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002 0。

圖5為圖3中標(biāo)出的SCR入口測點(diǎn)截面NO濃度分布，其中2個(gè)“十”字的中心為改造前NO2點(diǎn)平均取樣的取樣位置，從這2個(gè)點(diǎn)平均取樣得到的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 0，不能反應(yīng)截面的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.002 0。

圖6為圖3中標(biāo)出的SCR出口測點(diǎn)截面NO濃度分布，其中2個(gè)“十”字的中心為改造前NO2點(diǎn)平均取樣的取樣位置，從這2個(gè)點(diǎn)平均取樣得到的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 7，不能準(zhǔn)確反應(yīng)截面的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.002 0。

圖5 技改前SCR入口測點(diǎn)截面NOx濃度分布

圖6 技改前SCR出口測點(diǎn)截面NOx濃度分布

3 技術(shù)改造

根據(jù)上述模擬分析，顯然2點(diǎn)平均取樣無法滿足測量的要求。國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 16157—1996規(guī)定：固定污染源排氣污染物采用等截面多點(diǎn)式采樣方法[10-15]，因此變單點(diǎn)NO測量為網(wǎng)格多點(diǎn)測量，在采樣截面上布置多點(diǎn)取樣點(diǎn)將能有效改善測量精度。

圖7是在原SCR入口測點(diǎn)所在截面采用網(wǎng)格多點(diǎn)分區(qū)的方法，設(shè)置16個(gè)取樣點(diǎn)，則這16個(gè)取樣點(diǎn)的平均值為0.002 3，與改造前的0.001 0相比更加接近截面的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.002 0。

圖7 技改后SCR入口測點(diǎn)截面NOx濃度分布

圖8 技改后SCR出口測點(diǎn)截面NOx濃度分布

考慮到改造前SCR入口和出口NO測點(diǎn)所在截面的面積不一致，為了更具對(duì)應(yīng)性，在SCR催化劑層下方選取一截面采用網(wǎng)格多點(diǎn)分區(qū)的方法，設(shè)置16個(gè)取樣點(diǎn)，如圖8所示，則這16個(gè)取樣點(diǎn)的平均值為0.002 1，已經(jīng)非常接近截面的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.002 0。

針對(duì)上述分析，采用如圖7和圖8所示的網(wǎng)格多點(diǎn)取樣方案進(jìn)行NO測量顯然更能反應(yīng)截面真實(shí)的NO值。

經(jīng)技術(shù)論證，為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性，同時(shí)節(jié)約改造成本，最終技術(shù)改造方案為：只在SCR出口將單點(diǎn)NO測量改為網(wǎng)格多點(diǎn)NO測量。如圖3所示，多點(diǎn)取樣槍安裝在SCR出口第3層催化劑下方1.5m處，該截面尺寸為15 200mm×26 440mm，為了能更有代表性地取到各個(gè)區(qū)域的煙氣，如圖9所示，將整個(gè)煙道截面分為16個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一桿取樣槍。每個(gè)取樣槍對(duì)應(yīng)一個(gè)等截面分區(qū)，該分區(qū)的煙氣經(jīng)等速抽取經(jīng)控溫伴熱管路進(jìn)入測量氣室的NO表(使用原有的NO表)，測量完畢后，將煙氣排入到采樣截面下游的煙氣管道中。

圖9 取樣槍安裝布置圖

4 改造效果分析

上述技術(shù)改造完畢后，效果比較顯著。為便于對(duì)比，選取了500MW附近和840MW附近的2組工況，此時(shí)SCR出口NO數(shù)據(jù)為16個(gè)分區(qū)的平均值。

圖10為2018年5月17日下午14:15開始，負(fù)荷在500MW附近，SCR入口、出口以及煙囪出口NO測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

圖10 技改后500MW負(fù)荷NOx測點(diǎn)數(shù)據(jù)

首先隨著負(fù)荷在500MW附近波動(dòng)，SCR入口NO的跟隨負(fù)荷變化的趨勢依然不明顯，而SCR出口和煙囪出口NO的變化趨勢基本一致，跟隨負(fù)荷變化的趨勢也相對(duì)比較明顯。另SCR出口與煙囪出口NO數(shù)據(jù)差別較小，以圖9中15min 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為例，SCR出口NO濃度為21.27mg/m3，煙囪出口NO濃度為27.49mg/m3，均小于超低排放標(biāo)準(zhǔn)的50mg/m3，兩者差值為6.22mg/m3。

圖11為2018年5月7日下午14:15開始，負(fù)荷在840MW附近，SCR入口、出口以及煙囪出口NO測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。隨著負(fù)荷在840MW附近波動(dòng)，SCR入口NO跟隨負(fù)荷的趨勢依然不明顯，而SCR出口和煙囪出口NO的變化趨勢基本一致，但與負(fù)荷變化的跟隨性不明顯。此時(shí)，SCR出口與煙囪出口的NO濃度數(shù)據(jù)差別較小，以圖10中15 min對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為例，SCR出口的NO濃度為32.18 mg/m3，煙囪出口的NO濃度為41.83mg/m3，均小于超低排放標(biāo)準(zhǔn)的50mg/m3，兩者差值為9.65mg/m3。

圖11 技改后840MW負(fù)荷NOx測點(diǎn)數(shù)據(jù)

綜上所述，經(jīng)技術(shù)改造后，SCR出口與煙囪出口NO數(shù)據(jù)趨勢吻合，差值減小到10mg/m3以內(nèi)，為SCR系統(tǒng)噴氨量的調(diào)節(jié)提供了更直觀的數(shù)據(jù)，減少了改造前為確保NO排放達(dá)標(biāo)而加大噴氨量的情況。

5 結(jié)論

針對(duì)上海漕涇電廠1號(hào)機(jī)組SCR系統(tǒng)出口與煙囪出口NO測量數(shù)據(jù)差別較大，且與負(fù)荷波動(dòng)的跟隨趨勢不明顯的問題進(jìn)行了分析，并對(duì)SCR所在煙道內(nèi)的流場進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，原SCR入口和出口的NO測點(diǎn)不能準(zhǔn)確測量截面的NO，如改為網(wǎng)格多點(diǎn)測量可改善測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行技術(shù)改造，變SCR出口的單點(diǎn)NO測量為16個(gè)等截面分區(qū)的網(wǎng)格多點(diǎn)分區(qū)測量，取其平均值作為SCR出口的NO數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：與技術(shù)改造前相比，SCR出口與煙囪出口NO數(shù)據(jù)趨勢吻合，500MW和840MW負(fù)荷時(shí)兩者差值可減小到10mg/m3以內(nèi)。

技術(shù)改造達(dá)到了預(yù)期的目的。如進(jìn)一步將SCR入口的單點(diǎn)NO測量改為與出口NO等截面分區(qū)網(wǎng)格多點(diǎn)NO測量，配合各噴氨支管的獨(dú)立調(diào)節(jié)，將可能實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)按需精準(zhǔn)噴氨的功能，在提高脫硝效率的同時(shí)減少氨逃逸率。

致 謝

本技術(shù)改造工作得到了南京理工大學(xué)新能源科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室的大力協(xié)助，在此表示衷心的感謝。

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Technical Transformation of NOMeasuring Point for Outlet Flue of SCR System

ZOU Kun1, WANG Danqiu2

(1. Shanghai Shang Dian Caojing Power Generation Co., Ltd., Jinshan District, Shanghai 201518, China; 2. Nanjing Newatt Intelligent Measurement & Control Technology Co., Ltd, Nanjing 210032, Jiangsu Province, China)

The nitrogen oxides emitted from coal-fired power plant boilers are an important air pollution source. Controlling NOemission has become an important work of power plants at present. The Shanghai Caojing power plant carried out the ultra-low emission transformation project in 2014 and 2015 respectively. In the long run after retrofitting, it was found that the NOdata of the selective catalytic reduction (SCR) outlet were large different from that of chimney outlet in unit one. Through the numerical simulation of the flow field in the flue where SCR is located, it is found that the original measuring points at the inlet and outlet of SCR can not accurately measure the concentration value of NOwhen the concentration distribution of NOat the inlet of the flue is not uniform. And so, the technical transformation was made that the original two-point average NOmeasurement at the SCR outlet was changed into the multi-point measurement of the grid. Finally, it is found that the change trend of the new NOdata coincides with the NOdata change trend of the chimney outlet, which provides the basis for the further injection of ammonia.

ultra low emission; selective catalytic reduction(SCR); NOconcentration; multi-point measurement of the grid

10.12096/j.2096-4528.pgt.18136

2018-10-31。

鄒堃(1963)，男，工程師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量控制、電廠新技術(shù)應(yīng)用及新能源發(fā)電技術(shù)，zouk@sdcjpg.com；

鄒堃

王丹秋(1975)，男，工程師，研究方向?yàn)闅夤虄上嗔鳒y控新技術(shù)， gon@188.com。

(責(zé)任編輯 楊陽)