劉九洲，宋金禮,殷 鵬

(1.神華國能哈密電廠，新疆 哈密 839000；2.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179;3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

燃煤電站排放的NOx約占煤燃燒排放NOx的40%以上[1]，是造成霧霾、酸雨、臭氧層破壞的主要污染源之一。選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)以其技術(shù)成熟、脫硝效率高、運(yùn)行可靠以及二次污染較低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為國內(nèi)外燃煤電廠應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)[2]。但在電廠實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于受到超低排放的影響，運(yùn)行人員盲目噴氨，導(dǎo)致SCR出口氨逃逸率增大，從而導(dǎo)致NOx排放不達(dá)標(biāo)以及SCR設(shè)備腐蝕、空預(yù)器堵塞等問題[3]。董陳等[4]對某600 MW機(jī)組SCR進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，在煙道擴(kuò)口段和轉(zhuǎn)向段加裝導(dǎo)流板葉片，催化劑入口截面處的煙氣速度分布及NH3質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差都得到明顯改善。李壯揚(yáng)等[5]通過在SCR入口煙道漸擴(kuò)段增設(shè)導(dǎo)流板、在原有導(dǎo)流板組的基礎(chǔ)上優(yōu)化導(dǎo)流板數(shù)和形狀，使得首層催化劑前截面的速度分布和NH3體積分?jǐn)?shù)分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)都降低，發(fā)現(xiàn)均流裝置部件對速度分布矯正效果明顯，對NH3體積分?jǐn)?shù)分布有一定的改善作用。沈丹等[6]以600 MW燃煤機(jī)組的SCR反應(yīng)器為對象，對脫硝反應(yīng)器內(nèi)3種導(dǎo)流板的流場分布狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了不同導(dǎo)流板下的流速變化和不均勻程度，獲得了較為理想的導(dǎo)流板形狀和流場分布。汪洋等[7]對脫硝反應(yīng)器煙氣整流格柵流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了導(dǎo)流板間距、長度及板夾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對反應(yīng)器流場分布的影響，確定了獲得反應(yīng)器最佳流場的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本文對660 MW塔式鍋爐SCR反應(yīng)器中的煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，以SCR煙道煙氣速度場分布情況為依據(jù)對導(dǎo)流板進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行流場優(yōu)化，改善SCR出口氨逃逸率大、流場分布不均的情況。

1 機(jī)組概況

1.1 機(jī)組脫硝形式

某電廠660 MW機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的超臨界壓力、單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動(dòng)噴嘴調(diào)溫、一次再熱、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉布置鍋爐。以鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)為研究對象，煙氣由省煤器出口后經(jīng)過一個(gè)拐彎進(jìn)入水平煙道，又經(jīng)過一直角彎通過整流格柵，最后進(jìn)入催化劑層。

1.2 存在問題

改造前脫硝入口煙氣流場不均，催化劑出現(xiàn)大面積破損情況，堵灰嚴(yán)重，氨逃逸超標(biāo)，造成下游空氣預(yù)熱器蓄熱元件冷端產(chǎn)生結(jié)晶及低溫腐蝕，單臺(tái)機(jī)組脫硝單耗高。

2 模型對象

按照現(xiàn)場實(shí)際情況，采用1∶1對SCR系統(tǒng)進(jìn)行建模，整流格柵位置按照支撐梁的分塊對其36個(gè)區(qū)域的支撐梁和擋板進(jìn)行建模。SCR脫硝系統(tǒng)三維尺寸模型如圖1所示。

圖1 SCR脫硝裝置幾何模型

本次模擬采用k-ε湍流模型，模型入口采用速度入口，出口采用壓力出口邊界條件，導(dǎo)流板及壁面均設(shè)定為壁面條件。

計(jì)算過程做如下假設(shè)：不考慮飛灰對流場的影響，視煙氣為單相不可壓縮流體，連續(xù)介質(zhì)，且定常流動(dòng)；不考慮NOx與還原劑的催化氧化反應(yīng)、溫度場等，僅對煙氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬。

3 現(xiàn)有SCR煙道模擬結(jié)果

原煙道流場分布如圖2—圖4所示。根據(jù)模擬結(jié)果，省煤器出口轉(zhuǎn)向處流場分布不均勻，煙氣偏向后墻，前墻煙氣存在低速區(qū)，并且在轉(zhuǎn)向處存在死區(qū)。反應(yīng)器前煙氣流場同樣不均勻，煙道中間區(qū)域流場存在低速區(qū)，整流格柵區(qū)域受到支撐梁的影響，流場分布存在大量低速區(qū)。

圖2 優(yōu)化前整體流線

圖3 優(yōu)化前噴氨格柵前流場矢量圖

圖4 優(yōu)化前反應(yīng)器前流場矢量圖

由于流場分布的差異大，導(dǎo)致進(jìn)入SCR的煙氣分布不均勻，勢必會(huì)降低SCR的性能，使脫硝效率降低，氨逃逸率增大。

通過對整流格柵上游流速進(jìn)行預(yù)測，有些區(qū)域必然會(huì)存在大量積灰情況，如圖5所示，機(jī)組檢修期間對現(xiàn)場實(shí)際積灰情況進(jìn)行檢查，與預(yù)測結(jié)果有較好的吻合性。

圖5 整流格柵上游積灰分布預(yù)測

由于煙氣流場的不均勻分布，現(xiàn)場噴氨格柵采用不均勻噴射。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，對催化劑上游氨氮比分布進(jìn)行模擬，可見氨氮比分布不均勻，結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前催化劑上游氨氮比分布云圖

4 SCR煙道優(yōu)化

針對上述問題，對SCR入口轉(zhuǎn)向處煙道添加弧形導(dǎo)流板，消除因直角轉(zhuǎn)向造成的低速區(qū)。

優(yōu)化后煙道流場分布如圖7—圖9所示。轉(zhuǎn)向處煙氣死區(qū)基本消除，轉(zhuǎn)向后前、后墻的低速區(qū)與高速區(qū)同樣消除，反應(yīng)器前煙氣更加均勻，整個(gè)煙道內(nèi)煙氣分布趨于均勻。

圖7 優(yōu)化后整體流線

圖8 優(yōu)化后噴氨格柵前流場矢量圖

圖9 優(yōu)化后反應(yīng)器前流場矢量圖

催化劑上游氨氮比分布較優(yōu)化前明顯更均勻，氨氮比由優(yōu)化前的0.8～1.2變?yōu)?.9～1.1。

煙氣流場與氨氮比分布均勻，可有效提高SCR脫硝效率，降低氨逃逸率，預(yù)防空預(yù)器堵塞，結(jié)果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后催化劑上游氨氮比分布云圖

5 測試結(jié)果分析

為檢驗(yàn)優(yōu)化后實(shí)際運(yùn)行效果，機(jī)組在660 MW負(fù)荷下對脫硝入口NOx質(zhì)量濃度、煙氣流速、煙氣溫度以及氨逃逸率進(jìn)行實(shí)際測量，試驗(yàn)結(jié)果如圖11—圖14所示。

圖11 脫硝入口NOx質(zhì)量濃度測試結(jié)果

圖12 脫硝入口煙氣流速測試結(jié)果

圖13 脫硝入口煙氣溫度測試結(jié)果

圖14 脫硝出口氨逃逸測試結(jié)果

SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度均值為104 mg/Nm3，不均勻度為4.73%；SCR反應(yīng)器入口煙氣流速均值為13.58 m/s，不均勻度為12.76%；SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度均值為349.1 ℃，不均勻度為0.22%；SCR反應(yīng)器出口氨逃逸分布不均，氨逃逸平均值為3.61 mg/Nm3，測孔位置氨逃逸超標(biāo)嚴(yán)重，高達(dá)7 mg/Nm3。

6 結(jié)語

本文以660 MW塔式鍋爐為研究背景，基于SCR系統(tǒng)存在流場不均及氨逃逸率大等問題，對SCR入口煙氣流場進(jìn)行模擬優(yōu)化。本次優(yōu)化改造后，脫硝入口NOx質(zhì)量濃度分布的相對偏差、入口煙溫及煙氣流速分布偏差都得到明顯改善，符合設(shè)計(jì)要求。