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某350MW機(jī)組SCR增加催化劑按照NO二超低排放運(yùn)行時(shí)，發(fā)生了空預(yù)器硫酸氫銨ABS嚴(yán)重堵塞問(wèn)題，分析發(fā)現(xiàn)SCR入口煙道截面的NH3/NO摩爾比分布小均勻?qū)е戮植堪碧右葸^(guò)大是主要原因。為此，采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)SCR噴氨格柵(AIG)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)AIG噴氨流量分配進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。測(cè)試結(jié)果表明，脫硝反應(yīng)器出口NO二濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差由改造前的49%降低至11%以內(nèi)，頂層催化劑上方煙道截面的NH3/NOx摩爾比分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3.1%，消除了局部過(guò)高的氨逃逸濃度峰值，減輕了空預(yù)器ABS堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：SCR；噴氨格柵；CFD數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)；噴氨優(yōu)化調(diào)整；超低排放

國(guó)內(nèi)早期建設(shè)的SCR煙氣脫硝裝置脫硝效率約60%~85%，當(dāng)前為滿足50mg/m3的NOx超低排放限值，脫硝效率需提高到90%以上。脫硝效率的提高不僅增加了氨逃逸整體過(guò)量風(fēng)險(xiǎn)，也加大了SCR出口煙道截面的局部氨逃逸峰值濃度。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究，頂層催化劑入口的煙氣流場(chǎng)分布，尤其是NH3/NO摩爾比分布均勻性是影響局部氨逃逸的直接原因。在新形勢(shì)下，為減輕氨逃逸造成的空預(yù)器硫酸氫銨ABS堵塞問(wèn)題，需要改進(jìn)SCR氨噴射系統(tǒng)，進(jìn)一步提高頂層催化劑上方煙氣中的NH3/NO摩爾比分布均勻性。

圖1NH3/NO二分布不均勻性對(duì)SCR性能的影響

國(guó)內(nèi)某350MW機(jī)組，為控制NOx排放達(dá)到50mg/m3以下增加了備用層催化劑，但運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重空預(yù)器ABS堵塞問(wèn)題。針對(duì)SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布偏差大和局部氨逃逸峰值高的現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬方法對(duì)氨噴射結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化改造，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)氨噴射格柵系統(tǒng)的氣氨流量分配進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，結(jié)果顯示催化劑上方的NH3/NO摩爾比分布均勻性得到大幅度提高。

1設(shè)備概況

該機(jī)組于2010年同步配套建設(shè)高灰型SCR煙氣脫硝裝置，催化劑層按“2+1”模式布置，初裝2層。采用混合型AIG氨噴射系統(tǒng)(稀疏型噴氨管路+靜態(tài)混合器)，每臺(tái)SCR反應(yīng)器沿爐寬方向設(shè)置14根噴氨支管，每根支管設(shè)置手動(dòng)調(diào)閥控制各支管的噴氨量，每根支管伸入SCR入口煙道后在爐深方向分為3個(gè)氨噴嘴(圖2)。這種AIG結(jié)構(gòu)只能通過(guò)各支管的手動(dòng)調(diào)閥調(diào)整沿爐寬方向的氨氣流量分配，無(wú)法調(diào)整爐深方向的氨氣流量分配。

圖2原AIG結(jié)構(gòu)俯視圖

備用層催化劑于2014年4月加裝，但在后期運(yùn)行過(guò)程中，空預(yù)器堵塞嚴(yán)重，機(jī)組滿負(fù)荷下空預(yù)器煙側(cè)阻力最高達(dá)3.1kPa。氨噴射優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果顯示，反應(yīng)器出口煙道截面NOx濃度分布沿爐深方向差別較大，以A側(cè)為例，同一測(cè)孔不同深度測(cè)點(diǎn)間的偏差約15~85mg/m3，導(dǎo)致局部氨逃逸過(guò)大，這可能是造成空預(yù)器硫酸氫銨ABS堵塞的重要原因，而原氨噴射系統(tǒng)對(duì)此無(wú)法相應(yīng)調(diào)整氣氨分配。

圖3優(yōu)化調(diào)整后A反應(yīng)器出口NOx分布

注：編號(hào)A1-A10為反應(yīng)器出u截肉從反應(yīng)器外側(cè)墻至鍋爐中心線方向的測(cè)孔編號(hào);編號(hào)P1-P3代表反應(yīng)器出u截肉由爐后往爐前的煙氣取樣點(diǎn)編號(hào)。

為滿足NOx超低排放和解決空預(yù)器ABS堵塞問(wèn)題，電廠提出3項(xiàng)改造措施:

①低氮燃燒器改造，降低SCR入口NOx濃度，減輕SCR脫硝裝置的NOx處理壓力;

②兩層初裝催化劑再生，提高反應(yīng)器的整體脫硝效率，防止氨逃逸整體過(guò)量;

③氨噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化改造，改善SCR入口NH3/NO摩爾比分布均勻性，消除局部過(guò)高的NH3逃逸。

2氨噴射方案CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

2.1AIG優(yōu)化概念設(shè)計(jì)

針對(duì)原氨噴射系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題，在保留原有煙道外觀、內(nèi)部導(dǎo)流板、靜態(tài)混合器及整流格柵等結(jié)構(gòu)不變的情況下，考慮進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)改進(jìn):原氨噴射系統(tǒng)改為氣氨流量?jī)煞较蚩烧{(diào)節(jié)分配;原直管型噴嘴更換為自身旋流混合型噴嘴，并增加噴嘴數(shù)量提高覆蓋面。

2.2反應(yīng)器建模

兩個(gè)SCR反應(yīng)器沿鍋爐中心線對(duì)稱布置，CFD數(shù)值模擬僅以一側(cè)反應(yīng)器作為研究對(duì)象。CFD數(shù)值模擬按照1:1的比例建立SCR反應(yīng)器系統(tǒng)三維幾何模型，始于鍋爐省煤器出口，止于反應(yīng)器最下層催化劑出口(圖4)。

圖4SCR反應(yīng)器三維幾何模型

對(duì)SCR模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為710萬(wàn)，在噴氨格柵、整流格柵等尺度較小的空間區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，確保網(wǎng)格離散化后能夠準(zhǔn)確地描述幾何實(shí)體。單側(cè)SCR反應(yīng)器煙氣參數(shù)如表1所示。

表1反應(yīng)器入口煙氣參數(shù)

催化劑層使用Porous多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬，并通過(guò)參數(shù)調(diào)整，保證模擬阻力與實(shí)際阻力接近。采用Species物質(zhì)輸運(yùn)模型來(lái)模擬NH3在煙氣中的混合與擴(kuò)散，但不涉及化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)假設(shè)煙氣中的NOx分布均勻。

2.3CFD數(shù)值模擬研究

為了確保單根支管上各噴嘴流量分配的均勻性，首先對(duì)AIG系統(tǒng)單根噴氨支管上不同噴嘴的流量分配進(jìn)行了CFD模擬研究。如圖5所示，單根噴氨支管上設(shè)置4個(gè)等間距間隔布置的小噴嘴，CFD模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示(表2)，各噴嘴流量均勻，為下一步整體計(jì)算奠定了單元結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖5單根支管幾何模型

表2單噴氨支管各噴嘴流量統(tǒng)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)AIG氨噴射系統(tǒng)在SCR入口煙道深度和寬度兩個(gè)方向的氨氣流量分配調(diào)節(jié)功能，破除了原有系統(tǒng)僅能進(jìn)行寬度方向調(diào)節(jié)的限制，AIG優(yōu)化設(shè)計(jì)方案將SCR入口煙道截面沿深度和寬度方向分為2X7=14個(gè)控制分區(qū)，每個(gè)分區(qū)由對(duì)應(yīng)支管的手動(dòng)調(diào)閥進(jìn)行氨氣流量分配控制，每根支管又分為兩根次支管伸入煙道，每根次支管布置多個(gè)小噴嘴，噴嘴數(shù)量大大增加，增強(qiáng)了截面初態(tài)分布的均勻性，有利于氨氣與煙氣更好地混合。為增強(qiáng)噴嘴的氨氣噴射擴(kuò)散效果，采用了螺旋形噴嘴，同時(shí)保留原有靜態(tài)混合器，強(qiáng)化混合功能。

將AIG初步設(shè)計(jì)方案納入整體反應(yīng)器，進(jìn)行了多輪CFD數(shù)值模擬和方案改進(jìn)，最終將頂層催化劑層入口NH3濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)化到了3.9%確定為最終的AIG設(shè)計(jì)方案(圖6)，并據(jù)此實(shí)施了AIG氨噴射系統(tǒng)改造。

圖6優(yōu)化設(shè)計(jì)方案A工G布置

圖7催化劑層上游截面NH3濃度分布

3現(xiàn)場(chǎng)噴氨優(yōu)化調(diào)整

AIG氨噴射系統(tǒng)改造后，進(jìn)行了SCR現(xiàn)場(chǎng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。

在機(jī)組330MW負(fù)荷下，根據(jù)反應(yīng)器出口煙道截面的NOx濃度分布，對(duì)AIG噴氨格柵不同支管的手動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行針對(duì)性調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)多輪噴氨流量分配調(diào)整后，反應(yīng)器出口截面NOx分布均勻性得到了改善(圖9)，以A側(cè)反應(yīng)器為例，噴氨優(yōu)化調(diào)整后，當(dāng)脫硝效率約81.6%時(shí)，A側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值為77mg/m3，最小值為52mg/m3反應(yīng)器出口截面NOx分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差從調(diào)整前的52.2%降低至11.0%，經(jīng)折算統(tǒng)計(jì)，催化劑層入口截面NH3/NOx摩爾比分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.1%，滿足超低排放條件下對(duì)于均勻性的要求。

圖8噴氨優(yōu)化調(diào)整后A側(cè)反應(yīng)器出口NOx分布(330MW)

圖9改造前后空預(yù)器阻力DCS參數(shù)變化趨勢(shì)

噴氨優(yōu)化調(diào)整后，機(jī)組330MW負(fù)荷下，入口NOx濃度在271~310mg/m3時(shí)，實(shí)測(cè)脫硝效率分別為81.6%,87.0%,90.6%時(shí)，對(duì)應(yīng)氨逃逸濃度分別為1.74μL/L,2.51μL/L,2.97μL/L，出口NOx濃度在29~54mg/m3。據(jù)此估算，在保證氨逃逸濃度不大于3μL/L情況下，機(jī)組滿負(fù)荷下，脫硝裝置最大安全脫硝效率約為89.4%，與改造前約60%的最大安全脫硝效率相比提升了約30%。

表3噴氨優(yōu)化前后及改造前試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比(A反應(yīng)器)

可見(jiàn)，通過(guò)AIG優(yōu)化改造，噴氨系統(tǒng)具備了深度與寬度雙向分區(qū)調(diào)節(jié)功能，且分區(qū)與噴嘴數(shù)量的增加使得噴氨系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能更加靈活，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)噴氨優(yōu)化調(diào)整，SCR裝置催化劑層入口截面NH3/NOx摩爾比分布均勻性得到改善，消除了局部過(guò)高的氨逃逸水平。從機(jī)組DCS參數(shù)統(tǒng)計(jì)曲線也可以看出(圖9)，改造前空預(yù)器阻力有逐漸上升的趨勢(shì)，最高達(dá)2.5~3.1kPa，而改造后相同負(fù)荷下阻力水平較為穩(wěn)定，基本維持在2kPa以下。

因此，AIG改造及現(xiàn)場(chǎng)噴氨優(yōu)化調(diào)整的實(shí)施為實(shí)現(xiàn)超低排放運(yùn)行的目標(biāo)提供了有力保障。

4結(jié)論

催化劑本身是脫硝裝置性能發(fā)揮的基礎(chǔ)，而氨噴射系統(tǒng)則起著關(guān)鍵作用，尤其在超低排放條件下，對(duì)于NH3/NO摩爾比均勻性的要求更加嚴(yán)格，這對(duì)氨噴射系統(tǒng)提出了更高要求，具備良好調(diào)節(jié)性能的氨噴射系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)高NH3/NO摩爾比均勻性提供了硬件條件。對(duì)于某些機(jī)組氨噴射系統(tǒng)存在功能不足的情況，進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)噴氨優(yōu)化調(diào)整這一手段，可以減輕下游空預(yù)器ABS堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，有效降低空預(yù)器煙氣阻力，提升機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。