火電機組SCR煙氣脫硝噴氨優化模擬及試驗驗證

金玉群，尹國明

（1.國家電投集團江西電力有限公司貴溪發電廠，江西 貴溪 335400；2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

在大型燃煤電廠煙氣脫硝技術中，選擇性催化還原（SCR）技術是國際上應用最多、最成熟的技術，約占整個市場份額）90%[1]。其原理是利用氨氣（NH3）和催化劑，在適合的溫度區間將氮氧化物（NOx）還原為氮氣N2。該法的特點是：由于使用了催化劑，故反應溫度較低；凈化率高；工藝設備緊湊，運行可靠。SCR煙氣脫硝技術在實際的生產運行中，反應器內的還原劑的濃度分布情況和氣流分布對脫硝效果有直接影響，隨運行時間延長，當脫硝裝置流場不均、催化劑化學壽命下降、積灰嚴重時，必然導致整個脫硝系統的脫硝效率下降，為保證排放濃度達標，“多噴氨”是最常見的調節手段，“氨逃逸”幾乎在全國所有電廠“正在發生”或“即將發生”[2]。

某廠燃煤發電機組煙氣脫硝工程，采用選擇性觸媒脫硝法（SCR），布置雙煙道雙反應器，采用2+1催化劑層（1層備用），采用液氨作為還原劑，脫硝率不低于80%（NOX為標準狀態，6%含氧量，干基）。脫硝系統按雙煙道雙SCR反應器形式設計，其中單個SCR反應器尺寸為13 950 mm（L）×11 200 mm（W）×19 080 mm（H），按鍋爐在50%BMCR工況下煙氣量的要求設計單個SCR反應器尺寸，其主要設計參數見表1。

表1 SCR脫硝系統的主要設計參數

1 SCR噴氨優化及數值模擬

1.1 模型建立及邊界條件設置

數值模擬假設條件如下：假設熱煙氣為不可壓縮的牛頓流體，假設煙氣在模型入口處分布是均勻的，采用多孔介質來模擬反應器的催化劑層，同時，由于實驗在常溫下進行，因此不考慮實驗中的化學反應（NH3與NOX），上述假設都是為了模擬計算的方便。根據假設選取了廣泛用于計算高湍流雷諾數及遠離壁面的流體流動的標準k－Epsilon模型[3]，將煙氣入口邊界條件設定為速度入口形式，且按比例設定入口處煙氣的組分。在噴氨格柵處邊界條件設定為速度入口形式，并根據實際的氨氣/空氣混合比例，設定其組分比例[4]，邊界條件詳情如表2。

表2 SCR邊界條件

采用標準偏差系數CV作為SCR系統的設計性能的量化標準，SCR反應器內各截面處速度或濃度的標準偏差占該截面速度或濃度平均值的百分量即為標準偏差系數CV[5]，它的計算式如（1）、（2）所示：

對SCR系統在BMCR工況下的流場進行一系列數值模擬，以此觀察NH3與熱煙氣的混合均勻度及煙氣速度分布，通過數據分析，為系統設計優化提供依據。影響SCR濃度及速度均勻性的因素有：混合器的結構角度、導流板的位置及角度、各噴氨口噴氨量的分配等[6]。可對導流裝置、混合器對應的角度、導流板的高度等進行模擬優化，根據模擬結果得到最佳的設計參數和安裝角度、位置等指導設計。本文在總噴氨量不變的前提，對各噴氨口的噴氨量分配進行優化。

1.2 噴氨量優化方案

噴氨格柵之前，煙氣的分布情況已經很不均勻，同時煙氣的流動速度、煙氣和NH3的混合比例共同決定著NH3的流量，因此，想要使煙氣和NH3在噴氨格柵之后混合均勻，需要調節噴氨格柵中各噴氨嘴的噴氨量。噴嘴噴氨總量保持不變，將噴氨格柵前的上下兩排噴氨口分別設定為A排、B排，將A排噴氨量和B排的噴氨量依次進行調節。優化設計的目的是提高脫硝效率、降低NH3的消耗量及NH3的逃逸率，因此選擇優化方案的原則：NH3濃度場的標準偏差系數在SCR裝置的第一層催化劑入口處能夠較小，而且速度場的標準偏差系數CV≤15%，必須滿足設計要求的范圍。

圖1 標準偏差系數隨A噴氨量的變化

圖2 優化后第一層催化劑入口流場和濃度場

在BMCR工況下，將A排和B排的噴氨量進行調節，通過大量的數值模擬后，得到圖1所示的結果。結果表明，將A排噴嘴的噴氨量調節為原來噴氨量的55%，B排噴嘴的噴氨量調節為原來噴氨量的45%，模擬結果顯示相對最優。

在噴氨量優化后的BMCR工況下，從圖2可以看出，第一層催化劑入口處的NH3濃度分布比較均勻，與優化之前相比，濃度分布情況明顯得到改善，NH3濃度分布偏差系數CV值降到8.7%，與原來的14.9%相比，其均勻程度得到很大提高，同時煙氣速度的標準偏差系數的CV值為8.2%，比優化前稍有提高，優化得出的兩個結果都滿足設計要求。

1.3 噴氨均勻性采樣優化

當前SCR裝置的采樣主要分布在脫硝設施出口煙道上，無法對氮氧化物和煙氣流速監測實現全覆蓋。本機組加裝脫硝設施全斷面均勻性采樣裝置，在每個催化劑模塊中心位置安裝一個取樣管道，根據需要隨時監測該催化劑模塊下方的氮氧化物濃度和煙氣流速，可全面掌握SCR反應器全斷面脫硝效率，從而實時評估運行中每個催化劑模塊的脫硝效率。有效監測脫硝反應器的脫硝反應效率和煙氣流速，通過噴氨量調整提高脫硝效率，減少氨逃逸量，減少催化劑層和空預器堵塞，確保機組的安全穩定經濟運行。采樣裝置優化布置示意圖見圖3。全斷面均勻性采樣裝置實體外觀圖見圖4。

圖3 噴氨全斷面均勻性采樣裝置布置示意圖

圖4 噴氨全斷面均勻性采樣裝置實體外觀圖

2 模擬優化試驗驗證

按照保持總噴氨量不變的情況下，依次改變A排與B排的噴氨量的優化方案，在該火電機組進行優化試驗驗證，常用工況下試驗結果如表3

表3 常用工況下性能試驗結果

為驗證噴氨優化調整效果，在燃燒常用煤種工況下，以工況1作為未調整噴氨門之前的A側實測出口NOX濃度分布見表4；對應噴氨優化調整后的SCR系統A側出口NOX分布見表5。在噴氨優化調整前的工況1下，SCR系統A側對應的出口NOX平均值為87.7 mg/Nm3，其偏差為16.86%，濃度分布非常不均，導致在控制噴氨總門而噴氨小門不做調整情況下，氨耗量大，氨逃逸率高，SCR脫硝效率不高的情況。在噴氨優化調整后的工況2下，SCR系統A側對應的出口NOX平均值為83.95 mg/Nm3，其偏差為9.89%，濃度分布達到良好（<10%）的要求，與工況1比較，氨耗量由工況1的137.5 kg/h減小為調整后工況2的135.9 kg/h，氨逃逸率由工況1的3.92 ppm下降為2.93 ppm，SCR脫硝效率由工況1的80.4%提高為調整后工況2的81.58%。

表4 工況1對應SCR系統A側出口NOX濃度分布

表5 工況2對應SCR系統A側出口NOX濃度分布

3 結語

通過機組SCR噴氨優化運行模擬及試驗驗證，得出如下結論:

1）數值模擬的結果和實際運行情況相符性好，選擇建立的數學模型合理有效，為SCR系統脫硝性能的優化提供分析支持。

2）噴氨分配數值模擬優化結果表明，保持總的噴氨量不變的前提下，將A排噴嘴的噴氨量調節為原來噴氨量的55%，B排噴嘴的噴氨量調節為原來噴氨量的45%，模擬結果顯示相對最優。優化后濃度分布情況明顯得到改善，氨氣濃度分布偏差系數CV由原來的14.9%降到8.7%。

3）性能試驗表明，氨氣與煙氣的混合效果受噴嘴噴氨量比例的影響較大，保持總的噴氨量不變的前提下，通過調整各個噴氨嘴的噴氨比例，使SCR裝置脫硝效率得到改善，氨逃逸率可降至3 ppm以下。

參考文獻：

[1]中國電力企業聯合會 2012年全國電力工業運行簡況[N].中國電力報，2013-1-19（1）.

[2]王書肖，于超，郝吉明.電廠NOX控制政策與技術[N].環境工程學報，2011-6-5（6）.

[3]林建忠，阮曉東.流體力學[M].北京：高等教育出版社，2013.

[4]趙建忠，李寶.SCR脫硝反應塔流場數值模擬研究[J].應用能源技術，2014，（4）∶11-14.

[5]余廷芳，朱洪震，彭春華.NSGA-II算法在鍋爐燃燒多目標優化中的應用[J].南昌大學學報（工科版），2013，351）∶58-61.

[6]楊國詩.火電燃煤鍋爐NOX生成機理與燃燒優化技術的研究[J].淮南師范學院學報，2011，13（3）∶19-21.