SCR煙氣脫硝系統出口煙道NOx測點技術改造

鄒堃，王丹秋

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SCR煙氣脫硝系統出口煙道NO測點技術改造

鄒堃1，王丹秋2

（1．上海上電漕涇發電有限公司，上海市 金山區 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重要來源，控制NO排放已成為當前電廠的重要工作。上海漕涇電廠分別于2014年和2015年實施了超低排放改造工程，在改造后的長期運行過程中發現，1號機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據有著較大偏差。通過對SCR所在煙道流場的數值模擬發現，原有SCR進出口的測點在煙道入口NO濃度分布不均勻時不能準確測量出NO的濃度值，因此對原有的NO出口測點進行了技術改造，變原來的2點平均測量為網格多點測量。技術改造后發現測點NO與煙囪出口NO數據變化趨勢吻合，為進一步的按需噴氨提供了基礎。

超低排放；選擇性催化還原(SCR)；NO濃度；網格多點測量

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重要因素[1-3]，控制NO排放已成為當前電力行業發展的重要工作環節[4-5]。目前最新標準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)煙氣脫硝系統是燃煤電站煙氣脫硝的主要選擇[6-7]。

上海上電漕涇發電有限公司(以下簡稱漕涇電廠)是國內首個以“上大壓小”核準建成的百萬kW超超臨界燃煤電廠，現有2臺國內單機容量最大的1 000MW超超臨界燃煤發電機組，分別于2010年1月和4月投產。漕涇電廠鍋爐、汽輪機和發電機三大主設備和絕大多數輔機均采用國產設備，國產化率達到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年實施了超低排放改造工程，投運后性能試驗表明，NO排放優于燃機排放標準。隨著投運時間的延伸，發現1號機組SCR系統的NO監測存在以下問題：SCR出口NO與煙囪出口NO數據經常有較大偏差，且以NO監測數據為依據進行噴氨調節，難度大且效果不明顯。本文對SCR所在煙道流場進行了數值模擬及NO測點的技術改造。

1 存在問題及流場分析

在1號機組實施超低排放改造過程后，長期運行過程中機組人員發現SCR系統出口NO與煙囪出口NO數據經常有較大偏差。

圖1為2017年2月15日中午11:15開始的一組負荷在500MW附近，SCR入口、出口以及煙囪出口NO測點的數據。從圖1可以看出，隨著機組負荷在500MW附近波動，SCR入口和出口NO數據的主要波峰和波谷都能吻合，SCR出口NO時間上略有滯后；而從20~30min機組負荷從550MW降至490MW這段時間來看，煙囪NO對負荷變化的跟隨性最好，而SCR出口和入口NO雖然在這個時間段有下降趨勢，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數據有較大差別，以圖1中45min對應的數據為例，SCR出口NO濃度為50.37mg/m3，超過超低排放標準的50mg/m3；而煙囪出口的NO濃度為13.96mg/m3，小于超低排放標準的50mg/m3，兩者差值達到36.41mg/m3。

圖1 技改前500 MW負荷附近NOx濃度及負荷數據

圖2為2017年2月18日中午11:15開始，負荷在750MW附近，SCR入口、出口以及煙囪出口NO測點的數據。從圖2可以看出，隨著負荷在750MW附近波動，SCR入口和出口NO數據的主要波峰和波谷都能吻合，SCR出口NO時間上略有滯后；而從整個時間段來看，后半時間(50~90 min)與前半時間(0~40min)相比負荷整體上略有上升，煙囪NO能體現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數據有較大差別，以圖2中75min對應的數據為例，SCR出口NO濃度為46.65mg/m3，接近超低排放標準的50mg/m3；而煙囪出口的NO濃度為20.89mg/m3，小于超低排放標準的50mg/m3，兩者差值達到24.56mg/m3。

圖2 技改前750MW負荷附近NOx濃度及負荷數據

綜上所述，初步判斷由于SCR入口和出口各只安裝了1個NO測點，每個測點取2個取樣點的平均值，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濃度分布充分擴散，因此改造前NO測點的布置無法代表真實的NO濃度，相對而言煙囪出口的NO測點前有相對較長的直管段，使得NO有充分擴散的空間，結果更加可信。

2 SCR所在煙道流場模擬

為了驗證上述分析，對SCR所在煙道內的流場及NO的分布進行數值模擬，煙道的三維模型結構如圖3所示。

為簡化計算，進行如下假設：SCR脫硝系統所在煙道為絕熱系統，忽略內部傳熱；煙氣為定常流動的理想流體，物性參數為定值；不考慮化學反應以及灰分對流場的影響；煙氣在催化劑層中的流動只考慮層流流動；系統漏風為零。另數值模擬的目的主要是驗證NO在流場中的擴散對測量結果的影響，為了便于測量SCR進出口NO濃度場，假設經過催化層后NO催化吸收的百分比一樣，設為0。

圖3 SCR所在煙道三維外形圖

邊界條件的設定如下：

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定：選用多孔質模型，流動方式選用層流區域，黏性阻力系數每個方向選取1.34 m-2，慣性阻力每個方向選取91m-2，孔隙率為0.68。

4）固體壁面和導流板均設為無滑移、無熱傳導的wall邊界條件。

其中噴氨格柵部分相比于整體模型尺寸很小，為了提高網格質量，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構網絡，噴氨格柵以下部分使用結構網格劃分。經過網格獨立性校驗，最終選取236萬網格作為計算網格。選用重整化RNG-模型來模擬煙道流場，SCR脫硝系統煙道內NO擴散模擬選擇通用有限速率模型進行。離散采用一階迎風格式，計算過程中選用壓力基求解器，運行環境中的參考壓力為1個標準大氣壓。

圖4 噴氨格柵簡化結構示意圖

模擬工況如圖3所示，將入口均勻劃分為9個區，其中1區的NO質量分數設為0.010 0，2~9區設為0.001 0，則入口截面平均質量分數為0.002 0。

圖5為圖3中標出的SCR入口測點截面NO濃度分布，其中2個“十”字的中心為改造前NO2點平均取樣的取樣位置，從這2個點平均取樣得到的NO質量分數為0.001 0，不能反應截面的平均質量分數0.002 0。

圖6為圖3中標出的SCR出口測點截面NO濃度分布，其中2個“十”字的中心為改造前NO2點平均取樣的取樣位置，從這2個點平均取樣得到的NO質量分數為0.001 7，不能準確反應截面的平均質量分數0.002 0。

圖5 技改前SCR入口測點截面NOx濃度分布

圖6 技改前SCR出口測點截面NOx濃度分布

3 技術改造

根據上述模擬分析，顯然2點平均取樣無法滿足測量的要求。國家標準GBT 16157—1996規定：固定污染源排氣污染物采用等截面多點式采樣方法[10-15]，因此變單點NO測量為網格多點測量，在采樣截面上布置多點取樣點將能有效改善測量精度。

圖7是在原SCR入口測點所在截面采用網格多點分區的方法，設置16個取樣點，則這16個取樣點的平均值為0.002 3，與改造前的0.001 0相比更加接近截面的平均質量分數0.002 0。

圖7 技改后SCR入口測點截面NOx濃度分布

圖8 技改后SCR出口測點截面NOx濃度分布

考慮到改造前SCR入口和出口NO測點所在截面的面積不一致，為了更具對應性，在SCR催化劑層下方選取一截面采用網格多點分區的方法，設置16個取樣點，如圖8所示，則這16個取樣點的平均值為0.002 1，已經非常接近截面的平均質量分數0.002 0。

針對上述分析，采用如圖7和圖8所示的網格多點取樣方案進行NO測量顯然更能反應截面真實的NO值。

經技術論證，為降低技術風險性，同時節約改造成本，最終技術改造方案為：只在SCR出口將單點NO測量改為網格多點NO測量。如圖3所示，多點取樣槍安裝在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區域的煙氣，如圖9所示，將整個煙道截面分為16個區域，每個區域設置一桿取樣槍。每個取樣槍對應一個等截面分區，該分區的煙氣經等速抽取經控溫伴熱管路進入測量氣室的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

上述技術改造完畢后，效果比較顯著。為便于對比，選取了500MW附近和840MW附近的2組工況，此時SCR出口NO數據為16個分區的平均值。

圖10為2018年5月17日下午14:15開始，負荷在500MW附近，SCR入口、出口以及煙囪出口NO測點的數據。

圖10 技改后500MW負荷NOx測點數據

首先隨著負荷在500MW附近波動，SCR入口NO的跟隨負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，跟隨負荷變化的趨勢也相對比較明顯。另SCR出口與煙囪出口NO數據差別較小，以圖9中15min 對應的數據為例，SCR出口NO濃度為21.27mg/m3，煙囪出口NO濃度為27.49mg/m3，均小于超低排放標準的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，負荷在840MW附近，SCR入口、出口以及煙囪出口NO測點的數據。隨著負荷在840MW附近波動，SCR入口NO跟隨負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，但與負荷變化的跟隨性不明顯。此時，SCR出口與煙囪出口的NO濃度數據差別較小，以圖10中15 min對應的數據為例，SCR出口的NO濃度為32.18 mg/m3，煙囪出口的NO濃度為41.83mg/m3，均小于超低排放標準的50mg/m3，兩者差值為9.65mg/m3。

圖11 技改后840MW負荷NOx測點數據

綜上所述，經技術改造后，SCR出口與煙囪出口NO數據趨勢吻合，差值減小到10mg/m3以內，為SCR系統噴氨量的調節提供了更直觀的數據，減少了改造前為確保NO排放達標而加大噴氨量的情況。

5 結論

針對上海漕涇電廠1號機組SCR系統出口與煙囪出口NO測量數據差別較大，且與負荷波動的跟隨趨勢不明顯的問題進行了分析，并對SCR所在煙道內的流場進行了模擬。結果顯示，原SCR入口和出口的NO測點不能準確測量截面的NO，如改為網格多點測量可改善測量結果的準確性。根據模擬結果進行技術改造，變SCR出口的單點NO測量為16個等截面分區的網格多點分區測量，取其平均值作為SCR出口的NO數據。結果表明：與技術改造前相比，SCR出口與煙囪出口NO數據趨勢吻合，500MW和840MW負荷時兩者差值可減小到10mg/m3以內。

技術改造達到了預期的目的。如進一步將SCR入口的單點NO測量改為與出口NO等截面分區網格多點NO測量，配合各噴氨支管的獨立調節，將可能實現SCR系統按需精準噴氨的功能，在提高脫硝效率的同時減少氨逃逸率。

致 謝

本技術改造工作得到了南京理工大學新能源科學與工程實驗室的大力協助，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，研究方向為電能質量控制、電廠新技術應用及新能源發電技術，zouk@sdcjpg.com；

鄒堃

王丹秋(1975)，男，工程師，研究方向為氣固兩相流測控新技術， gon@188.com。

(責任編輯 楊陽)