基于數值模擬的660 MW塔式鍋爐SCR脫硝流場優化研究

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(SCR)以其技術成熟、脫硝效率高、運行可靠以及二次污染較低等優點，已經成為國內外燃煤電廠應用最廣泛的煙氣脫硝技術[2]。但在電廠實際運行時，由于受到超低排放的影響，運行人員盲目噴氨，導致SCR出口氨逃逸率增大，從而導致NOx排放不達標以及SCR設備腐蝕、空預器堵塞等問題[3]。董陳等[4]對某600 MW機組SCR進行模擬，結果表明，在煙道擴口段和轉向段加裝導流板葉片，催化劑入口截面處的煙氣速度分布及NH3質量濃度相對標準偏差都得到明顯改善。李壯揚等[5]通過在SCR入口煙道漸擴段增設導流板、在原有導流板組的基礎上優化導流板數和形狀，使得首層催化劑前截面的速度分布和NH3體積分數分布相對標準偏差系數都降低，發現均流裝置部件對速度分布矯正效果明顯，對NH3體積分數分布有一定的改善作用。沈丹等[6]以600 MW燃煤機組的SCR反應器為對象，對脫硝反應器內3種導流板的流場分布狀況進行數值模擬，并分析了不同導流板下的流速變化和不均勻程度，獲得了較為理想的導流板形狀和流場分布。汪洋等[7]對脫硝反應器煙氣整流格柵流場進行數值模擬，并分析了導流板間距、長度及板夾角等結構參數對反應器流場分布的影響，確定了獲得反應器最佳流場的結構參數。

本文對660 MW塔式鍋爐SCR反應器中的煙氣流動情況進行數值模擬，以SCR煙道煙氣速度場分布情況為依據對導流板進行設計，進行流場優化，改善SCR出口氨逃逸率大、流場分布不均的情況。

1 機組概況

1.1 機組脫硝形式

某電廠660 MW機組鍋爐為上海鍋爐廠有限責任公司制造的超臨界壓力、單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調溫、一次再熱、平衡通風、全鋼架懸吊結構、緊身封閉布置鍋爐。以鍋爐SCR脫硝系統為研究對象，煙氣由省煤器出口后經過一個拐彎進入水平煙道，又經過一直角彎通過整流格柵，最后進入催化劑層。

1.2 存在問題

改造前脫硝入口煙氣流場不均，催化劑出現大面積破損情況，堵灰嚴重，氨逃逸超標，造成下游空氣預熱器蓄熱元件冷端產生結晶及低溫腐蝕，單臺機組脫硝單耗高。

2 模型對象

按照現場實際情況，采用1∶1對SCR系統進行建模，整流格柵位置按照支撐梁的分塊對其36個區域的支撐梁和擋板進行建模。SCR脫硝系統三維尺寸模型如圖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，導流板及壁面均設定為壁面條件。

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

3 現有SCR煙道模擬結果

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

圖2 優化前整體流線

圖3 優化前噴氨格柵前流場矢量圖

圖4 優化前反應器前流場矢量圖

由于流場分布的差異大，導致進入SCR的煙氣分布不均勻，勢必會降低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行預測，有些區域必然會存在大量積灰情況，如圖5所示，機組檢修期間對現場實際積灰情況進行檢查，與預測結果有較好的吻合性。

圖5 整流格柵上游積灰分布預測

由于煙氣流場的不均勻分布，現場噴氨格柵采用不均勻噴射。根據實際運行情況，對催化劑上游氨氮比分布進行模擬，可見氨氮比分布不均勻，結果如圖6所示。

圖6 優化前催化劑上游氨氮比分布云圖

4 SCR煙道優化

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

優化后煙道流場分布如圖7—圖9所示。轉向處煙氣死區基本消除，轉向后前、后墻的低速區與高速區同樣消除，反應器前煙氣更加均勻，整個煙道內煙氣分布趨于均勻。

圖7 優化后整體流線

圖8 優化后噴氨格柵前流場矢量圖

圖9 優化后反應器前流場矢量圖

催化劑上游氨氮比分布較優化前明顯更均勻，氨氮比由優化前的0.8～1.2變為0.9～1.1。

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，預防空預器堵塞，結果如圖10所示。

圖10 優化后催化劑上游氨氮比分布云圖

5 測試結果分析

為檢驗優化后實際運行效果，機組在660 MW負荷下對脫硝入口NOx質量濃度、煙氣流速、煙氣溫度以及氨逃逸率進行實際測量，試驗結果如圖11—圖14所示。

圖11 脫硝入口NOx質量濃度測試結果

圖12 脫硝入口煙氣流速測試結果

圖13 脫硝入口煙氣溫度測試結果

圖14 脫硝出口氨逃逸測試結果

SCR反應器入口NOx質量濃度均值為104 mg/Nm3，不均勻度為4.73%；SCR反應器入口煙氣流速均值為13.58 m/s，不均勻度為12.76%；SCR反應器入口煙氣溫度均值為349.1 ℃，不均勻度為0.22%；SCR反應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嚴重，高達7 mg/Nm3。

6 結語

本文以660 MW塔式鍋爐為研究背景，基于SCR系統存在流場不均及氨逃逸率大等問題，對SCR入口煙氣流場進行模擬優化。本次優化改造后，脫硝入口NOx質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，符合設計要求。