大型燃煤机组SCR装置超低排放改造流场优化理论研究.docx

大型燃煤机组SCR装置超低排放改造流场优化理论研究从燃煤机组SCR系统普遍出现的性能不稳定、氨逃逸超标等问题出发以具备代表性的某660MW超临界煤粉锅炉SCR脱硝系统为例拟结合喷氨格栅和驻涡型喷氨混合器特点进行多维度的驻涡脱硝喷氨混合装置优化改造理论研究。提出了基于分级多效混合、多排分区、强制整流的优化方案。依据CFD模拟计算结果本文所提出的SCR脱硝系统的流场优化方案可以充分实现流场分布和NH3/NOx混合分布均匀的要求即反应器内第一层催化剂入口截面NH3/NOx混合不均匀性低于5%；烟气气流速度不均匀性低于15%；烟气到达第一催化剂层的入射角小于10°。在原脱硝装置进行相应改造后现场实测结果进一步验证了理论改造方案的可靠性。本文所提出的流场升级改造思路及理论研究方法对指导大型燃煤机组SCR系统超低排放改造具备重要意义。关键词：SCR脱硝；多排分区驻涡喷氨；CFD模拟；分级多效混合；强制整流0引言近几年以来国家全面推行“节约、清洁、安全”的能源战略方针燃煤机组污染物排放标准不断提高。2022年7月环境能源局、发改委和环保部联合下发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》（环发[2015]164号）中要求到2022年全国所有拥有改造条件的火电燃煤发电机组力争完成超低排放；全国具备条件的新建火电燃煤发电机组达到超低排放水平。即在6%基准氧含量条件下NOx排放浓度低于50mg/Nm3这意味着脱硝设备要达到接近或超过90%的脱硝效率对SCR脱硝系统长期可靠运转带来极大挑战。根据国内外经济性分析和运转经验SCR装置的脱硝效率通常不高于85%。在同等催化剂的条件下脱硝装置欲实现更高的脱除效率对还原剂/烟气均匀混合程度的要求呈指数型上升。提升还原剂与烟气的混合质量、提高脱硝系统对来流工况变化的抗干扰性是实现SCR稳定超低排放的两大核心要素。因此亟需开发适用于脱硝超低排放的喷氨混合装置结合烟道内整流构件设计提升烟气流场的均匀性和适应性。目前国内在役实现“超低排放”的燃煤机组普遍出现性能不稳定、氨逃逸超标等问题根本原因在于烟道截面大而还原剂喷射量相比烟气量极小很难实现两者的充分混合使得反应器内部分区域氨供应不足而部分区域氨过量导致整体效率和氨逃逸不达标造成空预器差压过高、堵塞等一系列问题。对于负荷频繁波动的调峰机组氨的喷射无法适应烟气来流变化上述问题会更加突出。目前还原剂喷射装置有两种技术流派：1）喷氨格栅：利用大量的喷嘴实现氨气和烟气的均匀掺混喷嘴口径小、数目多高温高尘条件下易发生飞灰堵塞不具备调整来流均匀性的能力。2）驻涡型喷氨混合器：基于驻涡混合机理的还原剂混合装置喷管数目少、口径大具备调整来流均匀性的能力能主动调节来流氮氧化物浓度、速度、温度的偏差。采用喷氨格栅方式的SCR技术比较依赖导流板的布置方式和布置位置导流板结构的不同会对流场产生不同作用并对不同负荷下烟气混合效果有所影响。同时研究发现优化调整喷氨格栅烟道内均流部件对速度、浓度均匀性有显著改善作用通过分析流场不均匀性得到的分区喷氨方法能够进一步优化NH3在烟道中分布因此整体系统喷氨控制精度需求较高运转比较复杂。除此之外喷氨格栅管长时间受到烟气的直接冲击从而造成喷氨格栅管严重磨损。现有的喷氨格栅管一般都是直接在上面钻孔供喷氨使用磨损较严重情况下容易喷氨不均匀喷孔容易发生堵塞。本文针对上述问题本文拟吸取喷氨格栅的优点结合驻涡型喷氨混合器特点进行多维度的驻涡型脱硝喷氨混合装置优化改造技术理论研究能够利用较少数目的大口径喷嘴实现大截面烟道内烟气与还原剂的均匀掺混同时具备调整来流均匀性的能力。同时通过设置整流装置进一步调整速度场均匀性避免偏流对混合及脱硝反应造成影响充分发挥催化剂的能力避免堵塞、磨损。1计算模型1.1机组情况本文以某660MW国产燃煤超临界参数汽轮发电机组脱硝装置改造为例开展研究。其脱硝系统采用选择性催化还原脱硝技术（SCR）SCR烟气脱硝技术的还原剂选用液氨蒸发工艺在设计及校核煤种、锅炉最大工况（BMCR）、100%烟气量条件下脱硝效率不低于91.7%。脱硝系统运转时入口NOx含量600mg/Nm3脱硝反应器出口处烟气中NOx含量不大于50mg/Nm31台机组配置2台脱硝反应器每台反应器催化剂层数按2+1设置（2层运转预留1层备用预留层布置在反应器底部）烟气垂直向下通过催化块层。反应器进口烟温约373℃因喷入混合气以及烟道、反应器散热出口烟温约369℃。1.2计算模型机组原脱硝反应器、烟道三维建模根据实际烟道结构尺寸构建如图1充分考虑导流板、喷氨管、驻涡型喷氨混合器、整流格栅以及催化剂层对烟气流场和烟气组分的影响。计算整体范围包括从省煤器出口到空气预热器进口计算模型入口与省煤器出口烟道连接计算模型出口与空预器进口烟道连接。模型大小按照实际尺寸设置反应器长宽高分别