從燃煤機(jī)組SCR系統(tǒng)普遍出現(xiàn)的性能不穩(wěn)定、氨逃逸超標(biāo)等問(wèn)題出發(fā)，以具有代表性的某660MW超臨界煤粉鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)為例，擬結(jié)合噴氨格柵和駐渦型噴氨混合器特點(diǎn)，進(jìn)行多維度的駐渦脫硝噴氨混合裝置優(yōu)化改造理論研究。提出了基于分級(jí)多效混合、多排分區(qū)、強(qiáng)制整流的優(yōu)化方案。依據(jù)CFD模擬計(jì)算結(jié)果，本文所提出的SCR脫硝系統(tǒng)的流場(chǎng)優(yōu)化方案可以充分實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)分布和NH3/NOx混合分布均勻的要求，即反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面NH3/NOx混合不均勻性低于5%；煙氣氣流速度不均勻性低于15%；煙氣到達(dá)第一催化劑層的入射角小于10°。在原脫硝裝置進(jìn)行相應(yīng)改造后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了理論改造方案的可靠性。本文所提出的流場(chǎng)升級(jí)改造思路及理論研究方法對(duì)指導(dǎo)大型燃煤機(jī)組SCR系統(tǒng)超低排放改造具有重要意義。

關(guān)鍵詞：SCR脫硝；多排分區(qū)駐渦噴氨；CFD模擬；分級(jí)多效混合；強(qiáng)制整流

0引言

近年來(lái)，國(guó)家全面推行“節(jié)約、清潔、安全”的能源戰(zhàn)略方針，燃煤機(jī)組污染物排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。2015年7月環(huán)境能源局、發(fā)改委和環(huán)保部聯(lián)合下發(fā)的《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》（環(huán)發(fā)[2015]164號(hào)）中要求，到2020年，全國(guó)所有擁有改造條件的火電燃煤發(fā)電機(jī)組力爭(zhēng)完成超低排放；全國(guó)具備條件的新建火電燃煤發(fā)電機(jī)組達(dá)到超低排放水平。即在6%基準(zhǔn)氧含量條件下，NOx排放濃度低于50mg/Nm3，這意味著脫硝設(shè)備要達(dá)到接近或超過(guò)90%的脫硝效率，對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)性分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，SCR裝置的脫硝效率通常不高于85%。在同等催化劑的條件下，脫硝裝置欲實(shí)現(xiàn)更高的脫除效率，對(duì)還原劑/煙氣均勻混合程度的要求呈指數(shù)型上升。提升還原劑與煙氣的混合質(zhì)量、提高脫硝系統(tǒng)對(duì)來(lái)流工況變化的抗干擾性是實(shí)現(xiàn)SCR穩(wěn)定超低排放的兩大核心要素。因此亟需開(kāi)發(fā)適用于脫硝超低排放的噴氨混合裝置，結(jié)合煙道內(nèi)整流構(gòu)件設(shè)計(jì)，提升煙氣流場(chǎng)的均勻性和適應(yīng)性。

目前國(guó)內(nèi)在役實(shí)現(xiàn)“超低排放”的燃煤機(jī)組普遍出現(xiàn)性能不穩(wěn)定、氨逃逸超標(biāo)等問(wèn)題，根本原因在于煙道截面大，而還原劑噴射量相比煙氣量極小，很難實(shí)現(xiàn)兩者的充分混合，使得反應(yīng)器內(nèi)部分區(qū)域氨供應(yīng)不足，而部分區(qū)域氨過(guò)量，導(dǎo)致整體效率和氨逃逸不達(dá)標(biāo)，造成空預(yù)器差壓過(guò)高、堵塞等一系列問(wèn)題。對(duì)于負(fù)荷頻繁波動(dòng)的調(diào)峰機(jī)組，氨的噴射無(wú)法適應(yīng)煙氣來(lái)流變化，上述問(wèn)題會(huì)更加突出。

目前還原劑噴射裝置有兩種技術(shù)流派：

1）噴氨格柵：利用大量的噴嘴，實(shí)現(xiàn)氨氣和煙氣的均勻摻混，噴嘴口徑小、數(shù)目多，高溫高塵條件下易發(fā)生飛灰堵塞，不具備調(diào)整來(lái)流均勻性的能力。

2）駐渦型噴氨混合器：基于駐渦混合機(jī)理的還原劑混合裝置，噴管數(shù)目少、口徑大，具備調(diào)整來(lái)流均勻性的能力，能主動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)流氮氧化物濃度、速度、溫度的偏差。

采用噴氨格柵方式的SCR技術(shù)較為依賴導(dǎo)流板的布置方式和布置位置，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的不同會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生不同作用，并對(duì)不同負(fù)荷下煙氣混合效果有所影響。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整噴氨格柵煙道內(nèi)均流部件對(duì)速度、濃度均勻性有顯著改善作用，通過(guò)分析流場(chǎng)不均勻性得到的分區(qū)噴氨方法能夠進(jìn)一步優(yōu)化NH3在煙道中分布，因此整體系統(tǒng)噴氨控制精度需求較高，運(yùn)行較為復(fù)雜。除此之外，噴氨格柵管長(zhǎng)時(shí)間受到煙氣的直接沖擊從而造成噴氨格柵管嚴(yán)重磨損?，F(xiàn)有的噴氨格柵管一般都是直接在上面鉆孔供噴氨使用，磨損較嚴(yán)重情況下容易，噴氨不均勻，噴孔容易發(fā)生堵塞。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，本文擬吸取噴氨格柵的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合駐渦型噴氨混合器特點(diǎn)，進(jìn)行多維度的駐渦型脫硝噴氨混合裝置優(yōu)化改造技術(shù)理論研究，能夠利用較少數(shù)目的大口徑噴嘴，實(shí)現(xiàn)大截面煙道內(nèi)煙氣與還原劑的均勻摻混，同時(shí)具備調(diào)整來(lái)流均勻性的能力。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置整流裝置，進(jìn)一步調(diào)整速度場(chǎng)均勻性，避免偏流對(duì)混合及脫硝反應(yīng)造成影響，充分發(fā)揮催化劑的能力，避免堵塞、磨損。

1計(jì)算模型

1.1機(jī)組情況

本文以某660MW國(guó)產(chǎn)燃煤超臨界參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組脫硝裝置改造為例開(kāi)展研究。其脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原脫硝技術(shù)（SCR），SCR煙氣脫硝技術(shù)的還原劑選用液氨蒸發(fā)工藝，在設(shè)計(jì)及校核煤種、鍋爐最大工況（BMCR）、100%煙氣量條件下，脫硝效率不低于91.7%。脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)入口NOx含量600mg/Nm3，脫硝反應(yīng)器出口處煙氣中NOx含量不大于50mg/Nm3，1臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)脫硝反應(yīng)器，每臺(tái)反應(yīng)器催化劑層數(shù)按2+1設(shè)置（2層運(yùn)行，預(yù)留1層備用，預(yù)留層布置在反應(yīng)器底部），煙氣垂直向下通過(guò)催化塊層。反應(yīng)器進(jìn)口煙溫約373℃，因噴入混合氣以及煙道、反應(yīng)器散熱，出口煙溫約369℃。

1.2計(jì)算模型

機(jī)組原脫硝反應(yīng)器、煙道三維建模根據(jù)實(shí)際煙道結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建如圖1，充分考慮導(dǎo)流板、噴氨管、駐渦型噴氨混合器、整流格柵以及催化劑層對(duì)煙氣流場(chǎng)和煙氣組分的影響。計(jì)算整體范圍包括從省煤器出口到空氣預(yù)熱器進(jìn)口，計(jì)算模型入口與省煤器出口煙道連接，計(jì)算模型出口與空預(yù)器進(jìn)口煙道連接。模型大小按照實(shí)際尺寸設(shè)置，反應(yīng)器長(zhǎng)寬高分別為11.1、15.1和19.53m，噴氨處煙道尺寸3.1m×15.15m。

圖1SCR反應(yīng)器計(jì)算模型

原脫硫裝置在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)氨氮分布不均，過(guò)量噴氨，下游催化劑堵塞、磨損，空預(yù)器堵塞等問(wèn)題。針對(duì)原有系統(tǒng)還原劑混合不均勻及速度場(chǎng)不均的問(wèn)題，本文提出改造方案如下：入口煙道設(shè)整流裝置；采用多維度駐渦噴氨混合裝置；反應(yīng)器頂部設(shè)整流裝置。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2優(yōu)化改造后SCR系統(tǒng)反應(yīng)器模型

本文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法對(duì)某660MW火電機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)改造前后進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比，研究煙氣在煙道各位置流動(dòng)、變化和相互混合的過(guò)程，同時(shí)研究駐渦型噴氨混合器對(duì)煙氣流場(chǎng)以及脫硝還原劑分布混合的效果，達(dá)到有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到適合催化劑安全、高效、穩(wěn)定反應(yīng)的SCR煙道結(jié)構(gòu)的目的。

1.3模型設(shè)置

計(jì)算中使用的基本假設(shè)包括：

（1）煙道模型進(jìn)口的煙氣速度在進(jìn)口截面均勻分布（16.18m/s），并且溫度分布也均勻（373℃）；

（2）煙道壁面絕熱，并且內(nèi)部沒(méi)有熱源和熱沉，因此，在沒(méi)有噴氨時(shí)煙道內(nèi)溫度處處均勻；

（3）煙道模型出口斷面處壓力分布均勻；

（4）催化劑層和整流格柵用多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化，用各向異性的方法對(duì)催化劑層的阻力特性進(jìn)行定義。

湍流模型采用standardk-?，壁面函數(shù)采用standardwallfunctions。模型采用混合網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格單元數(shù)約150萬(wàn)，在噴氨管和駐渦型噴氨混合器采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其它計(jì)算區(qū)域利用規(guī)則的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。另外，在特殊區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如導(dǎo)流板、噴氨管和駐渦型噴氨混合器等。煙道模擬運(yùn)行工況為BMCR100%的煙氣量，物性參數(shù)、噴氨系統(tǒng)參數(shù)亦參考此時(shí)的參數(shù)設(shè)定。

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1原脫硝系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

如圖3所示，原脫硝裝置由于入口水平煙道設(shè)有張角較大的擴(kuò)徑段，引起下游煙道左右側(cè)煙氣流量不均，進(jìn)而造成脫硝反應(yīng)器左右側(cè)出現(xiàn)較大的氨氣分布偏差。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，脫硝入口來(lái)流條件變化時(shí)，來(lái)流擾動(dòng)會(huì)趨勢(shì)還原劑氨分布的偏差進(jìn)一步放大，進(jìn)而使得脫硝裝置效率降低或者氨逃逸排放過(guò)高。并且由于該裝置噴氨混合器后豎直混合段煙道較短，停留時(shí)間短，對(duì)還原劑與煙氣的混合要求更高。

圖3a:改造前脫硝縱斷面NH3分布圖；b:改造前第一層催化劑入口NH3分布圖。（各噴氨支管流量相同）

2.2優(yōu)化改造方案計(jì)算結(jié)果

針對(duì)該機(jī)組脫硝裝置的上述特點(diǎn)，實(shí)施有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)電廠需求，綜合成本和效果分析，確定改造方案如下：采取分級(jí)多效混合、多排分區(qū)、強(qiáng)制整流的優(yōu)化思路，在原脫硝裝置內(nèi)，通過(guò)升級(jí)駐渦噴氨混合裝置、增設(shè)豎井煙道頂部彎頭擾流板，強(qiáng)化氨氣與煙氣的混合，顯著改善了催化劑入口還原劑的均勻性；在脫硝反應(yīng)器上部增設(shè)整流裝置，改善反應(yīng)器內(nèi)前后墻流速偏差，提高煙氣流動(dòng)的均勻性，緩解催化劑表面積灰、磨損等問(wèn)題；在入口煙道擴(kuò)徑段前設(shè)導(dǎo)流板，調(diào)整該處的速度場(chǎng)，緩解側(cè)部煙道積灰及噴氨混合器前煙氣偏流問(wèn)題。

圖4a:改造后脫硝縱斷面NH3分布圖；b:改造后第一層催化劑入口NH3分布圖。（各噴氨支管流量相同）

改造優(yōu)化方案NH3分布模擬結(jié)果如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在縱截面還是在第一層催化劑入口，NH3分布均勻性較改造前有顯著提升。由于煙道截面較寬，改造前單排噴氨裝置覆蓋面積有限，脫硝反應(yīng)器前后方向也出現(xiàn)較大的氨氣分布偏差。優(yōu)化改造方案設(shè)有兩排渦流混合裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煙道截面噴氨的分區(qū)控制，進(jìn)而提高氨氣在煙氣中分布的均勻性，優(yōu)化噴氨系統(tǒng)調(diào)節(jié)性，并且在下游增設(shè)擾流板，利用強(qiáng)制擾流進(jìn)一步加強(qiáng)氨氣與煙氣的混合，顯著改善了催化劑入口還原劑的均勻性，從而達(dá)到提高脫硝效率、降低氨逃逸的目的。此外，煙氣流場(chǎng)的組織是影響煙道阻力分布、

速度均勻性和煙氣組分摻混程度的重要因素。受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況限制，原脫硝煙道入口設(shè)有張角較大的擴(kuò)徑段，導(dǎo)致煙氣偏流嚴(yán)重。相比噴氨格柵，駐渦噴氨混合裝置本身具有整流效果，具備一定的負(fù)荷自適應(yīng)性。改造方案通過(guò)在脫硝裝置進(jìn)口煙道前設(shè)置導(dǎo)流葉片，強(qiáng)制改善來(lái)流煙氣分布的均勻性，使駐渦混合器前端的截面速度分布相對(duì)均勻，均勻的速度場(chǎng)能夠提高駐渦型噴氨混合器的混合效果。為了保證進(jìn)入催化劑的速度場(chǎng)均勻，在脫硝反應(yīng)器上部同時(shí)增設(shè)整流裝置。圖5為改造后的煙氣流線圖，從圖中可以看出，煙氣在煙道內(nèi)的流動(dòng)較為平滑，進(jìn)入脫硝反應(yīng)器前，氣流在導(dǎo)流葉片和頂部擾流管作用下，經(jīng)過(guò)整流格柵后，煙氣方向轉(zhuǎn)為向下，速度方向較為一致，分布更加均勻。

圖5煙道內(nèi)煙氣流線圖

2.3優(yōu)化改造結(jié)果分析

表1所示為脫硝煙道反應(yīng)器優(yōu)化后，BMCR工況下第一層催化劑上表面的速度、煙氣入射角度和氨濃度均值、方差，結(jié)果表明，優(yōu)化改造后速度分布的不均勻性為6.6%，小于15%；氨濃度分布的不均勻性小于5%；煙氣入射角都小于10°，全部滿足超低排放要求的煙道流場(chǎng)設(shè)計(jì)要求。

表1改造后脫硝系統(tǒng)特征參數(shù)

為驗(yàn)證CFD理論研究結(jié)果的可靠性，在該660MW機(jī)組脫硝裝置按照優(yōu)化方案改造后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。在660MW滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，沿脫硝反應(yīng)器出口煙道的長(zhǎng)度方向取6~7個(gè)測(cè)孔，用網(wǎng)格法分別測(cè)量反應(yīng)器出口NOx、氨逃逸濃度，結(jié)果如圖6、7所示。

圖6實(shí)測(cè)脫硝裝置出口NOx濃度

圖7實(shí)測(cè)脫硝裝置出口氨逃逸濃度

由圖6、7可知，改造后脫硝裝置出口NOx濃度總體分布非常均勻，平均濃度低于較超低排放限值，并且氨逃逸濃度值遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值3ppm，說(shuō)明經(jīng)過(guò)流場(chǎng)優(yōu)化改造后，在進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，煙氣與還原劑混合均勻，保證了脫硝效率，同時(shí)減少氨逃逸及還原劑耗量，減緩下游空預(yù)器堵塞，降低機(jī)組運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

3結(jié)論

1）本文針對(duì)某660MW超臨界煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)進(jìn)行煙氣和氨氣在SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)的混合過(guò)程研究，針對(duì)現(xiàn)有噴氨優(yōu)化系統(tǒng)問(wèn)題，提出了基于入口煙道設(shè)整流裝置、采用分級(jí)多效駐渦混合裝置、反應(yīng)器頂部設(shè)整流裝置的改造方案。

2）依據(jù)CFD模擬計(jì)算結(jié)果，本文所提出的SCR脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可以充分實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)分布和NH3/NOx充分混合的要求，即反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面煙氣氣流速度不均勻性低于15%；第一層催化劑的煙氣入射角低于10°；SCR反應(yīng)器第一層催化劑所在入口截面NH3/NOx混合不均勻性低于5%。

3）依托理論研究的成果，原脫硝裝置進(jìn)行相應(yīng)改造后，在脫硝裝置出口進(jìn)行網(wǎng)格化測(cè)量NOx濃度和氨逃逸濃度，驗(yàn)證了改造方案的可靠性。

4）此660MW機(jī)組SCR裝置的煙道、反應(yīng)器布置以及流場(chǎng)存在的問(wèn)題在大型燃煤機(jī)組SCR裝置中具有代表性，本文提出的流場(chǎng)升級(jí)改造思路及理論研究方法對(duì)指導(dǎo)大型燃煤機(jī)組SCR系統(tǒng)超低排放改造具有借鑒意義。