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某350MW機(jī)組SCR增加催化劑按照NO二超低排放運(yùn)行時(shí)，發(fā)生了空預(yù)器硫酸氫銨ABS嚴(yán)重堵塞問題，分析發(fā)現(xiàn)SCR入口煙道截面的NH3/NO摩爾比分布小均勻?qū)е戮植堪碧右葸^大是主要原因。為此，采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)SCR噴氨格柵(AIG)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)AIG噴氨流量分配進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。測試結(jié)果表明，脫硝反應(yīng)器出口NO二濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差由改造前的49%降低至11%以內(nèi)，頂層催化劑上方煙道截面的NH3/NOx摩爾比分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3.1%，消除了局部過高的氨逃逸濃度峰值，減輕了空預(yù)器ABS堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：SCR；噴氨格柵；CFD數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)；噴氨優(yōu)化調(diào)整；超低排放

國內(nèi)早期建設(shè)的SCR煙氣脫硝裝置脫硝效率約60%~85%，當(dāng)前為滿足50mg/m3的NOx超低排放限值，脫硝效率需提高到90%以上。脫硝效率的提高不僅增加了氨逃逸整體過量風(fēng)險(xiǎn)，也加大了SCR出口煙道截面的局部氨逃逸峰值濃度。根據(jù)國內(nèi)外研究，頂層催化劑入口的煙氣流場分布，尤其是NH3/NO摩爾比分布均勻性是影響局部氨逃逸的直接原因。在新形勢下，為減輕氨逃逸造成的空預(yù)器硫酸氫銨ABS堵塞問題，需要改進(jìn)SCR氨噴射系統(tǒng)，進(jìn)一步提高頂層催化劑上方煙氣中的NH3/NO摩爾比分布均勻性。

圖1NH3/NO二分布不均勻性對(duì)SCR性能的影響

國內(nèi)某350MW機(jī)組，為控制NOx排放達(dá)到50mg/m3以下增加了備用層催化劑，但運(yùn)行過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重空預(yù)器ABS堵塞問題。針對(duì)SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布偏差大和局部氨逃逸峰值高的現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬方法對(duì)氨噴射結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化改造，并通過現(xiàn)場測試對(duì)氨噴射格柵系統(tǒng)的氣氨流量分配進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，結(jié)果顯示催化劑上方的NH3/NO摩爾比分布均勻性得到大幅度提高。

1設(shè)備概況

該機(jī)組于2010年同步配套建設(shè)高灰型SCR煙氣脫硝裝置，催化劑層按“2+1”模式布置，初裝2層。采用混合型AIG氨噴射系統(tǒng)(稀疏型噴氨管路+靜態(tài)混合器)，每臺(tái)SCR反應(yīng)器沿爐寬方向設(shè)置14根噴氨支管，每根支管設(shè)置手動(dòng)調(diào)閥控制各支管的噴氨量，每根支管伸入SCR入口煙道后在爐深方向分為3個(gè)氨噴嘴(圖2)。這種AIG結(jié)構(gòu)只能通過各支管的手動(dòng)調(diào)閥調(diào)整沿爐寬方向的氨氣流量分配，無法調(diào)整爐深方向的氨氣流量分配。

圖2原AIG結(jié)構(gòu)俯視圖

備用層催化劑于2014年4月加裝，但在后期運(yùn)行過程中，空預(yù)器堵塞嚴(yán)重，機(jī)組滿負(fù)荷下空預(yù)器煙側(cè)阻力最高達(dá)3.1kPa。氨噴射優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果顯示，反應(yīng)器出口煙道截面NOx濃度分布沿爐深方向差別較大，以A側(cè)為例，同一測孔不同深度測點(diǎn)間的偏差約15~85mg/m3，導(dǎo)致局部氨逃逸過大，這可能是造成空預(yù)器硫酸氫銨ABS堵塞的重要原因，而原氨噴射系統(tǒng)對(duì)此無法相應(yīng)調(diào)整氣氨分配。

圖3優(yōu)化調(diào)整后A反應(yīng)器出口NOx分布

注：編號(hào)A1-A10為反應(yīng)器出u截肉從反應(yīng)器外側(cè)墻至鍋爐中心線方向的測孔編號(hào);編號(hào)P1-P3代表反應(yīng)器出u截肉由爐后往爐前的煙氣取樣點(diǎn)編號(hào)。

為滿足NOx超低排放和解決空預(yù)器ABS堵塞問題，電廠提出3項(xiàng)改造措施:

①低氮燃燒器改造，降低SCR入口NOx濃度，減輕SCR脫硝裝置的NOx處理壓力;

②兩層初裝催化劑再生，提高反應(yīng)器的整體脫硝效率，防止氨逃逸整體過量;

③氨噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化改造，改善SCR入口NH3/NO摩爾比分布均勻性，消除局部過高的NH3逃逸。

2氨噴射方案CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

2.1AIG優(yōu)化概念設(shè)計(jì)

針對(duì)原氨噴射系統(tǒng)存在的上述問題，在保留原有煙道外觀、內(nèi)部導(dǎo)流板、靜態(tài)混合器及整流格柵等結(jié)構(gòu)不變的情況下，考慮進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)改進(jìn):原氨噴射系統(tǒng)改為氣氨流量兩方向可調(diào)節(jié)分配;原直管型噴嘴更換為自身旋流混合型噴嘴，并增加噴嘴數(shù)量提高覆蓋面。

2.2反應(yīng)器建模

兩個(gè)SCR反應(yīng)器沿鍋爐中心線對(duì)稱布置，CFD數(shù)值模擬僅以一側(cè)反應(yīng)器作為研究對(duì)象。CFD數(shù)值模擬按照1:1的比例建立SCR反應(yīng)器系統(tǒng)三維幾何模型，始于鍋爐省煤器出口，止于反應(yīng)器最下層催化劑出口(圖4)。

圖4SCR反應(yīng)器三維幾何模型

對(duì)SCR模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為710萬，在噴氨格柵、整流格柵等尺度較小的空間區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，確保網(wǎng)格離散化后能夠準(zhǔn)確地描述幾何實(shí)體。單側(cè)SCR反應(yīng)器煙氣參數(shù)如表1所示。

表1反應(yīng)器入口煙氣參數(shù)

催化劑層使用Porous多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬，并通過參數(shù)調(diào)整，保證模擬阻力與實(shí)際阻力接近。采用Species物質(zhì)輸運(yùn)模型來模擬NH3在煙氣中的混合與擴(kuò)散，但不涉及化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)假設(shè)煙氣中的NOx分布均勻。

2.3CFD數(shù)值模擬研究

為了確保單根支管上各噴嘴流量分配的均勻性，首先對(duì)AIG系統(tǒng)單根噴氨支管上不同噴嘴的流量分配進(jìn)行了CFD模擬研究。如圖5所示，單根噴氨支管上設(shè)置4個(gè)等間距間隔布置的小噴嘴，CFD模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示(表2)，各噴嘴流量均勻，為下一步整體計(jì)算奠定了單元結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖5單根支管幾何模型

表2單噴氨支管各噴嘴流量統(tǒng)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)AIG氨噴射系統(tǒng)在SCR入口煙道深度和寬度兩個(gè)方向的氨氣流量分配調(diào)節(jié)功能，破除了原有系統(tǒng)僅能進(jìn)行寬度方向調(diào)節(jié)的限制，AIG優(yōu)化設(shè)計(jì)方案將SCR入口煙道截面沿深度和寬度方向分為2X7=14個(gè)控制分區(qū)，每個(gè)分區(qū)由對(duì)應(yīng)支管的手動(dòng)調(diào)閥進(jìn)行氨氣流量分配控制，每根支管又分為兩根次支管伸入煙道，每根次支管布置多個(gè)小噴嘴，噴嘴數(shù)量大大增加，增強(qiáng)了截面初態(tài)分布的均勻性，有利于氨氣與煙氣更好地混合。為增強(qiáng)噴嘴的氨氣噴射擴(kuò)散效果，采用了螺旋形噴嘴，同時(shí)保留原有靜態(tài)混合器，強(qiáng)化混合功能。

將AIG初步設(shè)計(jì)方案納入整體反應(yīng)器，進(jìn)行了多輪CFD數(shù)值模擬和方案改進(jìn)，最終將頂層催化劑層入口NH3濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)化到了3.9%確定為最終的AIG設(shè)計(jì)方案(圖6)，并據(jù)此實(shí)施了AIG氨噴射系統(tǒng)改造。