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基于氨空混和技術(shù)的SCR脫硝系統(tǒng)氨耗量控制

發(fā)布時(shí)間： 2022/8/4

　　為保證NOx排放值滿足超低排放要求，許多燃煤機(jī)組選擇性催化還原SCR脫硝系統(tǒng)存在還原劑加入過量的現(xiàn)象，這不僅會(huì)造成氨逃逸量超標(biāo)增加運(yùn)行成本，還影響到空氣預(yù)熱器、除塵器等后續(xù)設(shè)備的正常運(yùn)行。為此，本文從氨空混合的角度出發(fā)，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件數(shù)值模擬，探究加裝氨空混合器、優(yōu)化母管聯(lián)箱尺寸及采用流場(chǎng)分區(qū)混合對(duì)機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)氨耗量影響。在某300MW機(jī)組采用上述技術(shù)進(jìn)行改造后，機(jī)組氨耗量
　　為保證NOx排放值滿足超低排放要求，許多燃煤機(jī)組選擇性催化還原SCR脫硝系統(tǒng)存在還原劑加入過量的現(xiàn)象，這不僅會(huì)造成氨逃逸量超標(biāo)增加運(yùn)行成本，還影響到空氣預(yù)熱器、除塵器等后續(xù)設(shè)備的正常運(yùn)行。
　　為此，本文從氨空混合的角度出發(fā)，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件數(shù)值模擬，探究加裝氨空混合器、優(yōu)化母管聯(lián)箱尺寸及采用流場(chǎng)分區(qū)混合對(duì)機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)氨耗量影響。在某300MW機(jī)組采用上述技術(shù)進(jìn)行改造后，機(jī)組氨耗量降低約37.8%，每年節(jié)省液氨采購成本68.79萬元，經(jīng)濟(jì)效果顯著。
　　選擇性催化還原SCR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于燃煤機(jī)組煙氣脫硝處理，其原理是在催化劑的作用下，NOx與還原劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?，達(dá)到脫除NOx的作用。
　　過量噴入還原劑會(huì)增加NOx氨逃逸量，這一方面會(huì)增大設(shè)備安全隱患，造成空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）堵塞，除塵器糊袋掛灰等問題；另一方面會(huì)增加運(yùn)行成本，如引風(fēng)機(jī)電流增大、液氨采購費(fèi)用增加等。實(shí)際生產(chǎn)中部分電廠的入爐煤質(zhì)較差，含硫量過高，空預(yù)器堵塞已成為普遍現(xiàn)象和亟待解決的難題。所以優(yōu)化還原劑噴入過程，在保證排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下盡可能減少還原劑噴入量，具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義和應(yīng)用前景。以往對(duì)于優(yōu)化噴氨量的研究大多從自動(dòng)控制方面入手。本文結(jié)合實(shí)際問題，從噴氨混合系統(tǒng)和流場(chǎng)優(yōu)化兩方面對(duì)噴氨量進(jìn)行優(yōu)化。
　　1、理論氨耗量計(jì)算
　　理論氨耗量是根據(jù)脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)邊界條件所計(jì)算出來的氨耗量，也是本文氨耗量優(yōu)化的最終理想目標(biāo)。本文以液氨為還原劑，液氨蒸發(fā)成氣態(tài)后經(jīng)供氨管道注入稀釋風(fēng)管，同稀釋風(fēng)混合后送至母管聯(lián)箱，再經(jīng)噴氨支管由噴嘴進(jìn)入煙道。
　　根據(jù)反應(yīng)式(1)，NOx和NH3的理論當(dāng)量比（氨氮摩爾比）為1，因此可以根據(jù)理論煙氣量和進(jìn)、出口的NOx質(zhì)量濃度計(jì)算出理論液氨耗量：
　　

　　但受反應(yīng)速率、煙氣混合等因素影響，實(shí)際運(yùn)行中氨氮摩爾比會(huì)比理論值1要稍高：
　　

　　式中R為實(shí)際氨氮摩爾比，通常取1.05。
　　2、加裝氨空混合器對(duì)氨耗量的影響
　　考慮到安全性，要求純氨氣進(jìn)入稀釋風(fēng)管道后稀釋到5%體積分?jǐn)?shù)以下。此外為了保證各支管的噴氨調(diào)節(jié)性能一致，希望各支管氨量盡可能一致。部分機(jī)組的設(shè)計(jì)是將氨管道直接插入到稀釋風(fēng)管道內(nèi)，且稀釋風(fēng)管道內(nèi)無氨空混合器。
　　實(shí)際上僅憑管內(nèi)氣流自身混合及組分?jǐn)U散無法實(shí)現(xiàn)氨與空氣的均勻混合，需借助混合設(shè)備。對(duì)此，本文通過數(shù)值模擬的方法，比較安裝西安熱工研究院有限公司生產(chǎn)的氨空混合器前后稀釋風(fēng)管道內(nèi)氨組分的分布特性。該CFD模型計(jì)算范圍為自注入口上游1m到氨空混合器下游9m間的管道。
　　為分析氨的分布情況，管道每間隔0.5m設(shè)置1處監(jiān)測(cè)面，共計(jì)18處。CFD模型計(jì)算采用壓力基求解器、Standard k-ε雙方程、壓力-速度耦合、SIMPLE算法、質(zhì)量入口邊界條件，選用組分運(yùn)輸模型來模擬NH3等組分的混合。該模型網(wǎng)格數(shù)為3.2萬，最大扭曲度小于0.85。計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)分別為6.5萬和9.2萬的模型計(jì)算結(jié)果一致。
　　模擬計(jì)算得到加裝氨空混合器及其混合距離對(duì)氨質(zhì)量濃度分布的影響如圖1所示。由圖1可知：加裝氨空混合器時(shí)，隨著混合距離的增加，管道內(nèi)氨分布均勻性會(huì)逐漸提高；未加裝氨空混合器的管道在距注入口9m處氨質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)58.5%，而加裝了氨空混合器的管道在距注入口5m處氨質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差已降至4.0%。
　　

　　圖1配置氨空混合器及其混合距離對(duì)氨質(zhì)量濃度分布的影響
　　

　　圖2對(duì)比了有無加裝氨空混合器2種布置情況下距注入口5m處氨質(zhì)量濃度分布云圖。
　　

　　圖2距注入口5m處氨體積分?jǐn)?shù)分布云圖
　　由圖2可見，加裝混合器后整個(gè)斷面內(nèi)氨質(zhì)量濃度分布均勻，而未加裝氨空混合器斷面內(nèi)氨質(zhì)量濃度主要集中在靠近注入口一側(cè)的區(qū)域，這就意味著遠(yuǎn)端側(cè)支管內(nèi)氨質(zhì)量濃度必然過低。
　　如果噴氨格柵前NOx質(zhì)量濃度沿聯(lián)箱內(nèi)氨空混合氣流動(dòng)方向呈近端低遠(yuǎn)端高分布，則遠(yuǎn)端側(cè)噴氨支管內(nèi)氨質(zhì)量濃度過低，即便噴氨支管手動(dòng)閥門全開，也會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域NOx脫除量有限。為了保證出口NOx質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)，只能加大噴氨量。從節(jié)約氨耗量和實(shí)現(xiàn)氨質(zhì)量濃度分布均勻角度考慮，加裝氨空混合器非常必要。氨氣和空氣經(jīng)氨空混合器后進(jìn)入聯(lián)箱，再通過若干組并聯(lián)的噴氨格柵支管進(jìn)入SCR反應(yīng)器。
　　3、聯(lián)箱直徑對(duì)噴氨支管流量的影響
　　整個(gè)噴氨系統(tǒng)需考慮局部阻力系數(shù)和管道沿程阻力系數(shù)的影響，其中前者的影響大于后者。通常噴氨格柵外各支管的尺寸和布置形式一致，因此各支管的沿程阻力系數(shù)接近。氨空混合氣體從聯(lián)箱進(jìn)入各支管屬于大流通域突變到小流通域，局部阻力系數(shù)與支管截面面積和聯(lián)箱截面面積的比值成正比。
　　以300MW機(jī)組為例，建立了從母管聯(lián)箱到噴嘴之間的CFD模型。每個(gè)聯(lián)箱上引出10只噴氨支管，每只支管中部設(shè)置1個(gè)流量監(jiān)測(cè)面。模型網(wǎng)格數(shù)分別為11萬、14萬和17萬時(shí)計(jì)算結(jié)果一致，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。模擬計(jì)算得到3種不同直徑的聯(lián)箱對(duì)噴氨格柵支管流速的影響，結(jié)果如圖3所示。其中，A聯(lián)箱直徑為406mm，B聯(lián)箱直徑為273mm，C聯(lián)箱直徑為219mm。
　　

　　圖3聯(lián)箱尺寸對(duì)噴氨格柵支管流量的影響
　　由圖3可知，聯(lián)箱的直徑越大，氨空混合系統(tǒng)的全壓差越小，各個(gè)支管出口的流速和壓力分布越均勻，噴氨格柵適應(yīng)不同負(fù)荷不同NOx分布的能力也就越強(qiáng)。如果聯(lián)箱直徑偏小，會(huì)造成近端支管氨流量偏低，若該支管對(duì)應(yīng)煙道內(nèi)該區(qū)域NOx質(zhì)量濃度過高，且調(diào)小其余噴氨支管蝶閥開度后氨流量仍無法滿足，則只能增大總噴氨量。但聯(lián)箱直徑也不宜過大，否則經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低，因此需綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置空間選擇合適的聯(lián)箱直徑。
　　4、流場(chǎng)分區(qū)混合對(duì)氨耗量的影響
　　超低排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行后，許多燃煤機(jī)組存在氨逃逸過量、空預(yù)器堵塞、除塵布袋糊袋等現(xiàn)象，究其原因是SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx分布偏差過大，脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)設(shè)計(jì)的均勻性差，噴氨系統(tǒng)不具備適應(yīng)多負(fù)荷變工況能力所致。常規(guī)SCR脫硝系統(tǒng)配套噴氨格柵需每年至少進(jìn)行1次手動(dòng)噴氨調(diào)整，但是僅能適用于1種工況，當(dāng)工況變化后各支管的噴氨量與實(shí)際入口NOx質(zhì)量濃度無法匹配，造成噴氨過量或者噴氨量不足。對(duì)此，可采用流場(chǎng)分區(qū)混合技術(shù)來控制噴氨量優(yōu)化混合過程，最大化降低氨逃逸量，提高SCR脫硝系統(tǒng)的脫硝效率。
　　4.1分區(qū)混合技術(shù)原理
　　首先在入口煙道內(nèi)加裝大范圍混合器，降低入口NOx質(zhì)量濃度分布偏差；然后根據(jù)煙道尺寸截面，將噴氨格柵及其后續(xù)煙道分成2~4個(gè)區(qū)，每個(gè)分區(qū)內(nèi)加裝分區(qū)混合器對(duì)煙氣進(jìn)行強(qiáng)烈混合。相鄰分區(qū)的混合器旋向按反向設(shè)置，這樣可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)內(nèi)煙氣獨(dú)立旋轉(zhuǎn)而分區(qū)間無煙氣互串。分區(qū)混合器作用下煙氣旋轉(zhuǎn)流線如圖4所示。由圖4可見，進(jìn)入脫硝催化劑前，盡管各煙氣分區(qū)之間NOx質(zhì)量濃度存在偏差，但是每個(gè)分區(qū)內(nèi)NOx質(zhì)量濃度分布均勻。
　　

　　圖4分區(qū)混合器作用下煙氣旋轉(zhuǎn)流線示意
　　此外，還應(yīng)在催化劑后各煙氣分區(qū)出口加裝巡測(cè)煙氣連續(xù)排放檢測(cè)系統(tǒng)（CEMS），根據(jù)分區(qū)出口的NOx質(zhì)量濃度調(diào)整各分區(qū)的噴氨量，以實(shí)現(xiàn)各分區(qū)內(nèi)氨氮摩爾比均勻且接近理論值，NOx在高效脫除的同時(shí)所用氨量最低。
　　4.2分區(qū)混合技術(shù)應(yīng)用案例
　　以某300MW機(jī)組超低排放改造為例。改造后該機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)存在催化劑磨損嚴(yán)重、煙氣流速分布不均、氨耗量大、空預(yù)器堵塞等問題。摸底試驗(yàn)顯示，滿負(fù)荷下SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度平均值為405mg/m3，最大偏差達(dá)140mg/m3。
　　為便于比較分區(qū)混合優(yōu)化前后NOx質(zhì)量濃度分布情況，引入考核指標(biāo)S，即首層催化劑入口NOx濃度（體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量濃度，下同）與氨濃度的差值。該值定義為SCR脫硝系統(tǒng)理論出口NOx排放質(zhì)量濃度，可以直接反應(yīng)NOx脫除的完善程度及還原劑是否過量。為滿足深度減排標(biāo)準(zhǔn)，要求出口NOx質(zhì)量濃度不超過30mg/m3。如S折算值（NOx排放質(zhì)量濃度）遠(yuǎn)大于30mg/m3，則表明氨量不足，NOx脫除不完善；如S小于0，則表明氨噴入過量。
　　圖5為原始結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷工況下首層催化劑前截面S分布云圖，表1為該截面S折算值。由圖5和表1可見，S折算平均值為30mg/m3時(shí)，S脫硝最大值為113.3mg/m3，最小值為–120.0mg/m3，此時(shí)模擬的氨空混合氣體流量為0.79kg/s（氨體積分?jǐn)?shù)為5%，下同）。
　　

　　圖5原始結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷首層催化劑入口S分布云圖
　　

　　表1原始結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷下首層催化劑入口S折算值
　　對(duì)該300MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)進(jìn)行CFD數(shù)值建模及分區(qū)混合優(yōu)化設(shè)計(jì)，模型范圍從省煤器出口到空預(yù)器入口間煙道。除噴氨格柵、混合器采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外，其余區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)關(guān)鍵部位加密處理。該模型網(wǎng)格數(shù)量為709萬。表2為分區(qū)優(yōu)化后滿負(fù)荷下首層催化劑入口S折算值，該工況下S分布云圖如圖6所示。結(jié)果顯示，S折算平均值為30mg/m3時(shí)，S脫硝最大值為41.7mg/m3，最小值為–0.3mg/m3?？梢姺謪^(qū)混合優(yōu)化后，NOx分布均勻性較原結(jié)構(gòu)提升效果顯著，另外氨空混合氣流量降為0.56kg/s，理論上分區(qū)混合優(yōu)化后可節(jié)約32.9%的液氨耗量。
　　5、改造效果
　　1）本文從加裝氨空混合器、優(yōu)化聯(lián)箱母管尺寸及分區(qū)混合優(yōu)化等氨空混合技術(shù)入手，通過提高噴氨均勻性，有效避免了局部NOx脫除效率過低，氨逃逸量增大的情況發(fā)生，從而降低機(jī)組的氨耗量。對(duì)某300MW機(jī)組進(jìn)行分區(qū)優(yōu)化改造后，在滿足深度減排標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)氨耗量較改造前明顯下降，單機(jī)平均氨耗量由66.75kg/h降至41.5kg/h，可節(jié)約37.8%，每年單臺(tái)機(jī)組可節(jié)約液氨209t，節(jié)約液氨采購費(fèi)68.97萬元。
　　2）加裝氨空混合器并保證一定混合距離，保證了氨與稀釋風(fēng)的均勻混合，避免因氨組分混合不均造成的還原劑過噴。
　　3）優(yōu)化聯(lián)箱母管尺寸，可在兼顧經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提高各噴氨支管流量的均勻性，避免因氨空混合氣流量不均造成的還原劑過噴。
　　4）NOx采用分區(qū)混合優(yōu)化技術(shù)，在各分內(nèi)實(shí)現(xiàn)氨氮摩爾比均勻分布且接近理論值，保證NOx在高效脫除的同時(shí)所用氨量最低，避免因入口NOx分布偏差過大造成的還原劑過噴。

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