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应用SCR氨喷射技术解决空预器硫酸氢铵堵塞问题

北极星大气网  来源:《电站系统工程》  作者:周健 梁俊杰等  2018/7/6 8:24:30  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:超低排放 SCR烟气脱硝 空预器

北极星大气网讯:摘要:某350MW机组SCR增加催化剂按照NO二超低排放运行时,发生了空预器硫酸氢铵ABS严重堵塞问题,分析发现SCR入口烟道截面的NH3/NO摩尔比分布小均匀导致局部氨逃逸过大是主要原因。为此,采用CFD数值模拟方法对SCR喷氨格栅(AIG)进行了优化设计改造,并通过现场试验对AIG喷氨流量分配进行了优化调整。测试结果表明,脱硝反应器出口NO二浓度分布相对标准偏差由改造前的49%降低至11%以内,顶层催化剂上方烟道截面的NH3/NOx摩尔比分布相对标准偏差小于3.1%,消除了局部过高的氨逃逸浓度峰值,减轻了空预器ABS堵塞风险。

关键词:SCR;喷氨格栅;CFD数值模拟;优化设计;喷氨优化调整;超低排放

国内早期建设的SCR烟气脱硝装置脱硝效率约60%~85%,当前为满足50mg/m3的NOx超低排放限值,脱硝效率需提高到90%以上。脱硝效率的提高不仅增加了氨逃逸整体过量风险,也加大了SCR出口烟道截面的局部氨逃逸峰值浓度。根据国内外研究,顶层催化剂入口的烟气流场分布,尤其是NH3/NO摩尔比分布均匀性是影响局部氨逃逸的直接原因。在新形势下,为减轻氨逃逸造成的空预器硫酸氢铵ABS堵塞问题,需要改进SCR氨喷射系统,进一步提高顶层催化剂上方烟气中的NH3/NO摩尔比分布均匀性。

图1NH3/NO二分布不均匀性对SCR性能的影响

国内某350MW机组,为控制NOx排放达到50mg/m3以下增加了备用层催化剂,但运行过程中出现了严重空预器ABS堵塞问题。针对SCR反应器出口NOx浓度分布偏差大和局部氨逃逸峰值高的现象,采用数值模拟方法对氨喷射结构进行设计优化改造,并通过现场测试对氨喷射格栅系统的气氨流量分配进行了优化调整,结果显示催化剂上方的NH3/NO摩尔比分布均匀性得到大幅度提高。

1设备概况

该机组于2010年同步配套建设高灰型SCR烟气脱硝装置,催化剂层按“2+1”模式布置,初装2层。采用混合型AIG氨喷射系统(稀疏型喷氨管路+静态混合器),每台SCR反应器沿炉宽方向设置14根喷氨支管,每根支管设置手动调阀控制各支管的喷氨量,每根支管伸入SCR入口烟道后在炉深方向分为3个氨喷嘴(图2)。这种AIG结构只能通过各支管的手动调阀调整沿炉宽方向的氨气流量分配,无法调整炉深方向的氨气流量分配。

图2原AIG结构俯视图

备用层催化剂于2014年4月加装,但在后期运行过程中,空预器堵塞严重,机组满负荷下空预器烟侧阻力最高达3.1kPa。氨喷射优化调整试验结果显示,反应器出口烟道截面NOx浓度分布沿炉深方向差别较大,以A侧为例,同一测孔不同深度测点间的偏差约15~85mg/m3,导致局部氨逃逸过大,这可能是造成空预器硫酸氢铵ABS堵塞的重要原因,而原氨喷射系统对此无法相应调整气氨分配。

图3优化调整后A反应器出口NOx分布

注:编号A1-A10为反应器出u截肉从反应器外侧墙至锅炉中心线方向的测孔编号;编号P1-P3代表反应器出u截肉由炉后往炉前的烟气取样点编号。

为满足NOx超低排放和解决空预器ABS堵塞问题,电厂提出3项改造措施:

①低氮燃烧器改造,降低SCR入口NOx浓度,减轻SCR脱硝装置的NOx处理压力;

②两层初装催化剂再生,提高反应器的整体脱硝效率,防止氨逃逸整体过量;

③氨喷射系统设计优化改造,改善SCR入口NH3/NO摩尔比分布均匀性,消除局部过高的NH3逃逸。

2氨喷射方案CFD优化设计研究

2.1AIG优化概念设计

针对原氨喷射系统存在的上述问题,在保留原有烟道外观、内部导流板、静态混合器及整流格栅等结构不变的情况下,考虑进行如下结构改进:原氨喷射系统改为气氨流量两方向可调节分配;原直管型喷嘴更换为自身旋流混合型喷嘴,并增加喷嘴数量提高覆盖面。

2.2反应器建模

两个SCR反应器沿锅炉中心线对称布置,CFD数值模拟仅以一侧反应器作为研究对象。CFD数值模拟按照1:1的比例建立SCR反应器系统三维几何模型,始于锅炉省煤器出口,止于反应器最下层催化剂出口(图4)。

图4SCR反应器三维几何模型

对SCR模型进行网格划分,网格总数约为710万,在喷氨格栅、整流格栅等尺度较小的空间区域进行了网格加密,确保网格离散化后能够准确地描述几何实体。单侧SCR反应器烟气参数如表1所示。

表1反应器入口烟气参数

催化剂层使用Porous多孔介质模型进行模拟,并通过参数调整,保证模拟阻力与实际阻力接近。采用Species物质输运模型来模拟NH3在烟气中的混合与扩散,但不涉及化学反应,同时假设烟气中的NOx分布均匀。

2.3CFD数值模拟研究

为了确保单根支管上各喷嘴流量分配的均匀性,首先对AIG系统单根喷氨支管上不同喷嘴的流量分配进行了CFD模拟研究。如图5所示,单根喷氨支管上设置4个等间距间隔布置的小喷嘴,CFD模拟结果统计显示(表2),各喷嘴流量均匀,为下一步整体计算奠定了单元结构基础。

图5单根支管几何模型

表2单喷氨支管各喷嘴流量统计

为实现AIG氨喷射系统在SCR入口烟道深度和宽度两个方向的氨气流量分配调节功能,破除了原有系统仅能进行宽度方向调节的限制,AIG优化设计方案将SCR入口烟道截面沿深度和宽度方向分为2X7=14个控制分区,每个分区由对应支管的手动调阀进行氨气流量分配控制,每根支管又分为两根次支管伸入烟道,每根次支管布置多个小喷嘴,喷嘴数量大大增加,增强了截面初态分布的均匀性,有利于氨气与烟气更好地混合。为增强喷嘴的氨气喷射扩散效果,采用了螺旋形喷嘴,同时保留原有静态混合器,强化混合功能。

将AIG初步设计方案纳入整体反应器,进行了多轮CFD数值模拟和方案改进,最终将顶层催化剂层入口NH3浓度分布相对标准偏差优化到了3.9%确定为最终的AIG设计方案(图6),并据此实施了AIG氨喷射系统改造。

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