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基于流场诊断的燃煤电站SCR系统喷氨优化及试验验证

北极星环保网来源:《东南大学学报》作者:刘国富2017/5/12 10:35:35我要投稿
所属行业: 大气治理  关键词:SCR 脱硝技术 超低排放

北极星环保网讯:摘要:为实现SCR系统的安全高效运行,采用CFD数值模拟技术开展660MW燃煤电站SCR系统流场优化.根据喷氨格栅前烟气流动特性解析喷氨支管阀门权重,基于权重阀开展喷氨优化研究.分析了优化前后首层催化剂入口截面烟气速度/浓度分布特性,搭建冷态模化试验装置对数值模拟研究结果进行验证.研究结果表明:

导流板合理优化布置可有效改善流场分布的均匀性,速度标准偏差可相对减少约71.30%;基于权重阀优化喷氨使喷氨特性与烟气流动特性匹配良好,改善了浓度分布的均匀性,浓度标准偏差相对减少约24.95%;冷态模化试验值与数值模拟值吻合良好,两者偏差仅为3.08%;流场/权重阀喷氨优化协同作用能够最大限度提升燃煤电站SCR系统的工作性能.

关键词:流场诊断;喷氨优化;权重阀;CFD;冷态模化试验

氮氧化物(NOx)的大量排放是造成光化学烟雾、酸雨、平流层臭氧层破坏、全球变暖等一系列环境问题的重要原因[1].燃煤电站NOx排放量在全国排放总量中占据了较大的份额,随着社会经济的发展,我国燃煤电站装机容量逐年增加,因此控制燃煤电站NOx排放水平刻不容缓[25].

对此,国家颁发多部法规保证燃煤电站NOx排放水平在合理范围内[69],GB13223—2003明确规定燃煤锅炉第3时段NOx最高允许排放浓度为450mg/m3;GB13223—2011进一步要求燃煤锅炉NOx排放浓度限值为100mg/m3;2014年和2015年国家相继印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》、《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》,严控大气污染物排放,力求2020年前300MW以上燃煤电站全面实现超低排放改造(NOx排放浓度不高于50mg/m3)及所有新建燃煤电站必须满足超低排放水平.

选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术以其技术成熟、脱硝效率高等优势被广泛应用于国内燃煤电站[10].SCR烟气脱硝效率受催化剂、烟气流场、首层催化剂入口截面内氨氮混合当量比等多种因素的影响[11].为满足超低排放形势下的排放要求,多采用催化剂3层布置的改造措施,烟气催化剂接触时间的延长提高了NOx的还原率,但这一定程度上增加了SO2/SO3的转化率.

保证系统内烟气流场/浓度场的均匀分布是实现改造机组超低排放安全高效运行的关键[1519].烟气流速过高直接导致催化剂磨损失活、反应不充分,反之则导致催化剂堵塞失活等问题;烟气氨氮混合当量比不匹配导致脱硝效率下降,氨逃逸升高,逃逸氨易与SO3生成黏性硫酸氢氨(ABS)[2021],直接造成下游设备积灰受损、锅炉热效率下降等一系列运行问题.计算流体力学(CFD)技术基于直观、便捷、经济等优点被广泛应用于科学研究及工程实践中.

Xu等[22]采用CFD技术建立某350MW机组SCR系统几何模型,研究表明系统内导流板的不合理安装会显著降低催化剂使用寿命;Lei等[23]针对整体式蜂窝状催化剂SCR系统建立了三维全尺寸几何模型,模拟研究表明入口烟气速度越低、入口烟温越高、NH3/NOx越高,则脱硝效率越高,这一结论与实验结果相吻合;

Ogidiama等[24]对某催化剂双层布置SCR系统开展了数值模拟研究,分析了催化剂布置形式对脱硝性能的影响规律,结果表明双层催化剂布置时最佳NH3/NOx摩尔比为0.6,相比催化剂单层布置更有优势;Yao等[25]对蜂窝状催化剂SCR系统的流动与反应特性开展了数值模拟研究,获得了用于修正多孔介质模型的化学反应修正系数,模拟与实验结果吻合良好.

本文从流场诊断与喷氨优化角度研究某660MW燃煤电站SCR系统的运行优化技术.首先基于CFD数值模拟技术分析当前SCR系统流场/浓度场分布特性,进而优化得到满足工程设计要求的导流板布置方案;根据喷氨格栅前烟气流动特性解析喷氨支管阀门权重,基于权重阀开展喷氨优化研究,重点分析首层催化剂入口截面烟气速度/浓度分布特性.最后基于相似准则搭建冷态模化(简称冷模)试验装置,对数值模拟研究结果加以验证.

1模型对象

1.1SCR反应机理与评价指标

SCR技术是通过向烟道中喷射还原剂(氨气、尿素等)后,催化剂在合适烟温区间将烟气中的NOx转化为无害的氮气和水,该过程主要有如下化学反应[10,26]:采用标准偏差Cv评价SCR系统的设计性能,重点研究首层催化剂入口截面内的速度/浓度分布标准偏差,确保满足工程设计要求(速度偏差Cv<15%,浓度Cv<5%).标准偏差Cv定义式如下:

SCR脱硝

SCR脱硝

在SCR系统首层催化剂入口截面内,若速度分布偏差较小,一般不会引起积灰、磨损,且有利于保障有充分的化学反应时间;若还原剂浓度分布偏差较小,则可以保证还原剂与NOx按照当量比充分反应,有助于提高脱硝效率,减少氨逃逸,抑制ABS的生成,保障SCR系统的安全高效运行.

延伸阅读:

基于CFD建模的1000MW电站锅炉SCR脱硝系统喷氨策略优化

火电厂SCR脱硝系统喷氨优化调整及烟气取样方法改进

670MW机组SCR脱硝系统喷氨优化试验研究

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