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：

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.

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