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基于氨空混和技术的SCR脱硝系统氨耗量控制

北极星环保网来源:热力发电 许剑 等2019/8/13 9:04:11我要投稿
所属行业: 大气治理  关键词:SCR脱硝 喷氨格栅 SCR技术

北极星环保网讯:为保证NOx排放值满足超低排放要求,许多燃煤机组选择性催化还原SCR脱硝系统存在还原剂加入过量的现象,这不仅会造成氨逃逸量超标增加运行成本,还影响到空气预热器、除尘器等后续设备的正常运行。

为此,本文从氨空混合的角度出发,借助计算流体动力学(CFD)软件数值模拟,探究加装氨空混合器、优化母管联箱尺寸及采用流场分区混合对机组SCR脱硝系统氨耗量影响。在某300MW机组采用上述技术进行改造后,机组氨耗量降低约37.8%,每年节省液氨采购成本68.79万元,经济效果显著。

选择性催化还原SCR技术被广泛应用于燃煤机组烟气脱硝处理,其原理是在催化剂的作用下,NOx与还原剂发生氧化还原反应,生成氮气和水,达到脱除NOx的作用。

过量喷入还原剂会增加NOx氨逃逸量,这一方面会增大设备安全隐患,造成空气预热器(空预器)堵塞,除尘器糊袋挂灰等问题;另一方面会增加运行成本,如引风机电流增大、液氨采购费用增加等。实际生产中部分电厂的入炉煤质较差,含硫量过高,空预器堵塞已成为普遍现象和亟待解决的难题。所以优化还原剂喷入过程,在保证排放标准的前提下尽可能减少还原剂喷入量,具有巨大的经济意义和应用前景。以往对于优化喷氨量的研究大多从自动控制方面入手。本文结合实际问题,从喷氨混合系统和流场优化两方面对喷氨量进行优化。

1理论氨耗量计算

理论氨耗量是根据脱硝系统设计边界条件所计算出来的氨耗量,也是本文氨耗量优化的最终理想目标。本文以液氨为还原剂,液氨蒸发成气态后经供氨管道注入稀释风管,同稀释风混合后送至母管联箱,再经喷氨支管由喷嘴进入烟道。

根据反应式(1),NOx和NH3的理论当量比(氨氮摩尔比)为1,因此可以根据理论烟气量和进、出口的NOx质量浓度计算出理论液氨耗量:

QQ截图20190813085655.jpg

但受反应速率、烟气混合等因素影响,实际运行中氨氮摩尔比会比理论值1要稍高:

QQ截图20190813085649.jpg

式中R为实际氨氮摩尔比,通常取1.05。

2加装氨空混合器对氨耗量的影响

考虑到安全性,要求纯氨气进入稀释风管道后稀释到5%体积分数以下。此外为了保证各支管的喷氨调节性能一致,希望各支管氨量尽可能一致。部分机组的设计是将氨管道直接插入到稀释风管道内,且稀释风管道内无氨空混合器。

实际上仅凭管内气流自身混合及组分扩散无法实现氨与空气的均匀混合,需借助混合设备。对此,本文通过数值模拟的方法,比较安装西安热工研究院有限公司生产的氨空混合器前后稀释风管道内氨组分的分布特性。该CFD模型计算范围为自注入口上游1m到氨空混合器下游9m间的管道。

为分析氨的分布情况,管道每间隔0.5m设置1处监测面,共计18处。CFD模型计算采用压力基求解器、Standard k-ε双方程、压力-速度耦合、SIMPLE算法、质量入口边界条件,选用组分运输模型来模拟NH3等组分的混合。该模型网格数为3.2万,最大扭曲度小于0.85。计算结果与网格数分别为6.5万和9.2万的模型计算结果一致。

模拟计算得到加装氨空混合器及其混合距离对氨质量浓度分布的影响如图1所示。由图1可知:加装氨空混合器时,随着混合距离的增加,管道内氨分布均匀性会逐渐提高;未加装氨空混合器的管道在距注入口9m处氨质量浓度相对标准偏差高达58.5%,而加装了氨空混合器的管道在距注入口5m处氨质量浓度相对标准偏差已降至4.0%。

QQ截图20190813085637.jpg

图1配置氨空混合器及其混合距离对氨质量浓度分布的影响

延伸阅读:

SCR脱硝系统分区控制式喷氨格栅的优化

火电厂SCR脱硝系统喷氨优化调整及烟气取样方法改进

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