超低排放SCR烟气脱硝系统的优化分析

摘 要：SCR烟气脱硝系统超低排放改造后出现了NH3/NOx分布均匀性及喷氨优化调整要求提高的现象。对此，在流场优化的基础上提出了基于氨氮比修正因子的SCR喷氨优化调整方法，采用CFD数值计算对比分析了某300ＭＷ机组优化导流装置前后考核截面速度分布、压差变化以及喷氨优化调整前后的氨氮比分布，最后将计算结果与工业性试验进行了比较。结果表明：通过对导流装置的优化，SCR反应器的流场得到较大改善，可满足超低排放后SCR系统对流场的要求。基于氨氮比修正因子的SCR喷氨优化调整方法解决了仅依靠经验调整反应器出口NOx浓度场耗时长、效率低、难度大的缺点，优化后的SCR脱硝系统运行指标良好，实现了稳定的超低排放运行。

关键词： SCR脱硝；数值模拟；喷氨优化；ＮＯx浓度场

０ 前 言

随着国家《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》的实施，目前全国已完成超低排放改造的煤电机组近１亿千瓦，“十三五”期间，预计全国还将有4.2亿千瓦燃煤电厂实施超低排放改造。基于实测等研究手段表明“超低排放”可显著提升发电企业的污染物控制水平，但超低排放改造后的SCR烟气脱硝系统突出显现了ＮＯx瞬时排放超限、空气预热器硫酸氢铵堵塞加重等问题。

西安热工研究院王乐乐针对超低排放形势下SCR系统运行存在的问题，分析其主要与超低排放对SCR反应器中NH3／NOx分布的均匀性要求提高、SO2／SO3转化率升高、喷氨优化控制要求提高等有关。对此，提出了通过喷氨优化调整和流场优化改造改善NH3／NOx分布均匀性的建议。东南大学周英贵以300ＭＷ四角切圆燃煤锅炉SCR系统为原型，基于更符合SCR工程实际的非均匀入口边界条件，根据不同分区截面上的NO通量以及脱硝效率要求计算对应喷氨管的喷氨量，使催化剂上方截面氨氮比相对标准偏差降低到4.72％。孙虹定义了烟道子区域的NOx浓度通量，基于各子区域氨氮浓度通量比一致分配理论利用数值模拟多次试算获得最优喷氨策略，尾部测定平面NOx浓度相对标准偏差降低到2.05％。笔者实地进行了吉林、河北、山东等地３台200ＭＷ、２台300ＭＷ、１台670ＭＷ煤电机组SCR脱硝系统的喷氨优化调整试验工作，统计结果显示喷氨前垂直烟道横截面上烟气的流速相对标准偏差平均为24.92％，脱硝出口NOx浓度相对标准偏差平均为45.32％，与工程标准要求相差较大。本文结合流场优化调整并提出基于氨氮比修正因子的SCR喷氨优化调整方法，为燃煤电站SCR脱硝系统喷氨优化调整工作提供了新思路，并将计算结果进行了工程实际应用，SCR脱硝系统运行效果良好。

１ 计算模型与方法

以某300ＭＷ亚临界供热机组省煤器出口至空气预热器入口之间的烟道及SCR脱硝反应器原型为几何研究对象，模型见图１。

对烟道转弯部分、喷氨格栅区域、催化剂层、各段烟道的网格进行分别划分，各交界面用Inter-face连接，烟道转弯部分及喷氨格栅区域采用四面体非结构化网格，其余部分采用六面体结构化网格。随网格数量增加速度分布的误差不超过２％时得到独立性网格，此时网格总数为426万～721万，同时满足ＪB/T12131—2015《燃煤烟气净化SCR脱硝流场模拟试验技术规范》中规定的计算网格数宜大于300万的要求，网格模型扭曲度小于0.8。

模型内多组分流动假设为稳态不可压缩流动。选用Realizable ｋ－ε模型计算湍流流动，氨气与烟气中多种物质的混合与传热情况，分别采用组分Species Transport模型与能量方程来模拟。将催化剂层简化为多孔介质模型，并利用实际催化剂层的压力损失计算其黏性和惯性阻力系数。

模拟选用的流体为640Ｋ的高温烟气，密度为0.525kg/m３，黏度为6.04×10－５kg/（m.s），入口实际烟气量为156.6136ｍ3/s；喷氨混合气体中NH3含量为５％，喷氨温度313Ｋ，各组分质量分数见表１；混合烟气在催化剂层内的流动设定为层流流动，催化剂各项参数见表２。

２计算结果及分析

２.１导流板的结构优化

在流动区域内烟气流速梯度较大位置分别加装了５组导流板，其中包括了烟道转弯（导流板组１、３、４）、SCR反应器入口的非对称渐扩（导流板组２）、反应器上部转弯处截面突变（导流板组５）。对比了初始方案与优化后方案的气流速度优劣和全压损失，速度优劣的考核截面分别位于喷氨格栅上游0.5ｍ及催化剂入口前0.5ｍ2个位置，以气流速度相对标准偏差判定气流速度分布的优劣。

初始方案中仅在烟道转弯３、４位置布置了２组均匀分布的导流板，计算结果见图２。

由于烟气流动的离心力和惯性作用，使水平段烟道、上升段烟道存在明显的局部涡流和截面二次流现象，喷氨格栅上游及催化剂入口前0.5ｍ处截面速度相对标准偏差分别为37.917％、28.466％，系统全压损失739.358Ｐａ。在３、42个位置布置的导流板以等差间距的方式分割烟道，其具体结构见图３，结构参数见表３。２处位置的导流板由烟道外侧向内侧逐渐加密：一方面在烟道内侧高流速区域进行更细密的通道划分，实现各导流板通道内气流的均匀分配；另一方面增加了高速区域内的局部阻力损失，促使烟气向外侧低流速区域分配。

位置１处的导流板构成选用圆弧与直段相切的方式，结构参数如下：导流板数目：６块，等差间距布置，导流板与水平方向夹角14°。位置２采用竖向导流板，导流板数目：16块，锅炉中心线侧第一块导流板与ｚ轴夹角85°，其余导流板依次向外侧递减３°。优化后（见图４）与优化前（见图２）对比可以看出，位置１未设置导流板时，水平烟道内的气流发生严重偏斜，高速气流贴附于烟道下壁面流动，上壁面烟气不能再继续沿壁面流动，上壁面附近出现大范围的回流区，水平烟道出现二次流动。通过导流板组１、２的装设，烟道内气流的死区旋涡现象得到改善，水平烟道及上升烟道内的高速气流基本集中在烟道的中心位置，喷氨格栅上游0.5ｍ处截面速度相对标准偏差降低到8.678％，系统全压损失744.593Ｐａ。

在添加前４组导流板过后，催化剂入口前0.5ｍ处截面速度相对标准偏差降低到17.457％，位置５应用整流格栅形式，叶片高度500ｍｍ，叶片数：24块，叶片与上部烟道距离500ｍｍ。优化前后的催化剂入口前0.5ｍ处截面速度分布见图５，速度相对标准偏差降低到8.061％，至此两个考核截面的速度分布完全符合（≤15％）技术要求。

２.２基于氨氮比修正因子的喷氨优化调整

该300ＭＷ机组SCR烟气脱硝系统超低排放改造后，利用笔者提出的基于氨氮比修正因子的喷氨优化调整方法对其进行喷氨优化调整试验。基于氨氮比修正因子的喷氨优化调整方法：对喷氨量进行分区调节，每个喷氨支管对应一个蝶阀对喷氨量进行定量调节，喷氨支管共计18个（见图６）。催化剂上方截面均分为18个小截面和18个喷氨子区域相对应。计算步骤如下：第一次计算时取均匀喷氨方案，喷氨口平均流速为15.867m/s，并赋给每个喷氨口作为初始边界条件。利用数值模拟计算结果得到18个小截面分别与催化剂上方整个截面的平均氨氮比相对偏差，用相对偏差对18组喷氨量进行调节，其他边界条件不变，重新进行模拟计算。再次计算得到小截面与催化剂上方整个截面的平均氨浓度的相对偏差，如此迭代计算，直到催化剂上方截面的氨氮比偏差系数小于５％为止，调节具体步骤见图７。

在流场优化的基础上进行喷氨优化调整，计算结果见表４。表４ 喷氨优化调整前后氨氮比采用均匀喷氨方式时催化剂入口前0.5ｍ位置氨氮比相对标准偏差为5.124％，呈现出截面四周以及靠近锅炉侧氨氮比偏高的现象，其主要原因是这些位置的流速偏低，造成氨掺混时间短，同时这些位置的氮氧化物的通量也较小。利用基于氨氮比修正因子的喷氨优化调整方法，对喷氨口的流速进行一次修正（见图８），考核截面氨氮比相对标准偏差为3.392％，符合（≤５％）技术要求。

３ SCR烟气脱硝系统优化的工程应用

为了验证数值计算的准确性和导流板设置及喷氨方法的合理性，利用本研究优化结构的导流板应用于某300ＭＷ机组SCR烟气脱硝系统，分别使用崂应3012Ｈ型自动烟尘（气）测试仪、智能烟气分析仪MRU PLUS、优胜抽取式氨逃逸分析仪现场测量脱硝系统进口烟道的流场分布、出口烟道的NOx浓度场分布、脱硝效率以及氨逃逸率，将优化后的计算结果与现场测试的结果进行对比分析。

在气流速度试验中，依据ＧＢ／Ｔ16157—1996《固定源排气中颗粒和气态污染物的采样方法》中的规定布置测点，对进口烟道测点位置的气流速度进行了现场测量，结果见图９。

由图９可以看出：数值计算结果与现场试验结果基本一致。根据现场的测试结果各截面的相对标准偏差，与数值计算的结果对比，结果见表４。速度的平均误差小于５％，在可接受的工程误差范围内。

４ 结 语

本研究为大型燃煤发电企业复杂内部结构的SCR烟气脱硝系统优化设计了多组导流装置，满足了其在超低排放改造之后流场及NH3／NOx分布均匀性的要求，数值计算结果与现场试验结果吻合较好，优化后反应器入口烟道Ａ、Ｂ侧速度相对标准偏差分别为11.6％、12.9％。利用基于氨氮比修正因子的喷氨优化调整方法对ＡＩＧ系统进行调整，大幅度降低SCR系统喷氨优化调整工作的盲目性及数值计算的工作量，优化后反应器出口烟道Ａ、Ｂ侧NOx相对标准偏差分别为13.32％、12.56％，反应器在较低的液氨消耗下实现了稳定的超低排放。