大型燃煤机组SCR装置超低排放改造流场优化理论研究

从燃煤机组SCR系统普遍出现的性能不稳定、氨逃逸超标等问题出发，以具有代表性的某660MW超临界煤粉锅炉SCR脱硝系统为例，拟结合喷氨格栅和驻涡型喷氨混合器特点，进行多维度的驻涡脱硝喷氨混合装置优化改造理论研究。提出了基于分级多效混合、多排分区、强制整流的优化方案。依据CFD模拟计算结果，本文所提出的SCR脱硝系统的流场优化方案可以充分实现流场分布和NH3/NOx混合分布均匀的要求，即反应器内第一层催化剂入口截面NH3/NOx混合不均匀性低于5%；烟气气流速度不均匀性低于15%；烟气到达第一催化剂层的入射角小于10°。在原脱硝装置进行相应改造后，现场实测结果进一步验证了理论改造方案的可靠性。本文所提出的流场升级改造思路及理论研究方法对指导大型燃煤机组SCR系统超低排放改造具有重要意义。

关键词：SCR脱硝；多排分区驻涡喷氨；CFD模拟；分级多效混合；强制整流

0引言

近年来，国家全面推行“节约、清洁、安全”的能源战略方针，燃煤机组污染物排放标准不断提高。2015年7月环境能源局、发改委和环保部联合下发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》（环发[2015]164号）中要求，到2020年，全国所有拥有改造条件的火电燃煤发电机组力争完成超低排放；全国具备条件的新建火电燃煤发电机组达到超低排放水平。即在6%基准氧含量条件下，NOx排放浓度低于50mg/Nm3，这意味着脱硝设备要达到接近或超过90%的脱硝效率，对SCR脱硝系统长期可靠运行带来极大挑战。根据国内外经济性分析和运行经验，SCR装置的脱硝效率通常不高于85%。在同等催化剂的条件下，脱硝装置欲实现更高的脱除效率，对还原剂/烟气均匀混合程度的要求呈指数型上升。提升还原剂与烟气的混合质量、提高脱硝系统对来流工况变化的抗干扰性是实现SCR稳定超低排放的两大核心要素。因此亟需开发适用于脱硝超低排放的喷氨混合装置，结合烟道内整流构件设计，提升烟气流场的均匀性和适应性。

目前国内在役实现“超低排放”的燃煤机组普遍出现性能不稳定、氨逃逸超标等问题，根本原因在于烟道截面大，而还原剂喷射量相比烟气量极小，很难实现两者的充分混合，使得反应器内部分区域氨供应不足，而部分区域氨过量，导致整体效率和氨逃逸不达标，造成空预器差压过高、堵塞等一系列问题。对于负荷频繁波动的调峰机组，氨的喷射无法适应烟气来流变化，上述问题会更加突出。

目前还原剂喷射装置有两种技术流派：

1）喷氨格栅：利用大量的喷嘴，实现氨气和烟气的均匀掺混，喷嘴口径小、数目多，高温高尘条件下易发生飞灰堵塞，不具备调整来流均匀性的能力。

2）驻涡型喷氨混合器：基于驻涡混合机理的还原剂混合装置，喷管数目少、口径大，具备调整来流均匀性的能力，能主动调节来流氮氧化物浓度、速度、温度的偏差。

采用喷氨格栅方式的SCR技术较为依赖导流板的布置方式和布置位置，导流板结构的不同会对流场产生不同作用，并对不同负荷下烟气混合效果有所影响。同时，研究发现优化调整喷氨格栅烟道内均流部件对速度、浓度均匀性有显著改善作用，通过分析流场不均匀性得到的分区喷氨方法能够进一步优化NH3在烟道中分布，因此整体系统喷氨控制精度需求较高，运行较为复杂。除此之外，喷氨格栅管长时间受到烟气的直接冲击从而造成喷氨格栅管严重磨损。现有的喷氨格栅管一般都是直接在上面钻孔供喷氨使用，磨损较严重情况下容易，喷氨不均匀，喷孔容易发生堵塞。

本文针对上述问题，本文拟吸取喷氨格栅的优点，结合驻涡型喷氨混合器特点，进行多维度的驻涡型脱硝喷氨混合装置优化改造技术理论研究，能够利用较少数目的大口径喷嘴，实现大截面烟道内烟气与还原剂的均匀掺混，同时具备调整来流均匀性的能力。同时，通过设置整流装置，进一步调整速度场均匀性，避免偏流对混合及脱硝反应造成影响，充分发挥催化剂的能力，避免堵塞、磨损。

1计算模型

1.1机组情况

本文以某660MW国产燃煤超临界参数汽轮发电机组脱硝装置改造为例开展研究。其脱硝系统采用选择性催化还原脱硝技术（SCR），SCR烟气脱硝技术的还原剂选用液氨蒸发工艺，在设计及校核煤种、锅炉最大工况（BMCR）、100%烟气量条件下，脱硝效率不低于91.7％。脱硝系统运行时入口NOx含量600mg/Nm3，脱硝反应器出口处烟气中NOx含量不大于50mg/Nm3，1台机组配置2台脱硝反应器，每台反应器催化剂层数按2+1设置（2层运行，预留1层备用，预留层布置在反应器底部），烟气垂直向下通过催化块层。反应器进口烟温约373℃，因喷入混合气以及烟道、反应器散热，出口烟温约369℃。

1.2计算模型

机组原脱硝反应器、烟道三维建模根据实际烟道结构尺寸构建如图1，充分考虑导流板、喷氨管、驻涡型喷氨混合器、整流格栅以及催化剂层对烟气流场和烟气组分的影响。计算整体范围包括从省煤器出口到空气预热器进口，计算模型入口与省煤器出口烟道连接，计算模型出口与空预器进口烟道连接。模型大小按照实际尺寸设置，反应器长宽高分别为11.1、15.1和19.53m，喷氨处烟道尺寸3.1m×15.15m。

图1SCR反应器计算模型

原脱硫装置在运行过程中，出现氨氮分布不均，过量喷氨，下游催化剂堵塞、磨损，空预器堵塞等问题。针对原有系统还原剂混合不均匀及速度场不均的问题，本文提出改造方案如下：入口烟道设整流装置；采用多维度驻涡喷氨混合装置；反应器顶部设整流装置。具体结构见图2。

图2优化改造后SCR系统反应器模型

本文通过计算流体力学（CFD）的方法对某660MW火电机组SCR脱硝系统改造前后进行数值模拟和对比，研究烟气在烟道各位置流动、变化和相互混合的过程，同时研究驻涡型喷氨混合器对烟气流场以及脱硝还原剂分布混合的效果，达到有针对性的优化设计，以达到适合催化剂安全、高效、稳定反应的SCR烟道结构的目的。

1.3模型设置

计算中使用的基本假设包括：

（1）烟道模型进口的烟气速度在进口截面均匀分布（16.18m/s），并且温度分布也均匀（373℃）；

（2）烟道壁面绝热，并且内部没有热源和热沉，因此，在没有喷氨时烟道内温度处处均匀；

（3）烟道模型出口断面处压力分布均匀；

（4）催化剂层和整流格栅用多孔介质模型简化，用各向异性的方法对催化剂层的阻力特性进行定义。

湍流模型采用standardk-ɛ，壁面函数采用standardwallfunctions。模型采用混合网格划分，模型网格单元数约150万，在喷氨管和驻涡型喷氨混合器采用非结构化网格，其它计算区域利用规则的结构化网格。另外，在特殊区域对网格进行加密处理，如导流板、喷氨管和驻涡型喷氨混合器等。烟道模拟运行工况为BMCR100%的烟气量，物性参数、喷氨系统参数亦参考此时的参数设定。

2计算结果分析

2.1原脱硝系统计算结果

如图3所示，原脱硝装置由于入口水平烟道设有张角较大的扩径段，引起下游烟道左右侧烟气流量不均，进而造成脱硝反应器左右侧出现较大的氨气分布偏差。当机组负荷波动时，脱硝入口来流条件变化时，来流扰动会趋势还原剂氨分布的偏差进一步放大，进而使得脱硝装置效率降低或者氨逃逸排放过高。并且由于该装置喷氨混合器后竖直混合段烟道较短，停留时间短，对还原剂与烟气的混合要求更高。

图3a:改造前脱硝纵断面NH3分布图；b:改造前第一层催化剂入口NH3分布图。（各喷氨支管流量相同）

2.2优化改造方案计算结果

针对该机组脱硝装置的上述特点，实施有针对性的优化设计。根据电厂需求，综合成本和效果分析，确定改造方案如下：采取分级多效混合、多排分区、强制整流的优化思路，在原脱硝装置内，通过升级驻涡喷氨混合装置、增设竖井烟道顶部弯头扰流板，强化氨气与烟气的混合，显著改善了催化剂入口还原剂的均匀性；在脱硝反应器上部增设整流装置，改善反应器内前后墙流速偏差，提高烟气流动的均匀性，缓解催化剂表面积灰、磨损等问题；在入口烟道扩径段前设导流板，调整该处的速度场，缓解侧部烟道积灰及喷氨混合器前烟气偏流问题。

图4a:改造后脱硝纵断面NH3分布图；b:改造后第一层催化剂入口NH3分布图。（各喷氨支管流量相同）

改造优化方案NH3分布模拟结果如图4所示，可以发现无论是在纵截面还是在第一层催化剂入口，NH3分布均匀性较改造前有显著提升。由于烟道截面较宽，改造前单排喷氨装置覆盖面积有限，脱硝反应器前后方向也出现较大的氨气分布偏差。优化改造方案设有两排涡流混合装置，可以实现对烟道截面喷氨的分区控制，进而提高氨气在烟气中分布的均匀性，优化喷氨系统调节性，并且在下游增设扰流板，利用强制扰流进一步加强氨气与烟气的混合，显著改善了催化剂入口还原剂的均匀性，从而达到提高脱硝效率、降低氨逃逸的目的。此外，烟气流场的组织是影响烟道阻力分布、

速度均匀性和烟气组分掺混程度的重要因素。受现场实际情况限制，原脱硝烟道入口设有张角较大的扩径段，导致烟气偏流严重。相比喷氨格栅，驻涡喷氨混合装置本身具有整流效果，具备一定的负荷自适应性。改造方案通过在脱硝装置进口烟道前设置导流叶片，强制改善来流烟气分布的均匀性，使驻涡混合器前端的截面速度分布相对均匀，均匀的速度场能够提高驻涡型喷氨混合器的混合效果。为了保证进入催化剂的速度场均匀，在脱硝反应器上部同时增设整流装置。图5为改造后的烟气流线图，从图中可以看出，烟气在烟道内的流动较为平滑，进入脱硝反应器前，气流在导流叶片和顶部扰流管作用下，经过整流格栅后，烟气方向转为向下，速度方向较为一致，分布更加均匀。

图5烟道内烟气流线图

2.3优化改造结果分析

表1所示为脱硝烟道反应器优化后，BMCR工况下第一层催化剂上表面的速度、烟气入射角度和氨浓度均值、方差，结果表明，优化改造后速度分布的不均匀性为6.6%，小于15%；氨浓度分布的不均匀性小于5%；烟气入射角都小于10°，全部满足超低排放要求的烟道流场设计要求。

表1改造后脱硝系统特征参数

为验证CFD理论研究结果的可靠性，在该660MW机组脱硝装置按照优化方案改造后，进行现场测试。在660MW满负荷运行工况下，沿脱硝反应器出口烟道的长度方向取6~7个测孔，用网格法分别测量反应器出口NOx、氨逃逸浓度，结果如图6、7所示。

图6实测脱硝装置出口NOx浓度

图7实测脱硝装置出口氨逃逸浓度

由图6、7可知，改造后脱硝装置出口NOx浓度总体分布非常均匀，平均浓度低于较超低排放限值，并且氨逃逸浓度值远低于设计值3ppm，说明经过流场优化改造后，在进入反应器时，烟气与还原剂混合均匀，保证了脱硝效率，同时减少氨逃逸及还原剂耗量，减缓下游空预器堵塞，降低机组运行维护费用。

3结论

1）本文针对某660MW超临界煤粉锅炉脱硝系统进行烟气和氨气在SCR脱硝反应器内的混合过程研究，针对现有喷氨优化系统问题，提出了基于入口烟道设整流装置、采用分级多效驻涡混合装置、反应器顶部设整流装置的改造方案。

2）依据CFD模拟计算结果，本文所提出的SCR脱硝系统的优化设计方案可以充分实现流场分布和NH3/NOx充分混合的要求，即反应器内第一层催化剂入口截面烟气气流速度不均匀性低于15%；第一层催化剂的烟气入射角低于10°；SCR反应器第一层催化剂所在入口截面NH3/NOx混合不均匀性低于5%。

3）依托理论研究的成果，原脱硝装置进行相应改造后，在脱硝装置出口进行网格化测量NOx浓度和氨逃逸浓度，验证了改造方案的可靠性。

4）此660MW机组SCR装置的烟道、反应器布置以及流场存在的问题在大型燃煤机组SCR装置中具有代表性，本文提出的流场升级改造思路及理论研究方法对指导大型燃煤机组SCR系统超低排放改造具有借鉴意义。