李茂清 賈佐梓

摘 ?要：近年來，針對SCR脫硝系統(tǒng)過量噴氨和氨逃逸等問題，分區(qū)噴氨控制技術(shù)開始在燃煤電廠進(jìn)行應(yīng)用。該文采用數(shù)值模擬方法（CFD）對某600 MW機(jī)組的SCR分區(qū)噴氨系統(tǒng)進(jìn)行流場模擬，并提出優(yōu)化方案，優(yōu)化后催化劑入口氨氮比和噴氨分區(qū)對應(yīng)性顯著改善，最后分析不同負(fù)荷工況對流場的影響。

關(guān)鍵詞：CFD；分區(qū)噴氨；流場優(yōu)化；分區(qū)影響因子；選擇性催化還原

中圖分類號：X773 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0120-04

Abstract： In recent years， aiming at issues such as excessive ammonia injection and ammonia escape in SCR denitrification systems， partitioned ammonia injection control technology has begun to be applied in coal-fired power plants. This article uses a numerical simulation method， Computational Fluid Dynamics （CFD）， to simulate the flow field of the SCR zoned ammonia injection system of a 600 MW unit， and proposes an optimization plan. After optimization， the catalyst inlet ammonia nitrogen ratio and the correspondence between the ammonia injection zones are significantly improved. Finally， the impact of different load conditions on the flow field was analyzed.

Keywords： CFD; zoned ammonia injection; flow field optimization; zonedimpact factor; selective catalytic reduction （SCR）

選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術(shù)作為一種主要的高效NOx控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)燃煤發(fā)電機(jī)組，使出口NOx濃度達(dá)到超低排放要求[1-3]。近年來，隨著脫硝裝置投運(yùn)，尤其超低排放改造后，由于測量延遲、噴氨不均、燃燒不穩(wěn)及流場情況差等原因造成的SCR進(jìn)出口NOx測量不準(zhǔn)、波動、氨逃逸超標(biāo)、NH4HSO4沉積、空預(yù)器低溫段蓄熱元件堵塞及除塵器電極積灰等問題越發(fā)頻繁、嚴(yán)重[4-5]。

基于上述現(xiàn)狀，分區(qū)噴氨精準(zhǔn)控制技術(shù)開始在燃煤電廠進(jìn)行應(yīng)用，該技術(shù)依據(jù)煙氣網(wǎng)格取樣測量的實際值作為控制量，自動調(diào)節(jié)噴氨總閥，同時通過矩陣式分區(qū)測量系統(tǒng)對脫硝流場進(jìn)行更精確的分區(qū)測量，控制系統(tǒng)對分區(qū)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，進(jìn)而指導(dǎo)各對應(yīng)區(qū)域噴氨自動調(diào)節(jié)門的調(diào)整，使反應(yīng)區(qū)內(nèi)NH3/NOx得以均勻混合，提高脫硝系統(tǒng)利用率[6-7]。分區(qū)噴氨控制技術(shù)對測量結(jié)果精準(zhǔn)度要求較高，這也意味著良好的SCR系統(tǒng)流場是實現(xiàn)這一切的前提，鑒于超低排放后對SCR流場的強(qiáng)制性要求，大都集中于對催化劑入口截面速度場和氨濃度分布的優(yōu)化，但關(guān)于流場優(yōu)化對分區(qū)噴氨的影響卻鮮有涉及。因此以某600 MW機(jī)組的脫硝改造為例，從流場優(yōu)化的角度對分區(qū)噴氨改造后流場對分區(qū)噴氨的影響進(jìn)行了研究。

1 ?CFD模型與方法

1.1 ?數(shù)值模型及邊界條件

CFD（Computational Fluid Dynamics）是一種被廣泛應(yīng)用的計算流體動力學(xué)方法，在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對某600 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)建立了1∶1的計算機(jī)模擬模型，建立的模擬模型如圖１所示，模型網(wǎng)格主要采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總網(wǎng)格數(shù)量約為330萬，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

數(shù)值模擬時以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)作為輸入的計算條件，省煤器出口單個反應(yīng)器煙氣質(zhì)量流量1 341 972 kg/h，煙氣密度為0.577 kg/m3，煙氣溫度為363 ℃；氨空氣混合氣質(zhì)量流量1 649 kg/h，溫度為250 ℃。

2 ?計算結(jié)果

2.1 ?初始工況

圖3是初始工況下SCR脫硝裝置不同角度的整體速度跡線，可以看出脫硝入口段水平煙道擴(kuò)徑處流場劇烈變化，原有導(dǎo)流板未能起到導(dǎo)流作用，氣體未能朝擴(kuò)徑測分流，導(dǎo)致豎直段煙道底部形成了渦流，從而使整個豎直段煙道內(nèi)煙氣流動混亂，出現(xiàn)了明顯偏流現(xiàn)象。反應(yīng)器頂部煙道處氣流朝后墻側(cè)偏移，形成了高速區(qū)，且入射到第一層催化劑時流速與豎直方向最大夾角約30°。

如上所述整個SCR系統(tǒng)流場較不均勻，不利于煙氣NOx和NH3的混合，催化劑入口上方500 mm處氨氮比分布如圖4所示，總體呈現(xiàn)前墻側(cè)氨氮比偏低，后墻側(cè)氨氮比偏高，擴(kuò)徑側(cè)氨氮比偏高的趨勢。且氨濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差約為20.6%，遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的10%，過高的氨濃度不均勻性往往導(dǎo)致過量噴氨和氨逃逸，是導(dǎo)致下游空預(yù)器堵塞等現(xiàn)象的元兇。

圖5和圖6分別展示了不同噴氨分區(qū)單獨(dú)噴氨時的流動跡線和催化劑入口的氨氮比，用以表征不同噴氨分區(qū)對對應(yīng)控制區(qū)域的影響。如圖5所示，由于豎直段煙氣流動混亂，各個分區(qū)噴出的氨氣出現(xiàn)明顯擴(kuò)散，橫跨多個分區(qū)，在催化劑入口呈現(xiàn)的氨氮比也沒有明顯的界限，其對各個控制分區(qū)的影響因子見表1。噴氨分區(qū)2、3和催化劑入口分區(qū)2、3影響因子低于0.5，對應(yīng)性較差，上述現(xiàn)象表明，在目前的流場下，噴氨分區(qū)和催化劑入口分區(qū)無法形成對應(yīng)，分區(qū)噴氨無法起到優(yōu)化脫硝性能的作用。

2.2 ?優(yōu)化工況

在原始方案的基礎(chǔ)上對導(dǎo)流系統(tǒng)進(jìn)行了整體優(yōu)化，優(yōu)化后的導(dǎo)流系統(tǒng)如圖 7所示，主要做了以下調(diào)整：①水平煙道入口增設(shè)2組圓盤導(dǎo)流板，優(yōu)化水平煙道內(nèi)煙氣在豎直方向上的均勻性；②對擴(kuò)徑段開始和結(jié)束處的導(dǎo)流板進(jìn)行了加密，并對豎直煙道底部的圓弧導(dǎo)流板進(jìn)行了重新設(shè)計，保證了煙氣沿擴(kuò)徑側(cè)的均勻分布；③對豎直煙道頂部和反應(yīng)器頂部的導(dǎo)流板進(jìn)行了重新設(shè)計和加密，確保了煙氣流量在反應(yīng)器頂部的均勻分配。

經(jīng)過上述導(dǎo)流系統(tǒng)調(diào)整后，SCR系統(tǒng)內(nèi)的煙氣流動狀況有了顯著改善，優(yōu)化后的煙氣流場如圖8所示，消除了豎直煙道底部的渦流和豎直煙道內(nèi)煙氣偏流的現(xiàn)象，保證了噴氨格柵前的煙氣流速均勻性，有利于氨氣和煙氣的均混；消除了煙氣在反應(yīng)器前后墻的偏流和渦流，入射到第一層催化劑時流速與豎直方向最大夾角不超過10°。均勻的煙氣流場使煙氣和氨氣充分混合，有效改善了催化劑入口氨氮濃度分布，如圖9所示，氨濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差從20.6%降至4.7%。

導(dǎo)流系統(tǒng)優(yōu)化后，噴氨跡線幾乎不發(fā)生擴(kuò)散，如圖10所示，噴氨分區(qū)和催化劑入口的擬控制區(qū)域?qū)?yīng)性大幅提升，圖11展示了不同分區(qū)單獨(dú)噴氨時催化劑入口的氨氮比，表2展示不同噴氨分區(qū)對催化劑入口擬控制區(qū)域的影響因子，相對應(yīng)的4個分區(qū)影響因子分別為0.84、0.73、0.74、0.88，意味著催化劑入口不同分區(qū)的氨氮比和噴氨分區(qū)的噴氨量幾乎是一一對應(yīng)的，只需分別調(diào)整不同分區(qū)噴氨格柵，便可以控制對應(yīng)催化劑入口區(qū)域的氨氮比，實現(xiàn)精準(zhǔn)噴氨分區(qū)控制。

2.3 ?不同負(fù)荷

考慮機(jī)組實際運(yùn)行情況，對優(yōu)化后的SCR系統(tǒng)在75%負(fù)荷和50%負(fù)荷下的煙氣流場進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖12所示，3種工況下催化劑入口截面氨氮比分布幾乎沒有變化，意味著優(yōu)化方案對不同負(fù)荷下的脫硝系統(tǒng)也同樣適用。

3 ?結(jié)論

本文對某600 MW機(jī)組的脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了流場模擬，提出了優(yōu)化方案，并從流場優(yōu)化的角度對分區(qū)噴氨改造后流場對分區(qū)噴氨的影響進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1）原有脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流系統(tǒng)設(shè)計不合理，噴氨格柵所在的豎直段煙氣流場混亂，反應(yīng)器頂部煙道流量分配不均，催化劑入口氨濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差約為20.6%，遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的10%，催化劑入口煙氣入射角度最大約30°；不同噴氨分區(qū)噴出的氨氣出現(xiàn)明顯擴(kuò)散，橫跨多個分區(qū)，對相對應(yīng)的催化劑入口分區(qū)影響因子分別為0.54、0.27、0.37、0.63，分區(qū)對應(yīng)性較差，難以通過分區(qū)控制噴氨優(yōu)化脫硝性能。

2）對導(dǎo)流系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，消除了豎直煙道底部的渦流和豎直煙道內(nèi)煙氣偏流的現(xiàn)象，消除了煙氣在反應(yīng)器前后墻的偏流和渦流，催化劑入口氨濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差從20.6%降至4.7%，催化劑入口煙氣入射角度不超過10°；噴氨跡線也幾乎不發(fā)生擴(kuò)散，相對應(yīng)的4個分區(qū)影響因子分別為0.84、0.73、0.74、0.88，意味著催化劑入口不同分區(qū)的氨氮比和噴氨分區(qū)的噴氨量幾乎是一一對應(yīng)的，只需分別調(diào)整不同分區(qū)噴氨格柵，便可以控制對應(yīng)催化劑入口區(qū)域的氨氮比，實現(xiàn)精準(zhǔn)噴氨分區(qū)控制。

3）對優(yōu)化后SCR系統(tǒng)100%、75%、50%負(fù)荷工況下的流場進(jìn)行了模擬，催化劑入口處的氨氮比分布幾乎沒有變化。

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