烟气脱硝装置中喷氨格栅的优化设计

2012-06-12陈鹏胡永锋

综合智慧能源 2012年10期

陈鹏，胡永锋

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

0 引言

随着国家对环境保护的日益重视，氮氧化物(NOx)排放的要求也日益严格，据统计，到2007年年底，我国火电厂氮氧化物年排放量为838.3万t，占全国总排放量的36%，居各行业之首。按照目前的发展速度，2010年火电厂氮氧化物年排放量达到1011万t，2015年将达到1150万t。按照火电行业环境保护规划的要求，2010年需要削减氮氧化物298万t、2015年需要削减480万t，减排压力巨大。

根据GB 13223—2003《火电厂大气污染物排放标准》的规定，火力发电燃煤锅炉氮氧化物最高允许排放浓度分时段要求，并根据煤质挥发分的比例进行划分，排放质量浓度最低的要求为450 mg/m3;根据最新的GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》(二次征求意见稿)的要求，燃煤机组要求氮氧化物最高允许排放质量浓度均要达到100 mg/m3以下(2003年年底前投产或批复的机组允许200 mg/m3以下)。由此可见，控制锅炉氮氧化物的排放刻不容缓。目前主要采用炉内燃烧控制、烟气控制等手段进行控制，对于烟气中已产生的氮氧化物，采用选择性催化还原法SCR(Selective Catalytic Reduction)是技术最成熟、工程应用最多的方法。本文以某发电厂脱硝装置为例，介绍其核心组成部分喷氨混合装置(低阻力矩齿防磨混合板型喷氨格栅)优化设计的情况。

1 工程概况

2007年5月，中国华电工程(集团)有限公司开始承建某发电厂2×660 MW机组脱硝装置改建工程，采用选择性催化还原法，脱硝工程与机组同步建设，脱硝反应器布置在省煤器出口及空气预热器入口之间，采用垂直布置方式，喷氨格栅布置在省煤器出口扩口段水平烟道上，此段烟气的流速偏高，喷氨格栅设计中要考虑喷入的氨气、空气混合气体与烟气达到很好的混合效果。该项目#3机组于2009年6月通过168 h试运行，目前运行状况良好。该项目的设计煤种为淮南煤，校核煤种为淮北煤。该项目脱硝系统入口烟气参数见表1和表2。

表1 锅炉不同负荷时的省煤器出口烟气量和温度

脱硝系统采用液氨为还原剂。脱硝装置性能保证要求:在附加层催化剂投运前，NOx脱除率不小于75%，氨的逃逸率不大于0.003‰，SO2/SO3转化率小于1%。系统压力损失要求:从脱硝系统入口到出口之间的系统压力损失在性能考核试验时不大于790 Pa(设计煤种，100%BMCR工况，不考虑附加催化剂层投运后增加的阻力)。

表2 锅炉BMCR工况脱硝系统入口烟气中污染物质量浓度 g/m3

系统氨耗量要求:在BMCR至50%BMCR负荷且原烟气中NOx质量浓度为250～450mg/m3时，系统氨耗量≤309 kg/h(BMCR，450 mg/m3时)。

氨喷射系统设计要求:氨喷射系统要求采用格栅式，保证氨气和烟气混合均匀，喷射系统设置流量调节阀，能根据烟气不同的工况进行调节。喷射系统应具有良好的热膨胀性、抗热变形性和和抗振性。

2 喷氨格栅特点

目前，SCR法烟气脱硝喷氨混合技术常用的主要有喷氨格栅、静态混合器及紊流板技术3种形式，3种脱硝技术各有其自己的特点。

2.1 喷氨格栅

喷氨格栅是SCR脱硝系统普遍采用的一种喷氨技术，即将烟道截面分成20～50个大小不同的控制区域，每个区域有若干个喷射孔，每个分区的流量单独可调，以匹配烟气中氮氧化物的浓度分布。喷氨格栅包括喷氨管道、支撑、配件和氨分布装置等。其主要特点是结构简单、分布效果好、不易积灰，可有效保护喷氨格栅喷嘴的磨损，减少脱硝反应器入口氨与烟气的混合距离，提高脱硝催化剂的利用率，降低脱硝反应器的高度。

在传统设计的基础上，对喷氨格栅进行了设计优化，成为低阻力矩齿防磨混合板型喷氨格栅。与传统的格栅相比，新型喷氨格栅最大的优点是混合阻力低并使得整个烟气脱硝系统阻力降低，因而较大地降低了烟气脱硝的单位成本。

2.2 静态混合器

静态混合器是由少量的喷嘴和混合器单元对应组成，通常是一个喷嘴对应一个混合器单位，与喷氨格栅比较，其喷嘴数量较少，静态混合器的特点是混合距离短，易于调试，结构也比较简单，但系统阻力较大，钢材耗量也较大。

2.3 紊流板技术

紊流板技术是近几年发展起来的较新的混合技术，系统仅需几个喷嘴和少量的紊流板，其特点是结构简单、混合距离短、易于调试、钢材耗量小，但系统阻力较大。根据紊流板的形状可将其分为三角翼形、星形、四角板形等，不论其形状如何变化，其混合原理相同。

在达到相同混合效果的条件下，静态混合器、紊流板技术与喷氨格栅相比，静态混合器材料耗量与之相似，紊流板技术材料耗量相对较少，但静态混合器的阻力最大，紊流板技术的阻力次之，喷氨格栅的阻力最小。由于系统阻力直接影响到锅炉系统运行的经济性，该工程在重点考虑系统阻力的影响后，选用喷氨格栅混合技术。

3 喷氨格栅的设计思路

下面以该项目氨喷射系统(低阻力矩齿防磨混合板型喷氨格栅)为例，介绍喷氨格栅的设计思路。

3.1 设计要求

喷氨格栅的设计要满足脱硝装置的整体性能要求，某脱硝项目性能要求主要有3个方面。

(1)喷氨格栅阻力需控制在200 Pa左右，整个脱硝系统压力损失不大于790 Pa。

(2)系统最大的喷氨量为309 kg/h(液氨)。

(3)氨、空气混合气体与烟气能够均匀混合并达到脱硝装置中首层催化剂入口处烟气的分布要求:速度最大偏差≤±10%(均方根偏差率)，温度最大偏差≤ ±10℃，氨的质量分数最大偏差≤±5%，w(NOx)/w(NH3)最大偏差≤±5%，烟气入射催化剂角度(与垂直方向的夹角)≤±10°。

3.2 计算流程

喷氨格栅的计算流程如下:

(1)根据锅炉最大负荷下的烟气设计条件，计算氨的喷射流量。

(2)根据氨的喷射流量，计算稀释空气的流量，喷入的稀释空气量要确保氨气比例不在15%～28%内。

(3)确定管道数量及布置。根据喷氨格栅与催化剂层之间的距离及弯头数量，估算喷氨管道及喷嘴的间距范围，初步确定喷氨管道数量及布置。针对一般的燃煤发电厂锅炉，喷氨管道的间距一般选择小于500 mm，每根喷氨管道上的喷嘴数量一般为16～18个。

(4)计算喷嘴孔径。在计算喷嘴孔径时，要使喷嘴的喷射高度为1/4的管道间距并调节孔径使喷氨格栅的压力降在允许范围内。

(5)计算喷射速率。喷嘴的喷射速率一般为烟气速度的2～3倍。

(7)确定氨喷射控制区域。氨喷射控制区域方向不同，控制区域数量也不同。在锅炉高度、深度方向，从喷氨区域至催化剂层间距离超过20 m或超过2个烟道弯头，氨喷射控制区域需要布置2个或3个;在锅炉宽度方向，氨喷射控制区域需要布置6～10个。

(8)最后计算管道直径。喷氨格栅管道直径计算完毕后，要确保管中介质流速低于10 m/s。

上述设计过程是个循环计算的过程，如喷出氨气的设计速度过高，或者喷氨格栅的设计压降过大，都要重新返回计算。

3.3 初步设计

根据计算结果进行喷氨格栅初步设计，在设计中还要注意以下3个方面:

(1)喷氨格栅要有好的喷氨调节能力，需采用分区控制方式，每个分区的喷氨流量根据烟气中氮氧化物的浓度分布单独调节，使得喷入的氨量与烟气中的氮氧化物分布相匹配并考虑氨喷射区域烟气流动偏角。

(2)如果喷氨格栅的管道间距比较小，可将喷氨管道布置成2排，这样布置有利于减少由防磨板造成的喷氨格栅的压降。

在我国现下的农村土地利用规划当中，很多规划仍然需要进一步的探究以及完善。我国的土地规划体系目前已经形成了国家、省、市、县、乡五级，而且在乡镇这一级的规划当中，也在逐步的将其规划在实施层面的重要部分。但是有关于农村土地如何进行恰当组织以及有效利用的规划的理论仍然不够成熟，相关技术仍然处于摸索的阶段。一些相应的土地利用的规划编制仍然处于实行的阶段，大多数都是对一些试点村进行实施的，这样的个案研究显然存在特殊性。就目前来看，我国的土地利用规划的体系当中，对涉及到村一级的规划仍然不够明确，在新农村的土地利用规划时，仍然存在以下问题。

(3)为了防止烟尘对金属束的磨损，在金属管道前增加了防磨板。这样，既保护了管道和喷嘴的磨损，又对氨气与烟气的混合有一定的促进作用。

3.4 设计结果

根据上述计算程序，某项目喷氨格栅的初步设计已完成。喷氨格栅布置在省煤器出口(脱硝入口)水平段烟道上，此段烟道截面为3.6 m×10.0 m左右，此段距离脱硝反应器催化剂层较远，有利于烟气与氨气的充分混合，具体的位置如图1所示。

喷氨格栅管道与烟气的流动方向垂直布置，喷嘴的方向与烟气流动方向垂直线的夹角θ为45°，喷氨格栅喷嘴示意图如图2所示。

喷氨格栅初步按照每个烟道前、后2排布置，每排布置15根管道，每根管道分上、下2个控制区，有20个喷嘴，每个烟道共布置30根管道，共有600个喷嘴。其具体布置如图3所示。

4 试验及工程验证

喷氨格栅初步设计完毕后，需要经过CFD数值模拟及物理模型验证，以保证设计满足系统性能的要求。验证过程分3个步骤。

(1)根据初步设计结果，建立计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模型，如图4所示。

(2)根据项目要求，通过CFD数值模拟验证烟气到达反应器入口时的速度偏差、入射催化剂与垂直方向的最大偏角、温度偏差、氨浓度分布偏差、NH3/NOx摩尔比分布均匀度、压力损失等性能要求。

(3)CFD计算满足项目性能要求后，再进行1∶10或1∶15的物理模型验证。

该项目根据CFD数值模拟结果，在设计条件下，喷氨格栅局部的压力损失为350～450 Pa，超出预期设计值200Pa左右，其喷氨格栅压力损失计算结果如下:CFD数值模拟中压力测量位置为图5中箭头所指平面，其中喷氨格栅上游截面总压平均值为pSQ=585.82Pa(相对压力)，下游截面总压平均值为pXQ=146.71Pa(相对压力)，喷氨格栅的压力降为ΔpAIG=585.82 －146.71=439.11(Pa)。

CFD数值模拟中，压力测量位置及喷氨格栅上、下游全压分布图如图6所示。

图3 某项目喷氨格栅布置图(仅示前排)

图4 某项目CFD数值模型

图5 CFD计算中压力测量位置图

根据CFD数值模拟结果分析，由于该项目省煤器出口段烟道受结构限制截面尺寸偏小，为3.6 m×10.0m，烟气速度偏高超过30 m/s，因此产生了较大烟气阻力。为了减少喷氨格栅处烟气阻力，设计方案经过多次核算并优化，最终确定采取以下措施:

(1)扩大烟道截面至3.8m×10.0m，以降低烟气速度;

(2)采用锯齿形防磨板结构喷氨格栅。

防磨板采用矩齿形，齿形突出部分与管道上的喷嘴对应，齿高通常高出喷嘴在格栅截面的投影高度为5～10mm，这样，既对喷嘴和金属管道起到了防磨保护作用，还能降低压降到要求的范围内，从而保证整个脱硝装置的压力降在790Pa之下。

优化后的锯齿形防磨板结构喷氨格栅的具体结构如图7所示。在实际工程中，喷氨格栅及控制阀门盖帽照片如图8所示。

设计方案优化后，要重新进行CFD流场模型验证，最终结果为:脱硝系统的压力损失约为447.7 Pa(不包含催化剂压降)，其中喷氨格栅的压降损失为217.9 Pa，若系统加上催化剂压降，每层催化剂按照140Pa计算，脱硝系统总压力损失为:447.7+280=727.7(Pa)，小于系统性能保证值790Pa。

速度偏差验证:喷氨格栅处的速度矢量分布图如图9所示。催化剂入口处的速度分布在整个截面上的标准偏差为9%，该值≤±10%(均方根偏差率)，满足设计要求。