超低排放SNCR+SCR 脱硝系统流场优化技术与应用

2019-11-11张定海魏艳娜任凌申

山东电力技术 2019年10期

韦耿，张定海，魏艳娜，任凌申，周武

（1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡 643001）

0 引言

根据GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》要求，2003-12-31 后建成投产的煤粉锅炉NOx排放质量浓度低于100 mg／m3［1］，然而根据《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》，对于锅炉排放进一步提高了要求，烟尘排放质量浓度不高于10 mg／m3，SO2排放质量浓度不高于35 mg／m3，而NOx排放质量浓度则不高于50 mg／m3，即超低排放［2］。据统计早期建成的锅炉很多NOx排放质量浓度达到500 mg／m3，最高达到1 000 mg／m3，锅炉超低排放设计、改造的难度相当大。

目前锅炉在燃煤烟气脱硝技术中有燃烧前控制、燃烧中控制及燃烧后控制技术，燃烧后控制脱硝技术基本是主流标配。烟气脱硝技术还分成SNCR和SCR 技术，虽然目前大部分电厂采用低氮燃烧+SNCR 或者低氮燃烧+SCR 的技术基本可以满足环保排放要求，但是在某些电厂因锅炉自身设计运行条件以及煤种限制，单靠SNCR 或者SCR 无法满足排放要求，因此SNCR+SCR 协同脱硝技术也有一定的市场。

杨永利、郑玉婴等人研究了脱硝催化剂性能和改进配方［3-4］，秦亚男、梁存敬等人研究了SNCR+SCR协同脱硝的还原剂混合均匀性问题，分别从炉内喷枪布置优化和喷氨栅格不均匀控制方面着手［5-6］，但是对于超低排放下脱硝系统的关键问题，即流场均匀性提升问题还有许多值得探讨的地方。本文从工程实际出发，通过分析流场模拟和冷态试验数据，结合现场测量结果，阐述了脱硝烟道流场优化关键技术路线。

1 超低排放下脱硝流场设计面临难点

1.1 脱硝烟道入口烟气组分均匀性

四角切圆和对冲锅炉都因为燃烧方式的原因，引起锅炉出口的烟气中氮氧化物等组分分布不均，喷氨栅格（AIG）喷氨系统又难以根据实际分布进行精细调节，极易引起脱硝烟道中氨氮摩尔比分布不均匀。采用SNCR+SCR 的脱硝系统中，一般SNCR 喷枪布置在炉膛上部前墙，还原剂难以覆盖炉膛截面，最多只能覆盖30%左右，受喷枪数量和雾化效果等原始条件限制，要做到还原剂在烟气中均匀混合是不可能的，因此投运SNCR 系统后，也极易造成SCR烟道入口NOx分布的不均。要达到理想的氨氮混合效果需要配置大量的控制反馈系统，因此直接在脱硝烟道入口采取措施改善NOx分布均匀性是最科学经济的措施。

1.2 AIG 入口烟气流场均匀性

工程中对AIG 入口烟气速度均匀性考察一般要求偏差是±15%，随着超低排放标准的实施，均匀性要求也越来越高，为应对超低排放的指标将AIG 入口速度均匀性优化提高至±8%，以保证脱硝效率达标的同时避免氨逃逸超标。常规脱硝烟道仅通过在转角、扩／缩口位置布置导流板，以调节烟道内AIG前的流场均匀性。然而这样的措施在超低排放要求下就要升级，必须采用特殊设计来优化流场均匀性。

1.3 催化剂层入口流场均匀性

在超低排放背景下，一般上层催化剂入口速度偏差考核要求不大于±10%，氨氮比浓度偏差不大于±3%，入射角偏差不大于10°。在实际运行中，反应器整流栅格易发生积灰问题（见图1），从而影响催化剂入口流场均匀性，尤其在燃烧高灰分煤种时，不科学的整流器设计易造成飞灰搭桥沉积，流场不均匀进一步的会引起催化剂层表面的积灰，局部形成高速区，即烟气走廊。催化剂局部积灰、塌陷严重的影响反应器的运行表现（见图2），造成反应器出口NOx、氨等排放不达标。

图1 整流器栅格积灰情况

图2 催化剂层积灰、磨损情况

2 脱硝流场均匀性优化研究与应用

针对上述关键问题，通过数值模拟及冷态试验，得到超低排放下脱硝流场均匀性优化的实施路线。

2.1 大尺度混合器

2.1.1 技术路线

SCR 入口烟气NOx分布规律存在很大的不确定性，原因在于该分布与锅炉燃烧方式、SNCR 运行状况、锅炉燃烧负荷等关系紧密，分布规律的不确定对改进措施的选择带来很大挑战。行业内已有针对大尺度混合器的研究专利，但是只能实现烟道前后墙之间的混合，如图3（a）所示，通过在烟道中设置一块倾斜一定角度的挡板，烟气流经挡板后引起卷吸回流，促成烟道内烟气的剧烈扰动混合，从而实现提高SCR 入口烟气组分均匀性的目的。但入口烟道的烟气组分不仅存在前后墙不均匀性，同时还有左右侧各个方向不均匀性。

如图3（b）所示，新型大尺度混合器结构采用带角度的叶片组交错布置，根据实际流场分布情况可调节混合器叶片夹角和叶片组夹角，以及混合器叶片的长度和宽度，实现不同的混合效果，并控制阻力，同时混合器材料需要做防磨。烟气流经该大尺度烟气混合器后，可以同时实现烟道宽度方向和高度方向全维度的均匀性调整。

图3 脱硝烟道传统和新型大尺度混合器结构

2.1.2 工程应用

四川某电厂为600 MW“W”型火焰锅炉，原始排放较高，因此在2016年进行了脱硝提效改造，效率不小于92.18%，采用SNCR+SCR 系统。为避免SNCR 投运后对SCR 入口NOx浓度的影响，改造中拟在烟道适当位置增加大尺度混合器。

混合器加装前后流场均匀性的优化效果很明显，在450 MW 负荷下对左侧反应器进行现场测量，速度均匀性相对标准偏差从35%优化至21.9%，组分均匀性相对标准偏差从13.7%优化至6.3%。

2.2 新型均流器

2.2.1 技术路线

在安装大尺度混合器后，虽然烟气中的组分均匀性以及速度均匀性已经得到极大的优化，针对超低排放的要求，仍需要在AIG 之前增加新型均流器，对烟气进行进一步的精细化调整，使流场的均匀性偏差达到±10%以内。

对多种新型均流器型式（见图4）进行了试验研究，最终发现如图5 所示结构的均流器效果最好，可以满足工程需求。该结构采用特定高度直板布置成栅格状，可十字交叉或者上下层十字交错，直板在烟道深度和宽度方向上两两对称布置呈八字形结构，设计中通过调节均流器的直板高度及角度来满足特定工程的要求。

图4 脱硝烟道均流器结构

图5 脱硝烟道新型均流器结构

2.2.2 应用情况

在应对超低排放脱硝市场对技术升级的挑战时，所述新型均流器可以优化AIG 入口的流场均匀性，流场均匀性偏差从目前±15%优化至±8%以内。在100 多台（套）各等级容量锅炉高效脱硝工程项目中应用，运行效果良好达到设计要求。

2.3 双层整流器

2.3.1 技术路线

传统脱硝反应器的整流器为单层栅格状结构，如图6 所示，采用平直交错的板式框架结构实现烟气流向的整理。在实际运行过程中，尤其在云贵地区主要烧高灰分煤种，在机组负荷下降反应器流速减小的情况下，容易发生整流栅格的积灰堵塞。业内各企业采用的解决方案基本上是通过增加栅格的孔径，尤其是宽度方向的间隔，避免飞灰在栅格内搭桥沉积。这样造成的一个负面影响是整流栅格对烟气的整理效果下降明显，烟气流向非垂直进入催化剂层，易造成催化剂脱硝效果不佳。本文结合工程实践经验，创新性地提出了双层整流器的结构。

如图6 所示为传统整流器栅格结构，烟气流过时形成涡旋，飞灰容易形成桥接；增加栅格宽度方向距离后，整流效果又不理想。针对这一矛盾，双层整流器结构采用上层粗调下层细调的思路，避免飞灰沉积的同时保证甚至提高了整流效果。如图7 所示，上层结构以宽度方向的板式框架为主，主要目的是对烟气来流进行流向的整理，将烟气流向变成竖直；下层结构则跟传统整流栅格相似，但是因为有上层结构预先对烟气进行了梳理，在下层的栅格中烟气避免了剧烈的涡旋运动，飞灰也更不容易在下层沉积。

双层整流器通过精细计算和设计，物料成本基本与传统整流栅格持平，但是运行效果比后者要优良很多。

图6 传统整流器栅格结构

图7 双层整流器栅格结构

2.3.2 应用情况

湖南某电厂2×315 MW 机组在运行过程中出现严重的催化剂积灰和局部塌方现象，现场调查后发现整流栅格本身积灰和磨损严重，因而造成了催化剂层入口局部均匀性差，出现积灰和吹损情况。经详细计算，并考虑防磨措施，项目安装了双层整流器结构。如图8 所示，根据实际工程改造前后结构进行建模分析计算，显示了催化剂层飞灰分布在两种整流器结构下对比，图8（a）是传统结构，图8（b）是双层结构，新型结构下催化剂层入口的飞灰分布更均匀，计算结果表明，双层新结构整流器下催化剂层入口截面的速度场也更均匀。运行一年多并未再出现之前所反馈问题。