基于数值模拟的660 MW塔式锅炉SCR脱硝流场优化研究

2022-08-11刘九洲宋金礼

东北电力技术 2022年6期

刘九洲，宋金礼,殷鹏

(1.神华国能哈密电厂，新疆哈密 839000；2.辽宁东科电力有限公司，辽宁沈阳 110179;3.西安热工研究院有限公司，陕西西安 710054)

燃煤电站排放的NOx约占煤燃烧排放NOx的40%以上[1]，是造成雾霾、酸雨、臭氧层破坏的主要污染源之一。选择性催化还原系统(SCR)以其技术成熟、脱硝效率高、运行可靠以及二次污染较低等优点，已经成为国内外燃煤电厂应用最广泛的烟气脱硝技术[2]。但在电厂实际运行时，由于受到超低排放的影响，运行人员盲目喷氨，导致SCR出口氨逃逸率增大，从而导致NOx排放不达标以及SCR设备腐蚀、空预器堵塞等问题[3]。董陈等[4]对某600 MW机组SCR进行模拟，结果表明，在烟道扩口段和转向段加装导流板叶片，催化剂入口截面处的烟气速度分布及NH3质量浓度相对标准偏差都得到明显改善。李壮扬等[5]通过在SCR入口烟道渐扩段增设导流板、在原有导流板组的基础上优化导流板数和形状，使得首层催化剂前截面的速度分布和NH3体积分数分布相对标准偏差系数都降低，发现均流装置部件对速度分布矫正效果明显，对NH3体积分数分布有一定的改善作用。沈丹等[6]以600 MW燃煤机组的SCR反应器为对象，对脱硝反应器内3种导流板的流场分布状况进行数值模拟，并分析了不同导流板下的流速变化和不均匀程度，获得了较为理想的导流板形状和流场分布。汪洋等[7]对脱硝反应器烟气整流格栅流场进行数值模拟，并分析了导流板间距、长度及板夹角等结构参数对反应器流场分布的影响，确定了获得反应器最佳流场的结构参数。

本文对660 MW塔式锅炉SCR反应器中的烟气流动情况进行数值模拟，以SCR烟道烟气速度场分布情况为依据对导流板进行设计，进行流场优化，改善SCR出口氨逃逸率大、流场分布不均的情况。

1 机组概况

1.1 机组脱硝形式

某电厂660 MW机组锅炉为上海锅炉厂有限责任公司制造的超临界压力、单炉膛塔式布置、四角切向燃烧、摆动喷嘴调温、一次再热、平衡通风、全钢架悬吊结构、紧身封闭布置锅炉。以锅炉SCR脱硝系统为研究对象，烟气由省煤器出口后经过一个拐弯进入水平烟道，又经过一直角弯通过整流格栅，最后进入催化剂层。

1.2 存在问题

改造前脱硝入口烟气流场不均，催化剂出现大面积破损情况，堵灰严重，氨逃逸超标，造成下游空气预热器蓄热元件冷端产生结晶及低温腐蚀，单台机组脱硝单耗高。

2 模型对象

按照现场实际情况，采用1∶1对SCR系统进行建模，整流格栅位置按照支撑梁的分块对其36个区域的支撑梁和挡板进行建模。SCR脱硝系统三维尺寸模型如图1所示。

图1 SCR脱硝装置几何模型

本次模拟采用k-ε湍流模型，模型入口采用速度入口，出口采用压力出口边界条件，导流板及壁面均设定为壁面条件。

计算过程做如下假设：不考虑飞灰对流场的影响，视烟气为单相不可压缩流体，连续介质，且定常流动；不考虑NOx与还原剂的催化氧化反应、温度场等，仅对烟气流场进行数值模拟。

3 现有SCR烟道模拟结果

原烟道流场分布如图2—图4所示。根据模拟结果，省煤器出口转向处流场分布不均匀，烟气偏向后墙，前墙烟气存在低速区，并且在转向处存在死区。反应器前烟气流场同样不均匀，烟道中间区域流场存在低速区，整流格栅区域受到支撑梁的影响，流场分布存在大量低速区。

图2 优化前整体流线

图3 优化前喷氨格栅前流场矢量图

图4 优化前反应器前流场矢量图

由于流场分布的差异大，导致进入SCR的烟气分布不均匀，势必会降低SCR的性能，使脱硝效率降低，氨逃逸率增大。

通过对整流格栅上游流速进行预测，有些区域必然会存在大量积灰情况，如图5所示，机组检修期间对现场实际积灰情况进行检查，与预测结果有较好的吻合性。

图5 整流格栅上游积灰分布预测

由于烟气流场的不均匀分布，现场喷氨格栅采用不均匀喷射。根据实际运行情况，对催化剂上游氨氮比分布进行模拟，可见氨氮比分布不均匀，结果如图6所示。

图6 优化前催化剂上游氨氮比分布云图

4 SCR烟道优化

针对上述问题，对SCR入口转向处烟道添加弧形导流板，消除因直角转向造成的低速区。

优化后烟道流场分布如图7—图9所示。转向处烟气死区基本消除，转向后前、后墙的低速区与高速区同样消除，反应器前烟气更加均匀，整个烟道内烟气分布趋于均匀。

图7 优化后整体流线

图8 优化后喷氨格栅前流场矢量图

图9 优化后反应器前流场矢量图

催化剂上游氨氮比分布较优化前明显更均匀，氨氮比由优化前的0.8～1.2变为0.9～1.1。

烟气流场与氨氮比分布均匀，可有效提高SCR脱硝效率，降低氨逃逸率，预防空预器堵塞，结果如图10所示。

图10 优化后催化剂上游氨氮比分布云图

5 测试结果分析

为检验优化后实际运行效果，机组在660 MW负荷下对脱硝入口NOx质量浓度、烟气流速、烟气温度以及氨逃逸率进行实际测量，试验结果如图11—图14所示。

图11 脱硝入口NOx质量浓度测试结果

图12 脱硝入口烟气流速测试结果

图13 脱硝入口烟气温度测试结果

图14 脱硝出口氨逃逸测试结果

SCR反应器入口NOx质量浓度均值为104 mg/Nm3，不均匀度为4.73%；SCR反应器入口烟气流速均值为13.58 m/s，不均匀度为12.76%；SCR反应器入口烟气温度均值为349.1 ℃，不均匀度为0.22%；SCR反应器出口氨逃逸分布不均，氨逃逸平均值为3.61 mg/Nm3，测孔位置氨逃逸超标严重，高达7 mg/Nm3。