燃煤电厂SCR系统超净排放技术优化

上海电气电站环保工程有限公司 杭逸斐

煤炭是我国能源生产消费的主力，燃煤发电发挥了不可替代的作用。如2018年我国火力发电量约占发电总量的70%，其中煤电装机容量占火电装机总量的88.6%是火力发电的主力。但煤炭燃烧会产生大量的粉尘、氮氧化物、硫氧化物和重金属等污染物破坏大气生态环境。因此我国政府不断提高对燃煤大气污染的排放要求，加大监管力度。由于传统控制水平有限，且受到锅炉侧的负荷波动和煤质变化影响，各污染物脱除装备运行不稳定，脱硝系统存在还原剂超喷堵塞空预器，流场不均匀导致脱硝效率偏低等问题。

目前政府通过在脱硫脱硝除尘领域颁布多项政策法规等手段，要求燃煤电厂锅炉污染物排放浓度低于燃气轮机排放限值，即二氧化硫＜35mg/m3、氮氧化物＜50mg/m3、烟尘＜10mg/m3[1]，实现污染物的超净排放，达到治理大气污染源的目的。

然而在机组实际运行中，锅炉负荷波动、煤质变化、燃烧状态调整等因素都会影响脱硝系统内烟气分布，如果仍采用不变的喷氨方式，将无法根据脱硝系统内烟气分布的变化对喷氨量进行相应的调整，就会造成催化剂入口氨气浓度分布与NOx浓度分布不匹配，增加氨氮混合不均性。同时，由于脱硝技术已相对成熟，普遍项目不进行流场模拟依靠项目经验进行导流板布置或取消导流板布置，导致流场均匀度不可控，进而影响脱硝效率，导致催化剂磨损、空气预热器堵塞、腐蚀等一系列问题。为满足电厂NOx排放标准，提高脱硝系统运行效率，降低系统出口NOx浓度偏差、减小氨逃逸量，对锅炉脱硝系统优化有较高的意义[2]。

基于上述背景，在超低排放要求下SCR脱硝设计规范及原则，通过分区调节系统研究了智能化精细喷氨的可行性，并依托某脱硝项目研究SCR反应器内的流场分布，优化导流板布置，明确了流场模拟的重要性。

1 SCR智能化精细喷氨

基于烟气速度分布NOx浓度分布和温度分布等多方综合因素的考虑，对SCR喷氨格栅控制系统进行精细化优化改造，通过网格法巡测烟道截面NOx值分布，运用巡测结果通过内置数据库联动进行智能化自动控制喷氨，使氨逃逸接近零，实现下游设备运行稳定。

1.1 分区调节系统

对某项目喷氨格栅所在的烟道进行分区（SCR进口烟道尺寸8.8m×14.0m、出口烟道尺寸为12.1m×22.19m）：将氨注入烟道划为6个大分区，每个分区约为4.4m×4.6m的近似正方形区域（图1所示），分别对应氨喷射系统的6个喷氨分区电动调节阀，可实现横向和纵向喷氨调节。同时针对脱硝现场实际情况以及性能测试、调试等需要，在每个大分区中再细分了4个小分区，分别对应4个喷氨手动调阀。

SCR反应器的出口CEMS测量烟道尺寸为12.1m×22.19m，根据氨注入烟道分区情况，将出口CEMS测量烟道同样划为6个分区，每个分区尺寸约为6.05m×7.4m（图2所示），分别对应垂直上方的氨注入烟道分区。将出口烟道的6个分区中的烟气轮流取样至用于分区控制且独立的CEMS分析仪，测量NOx/O2浓度，信号参与6个分区喷氨调节阀的控制，实现喷氨分区控制[3]。

1.2 多点取样系统

脱硝入口监测采用网格取样装置（多点混合）进行取样，配置一套CEMS（含NOx、O2和CO烟气组份）。脱硝出口监测可配置两套不同取样的装置：一为网格取样装置（多点混合）进行取样，配置一套CEMS（含NOx、O2烟气组份）对喷氨总量进行连续调节；二为网格取样装置（多点分区）进行取样，配置一套CEMS（含NOx、O2烟气组份）对喷氨格栅分区氨喷射量调平。

多点混合取样：多点混合网格取样装置从各取样孔网格化抽取烟道内烟气作为样本进入母管，样本气体在取样母管内进行充分混合，输送到测量筒由CEMS探头进行污染物NOx测量。多点混合网格取样装置通过网格状均布在烟道的各个测点，抽取样本烟气混合测量，得到一个相对具有代表性的数据。该方式避免了传统单点取样以偏概全的劣势，从而更好的控制喷氨总量。

多点分区取样：多点分区取样装置将取样格栅等面积均分布置在烟道同一截面上，取样格栅上每组取样探头由单独的控制阀独立控制且能互相切换，保证取样烟气能够多点独立测量且自由取样。其中取样格栅分区单元参考《GBT 16157-1996固定污染源排气中颗粒物和气态污染物采样方法》标准设计，可实现烟道内同一截面全区域多点混合式取样并可轮巡式单独测量各个区域相应测得全区域NOx/O2浓度值。

1.3 氨逃逸监测系统

氨逃逸检测系统可按其是否参与喷氨总量调节闭环控制设置。若氨逃逸数据不参与喷氨总量调节的闭环控制，可以在SCR反应器出口烟道上设置一台氨逃逸分析仪，进行监控及上传环保局使用；若氨逃逸数据同时参与喷氨总量调节的闭环控制，根据出口烟道的尺寸，可以在SCR反应器出口烟道上设置2点式氨逃逸监测系统，SCR出口布置2个光学检测端直接安装在烟道上，接入多点式氨逃逸监测主机。

1.4 预估效益

提高出口NOx均匀性而减少用氨量：出口NOx偏差减少10%,平均脱硝率提高约0.9%，平均氨逃逸量相对减少约5%。智能喷氨优化控制实施后，考虑运行调节中各种因素影响，喷氨量至少能减少10%[4]。

提高催化剂的使用寿命：降低出口NOx的不均匀度10%。如果出口NOx相对偏差从50%降至40%，则催化剂寿命能相对提高约12%。

降低风机阻力：氨逃逸降低后能够大大减少空预器堵塞的可能性，空预器的吹扫周期可以相应延长，考虑空预器的高压水吹扫成本，相当于减少了空预器检修费用。得益于智能喷氨优化，脱硝下游空预器的平均阻力将降低，引风机功率输出降低，即可减少引风机电耗的费用。

对于2×300MW燃煤电厂采用精细喷氨后预估可以产生的效益如下：提高出口NOx均匀性而减少用氨量，预估效益30万/年；催化剂寿命相对提高约12%，预估效益100万/年；减少空预器堵塞，预估效益100万/年，可知采用精细喷氨后预计带来230万/年的效益。

2 SCR反应器数值模拟

本小节某燃煤机组的锅炉配套脱硝装置的设计，通过数值模拟优化反应器内流场，提高烟气在关键区域的流速均匀分布，优化脱硝反应器结构。本项目脱硝工艺系统设计原则如下：AIG上游烟气速度偏差＜±15%（均方根偏差率），入口烟气流速偏差＜±12%（均方根偏差率），入口烟气流向→＜±10°，入口烟气温度偏差→＜±10℃，NH3/NOx摩尔比绝对偏差＜5%。

2.1 数值模拟试验

计算流体动力学（Computational Fluid Dyna_mics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。研究的目的是让烟气流速、温度、烟气入射角、压损在所述范围内，通过调整并模拟烟道内导流板、整流装置等进行优化设计，以获得最好的脱硝效果。脱硝装置内流场的数值模拟采用fluent软件，每个仿真算例均为三维模型并生成流场网格。整个系统由变体积的约577万个计算网格组成。同时模拟过程中对数学模型的选取及边界条件的相应处理如下：

选用Standard k-ε模型对湍流计算进行简化模拟[5]；选用组分输运模型计算烟气中各组分的输运和扩散；采用多孔介质模拟喷氨格栅、4层催化剂层上游的整流格栅，并在垂直格栅方向上设置更大的阻力系数以模拟垂直状态下的流场；催化剂层模拟采用各向同性多孔介质模型进行代替，各方向为相同压损系数，以实现催化剂层的压力损失；边界条件的设定：烟气入口和喷氨喷嘴入口采用速度边界条件，出口定义为出流；催化剂层用多孔介质模型来模拟催化剂层的阻流和减压特性。

边界条件设置。数值模拟边界条件设置为：主烟气入口烟气体积流量8222635m3/h，温度658K（385℃），O2体积分数3.3768%，CO2体积分数14.8382%，H2O体积分数5.2948%，N2体积分数76.3886%，SO2体积分数0.1016%。

2.2 无/加导流板时数值模拟

没有加导流板时的初始流场计算结果如下：喷氨格栅前截面速度偏差系数Cv值40.44%、喷氨格栅前截面温度偏差系数Cv值0.0001℃、喷氨格栅入口截面角度偏差13.13°、第一层催化剂入口截面速度偏差系数Cv值14.18%、第一层催化剂入口截面温度偏差系数Cv值0.0006℃、第一层催化剂入口截面角度偏差13.74°。

加导流板后数值模拟。导流板布置：在喷氨格栅入口段增加5块导流板，提高氨烟气混合均匀度；在烟气分流两侧分别增加导流板布置各7块导流板，提高反应器入口烟气均匀度。加导流板后计算结果如下：喷氨格栅前截面速度偏差系数Cv值14.08%、喷氨格栅前截面温度偏差系数Cv值0.0001℃、喷氨格栅入口截面角度偏差4.43°、第一层催化剂入口截面速度偏差系数Cv值2.07%、第一层催化剂入口截面温度偏差系数Cv值0.136℃、第一层催化剂入口截面角度偏差5.13°。

综上，本文通过分区调节系统研究了智能化精细喷氨的可行性，依托某脱硝项目对SCR反应器内的温度、压力和速度场进行了研究，主要结论如下：

通过精细喷氨改造可使脱硝反应器NOx出口浓度分布更加均匀，有效解决了局部喷氨过量引起的氨选逸率偏高或喷氨不足，喷氨不合理造成的反应不充分等问题，降低了氨逃逸；通过CFD流场模拟分析某电厂流场情况，结果表明：无导流板时，SCR系统主要截面速度场、温度场、压力场紊乱，对喷氨效果产生了重大不利条件。加装本文设计的导流板后喷氨格栅入口速度偏差缩小至14.08%、角度偏差4.43°，催化剂入口截面速度偏差系数为2.07%，入口速度角度偏差5.13°。各参数通过流场模拟和导流板的增设满足了催化剂对烟气流场的要求，并且优于其要求，对提升脱硝效果可以起到显著提升。

脱硝的根本在于“均匀”，均匀的流场是保证脱硝效果的前提。通过精细喷氨的改造可以最大程度上保证氨和NOx混合均匀，促使其反应效率提高。流场模拟的优化可以保证烟气流场均匀，使得催化剂的利用率最大化，脱硝反应更充分，同时避免烟气集聚冲刷影响使用寿命。从喷氨和流场两个角度对脱硝系统进行优化可以大幅度的提高脱硝系统性能，缓解还原剂超喷现象，保证超净排放的指标下脱硝及其下游设备安全、稳定、高效运行。