循环流化床锅炉脱硝喷氨低耗深度分析

2023-12-01姜宇鹤孔祥隆杜智永

科学与信息化 2023年22期

姜宇鹤孔祥隆杜智永

华电章丘发电有限公司山东济南 250200

引言

火电厂锅炉的烟气脱硝系统主要针对锅炉运行过程中产生的污染性烟气进行相应的优化，从而降低其中的氮氧化物含量，是锅炉运行过程中产生烟气到排放至大气中的中间环节，对于环境保护起着至关重要的作用。目前被广泛应用的是SCR烟气脱硝工艺，主要由还原剂制备系统以及脱硝反应系统两大结构组成，还原剂的制备即液态氨的制备过程，脱硝反应系统则是指具体的催化优化过程。SCR烟气脱硝系统在运行的过程中主要包括以下环节，首先需要进行液态氨的准备和储存，之后将液态氨水进行高温蒸发，并和提前输入到脱硝系统中的空气进行有效的混合处理，并将混合充分之后的气体向脱硝系统进行科学的喷洒，从而使混合气体和需要进行优化处理的烟气进行有效的混合，有利于两者在催化剂的表面进行有效的分布和充分的反应，从而完成烟气的脱硝处理。

目前而言，最为有效的做法是对火力发电厂的SCR烟气脱硝系统进行优化。这一过程涉及调整喷氨网，以提高尾烟的脱硫效率，从而降低氨气的外泄水平，确保机组能够稳定而安全地运行。这项优化不仅有益于环境，还有助于提升整个发电系统的性能。在实际操作中，已经有一些成功的案例，展示了这一优化策略在改善排放控制和设备运行方面的显著效果。烟气脱硝系统喷氨优化的问题。

1.1 锅炉烟气脱硝系统喷氨冷态调整不科学

在锅炉烟气脱硝系统中，由于催化剂管理不当，导致催化剂的使用寿命显著缩短，进而增加了系统的运行成本，不利于火电厂的经济效益提升。同时，设备内部可能积聚灰尘并出现过度磨损问题，对脱硝的有效性产生负面影响。这些问题的存在严重影响了火电厂锅炉烟气脱硝系统的运行效率，对烟气脱硝的质量控制起到了不利作用。因此，必须对喷氨冷态进行优化与改善，以促进锅炉烟气脱硝系统的正常运行。

1.2 锅炉烟气脱硝系统喷氨热态调整不到位

火电厂锅炉烟气脱硝系统的喷氨热态调整优化是指在高温环境下进行相应的调整和优化。由于目前在喷头处液态氨水的蒸发气体和空气的混合物不能有效分布和喷射，导致部分氨元素组成的气体在反应过程中逃逸，降低了液态氨水的还原性作用发挥，对烟气的脱硝效率和质量产生不利影响。因此，应进行热态调整优化，以提高烟气脱硝的有效性。

2 SCR脱硝系统优化研究

2.1 机组概况介绍

“2+1”结构的催化剂设计，下部设有后备层，并配备了耙式半收缩式蒸汽吹灰机。随着环境保护标准的提高，除硝装置面临越来越大的压力，因为它不仅难以满足更为严格的环保需求，还出现了氨耗量增大和空预器堵塞等问题[1]。

通过对该公司3号机组脱硝系统历史监测资料的分析，发现其氨耗较高，并存在严重的空预器堵塞问题。问题的根本原因在于喷氨流场分布不均匀，导致空预器堵塞，从而增加了脱硝系统的运行费用。随着环境法规的不断升级，对系统进行优化调整势在必行，以满足更高的环保要求并降低运营成本。

2.2 SCR烟气脱硝系统建模

2.2.1 数学模型建立。该脱硝系统由烟道，喷氨格栅，反应器，催化剂层组成，实验对象为3号机组，在均布格栅下面的反应器主体中，设置了3个分层的催化剂。该反应器主体长度11800mm，反应器主体高15000mm，宽19000mm，总高度53000mm。

烟道出口等部位采用四边格子，氨气格栅、烟道拐角紊流区和催化剂段采用六边形网格，并通过尺度函数对其进行了局部加密，从计算精度和时间上综合考虑，选择了253万个脱硝系统[2]。

2.2.2 物理模型建立。脱硝系统构建精良，包括烟道、喷氨格栅、反应器以及催化剂层。针对3号机组，反应器主体在均布格栅下方精心设计，催化剂分为3个层次。反应器主体长达11800mm，高度达15000mm，宽度达19000mm，总高度达53000mm。

为了优化流体动力学效应，烟道出口等关键部位采用了四边格子的设计，而氨气格栅、烟道拐角紊流区和催化剂端则采用了六边形网格。通过尺度函数的局部加密，系统在计算精度和时间效率之间取得了平衡。为了达到更高的计算精度和稳定性，我们选择了庞大的253万个脱硝系统。

这样的设计不仅令系统在处理反应过程中更为高效，而且在实验对象3号机组的操作中，为系统提供了稳定而可靠的性能。

2.2.3 仿真计算边界条件[3]。①反应器模型的构造对化学反应的影响未被考虑。②3个催化剂的分层分布是均匀的，并且在各个位置上的化学反应速度都是一样的。③将反应器与外部的热量隔离。④烟气进入反应器的烟气温度、速度应均匀分布，并与从反应器中排出的烟气温度、速度相一致。⑤反应速度与压力的关系未被考虑。⑥烟气中仅含有 NO、SO2、H2O、N2，O2、CO2。

（1）反应器模型的构造对化学反应的影响未被考虑。

（2）3个催化剂的分层分布是均匀的，并且在各个位置上的化学反应速度都是一样的。

（3）将反应器与外部的热量隔离。

（4）烟气进入反应器的烟气温度、速度应均匀分布，并与从反应器中排出的烟气温度、速度相一致。

（5）反应速度与压力的关系未被考虑。

（6）烟气中仅含有 NO、SO2、H2O、N2、O2、CO2。

3 SCR脱硝系统优化研究

经过对流场的优化，问题已经有了一些改善，尽管并没有完全解决。通过对喷氨格栅结构的调整、浓度场的优化、喷氨阀的调整以及AIG氨气阀的调整等措施，可以有效降低SCR烟气脱硫系统的氨耗。这些调整和优化不仅有助于提高脱硫效率，而且能够在一定程度上减轻系统运行成本。

3.1 浓度场问题分析

通过介绍SCR烟气脱硝原理及硫酸氢铵生成机理，来对浓度场问题进行分析。

3.1.1 数学模型建立[4]。在SCR反应器中，流动介质主要由大量烟气、NH3和O2组成，因此，我们在本文中对其混合性能进行了详尽的分析。基于这一模型，我们进行了一系列关于不同气体成分的化学反应计算，通常以混合料的形式进行。通过这些计算，我们能够更全面地了解不同成分在反应器中的相互作用，为优化反应过程提供了有力的数据支持。这种深入的分析为SCR系统的性能提升和操作优化提供了关键的理论基础。

3.1.2 边界条件设定。边界条件按照第3章第3节的规定进行。在此基础上，添加了 AIG喷头转速和SO2与NH3反应生成硫酸氢铵的化学反应。如表1、2所示。

表1 烟气成分

表2 边界条件

3.1.3 浓度场结果分析。在系统分析中，我们观察到部分区域的喷氨量相对较小，由此导致该区域的NOx无法经历充分的脱硝化学反应。经过初步推断，我们得出结论，这种不均匀的氨氮摩尔比分布是导致浓度场不均匀的主要原因之一。换言之，系统中氨气的分布不均匀直接影响了脱硝反应的效果。

为了解决这一问题，应该着手对脱硝系统的浓度场进行优化。这可能包括调整喷氨装置，改善氨气在系统中的流动性，以确保在整个系统中形成更加均匀的氨氮摩尔比分布。通过优化浓度场，我们有望提高脱硝系统的整体效率，确保在各个区域都能够实现充分的脱硝反应，从而最大限度地减少NOx排放。这一优化策略将有助于提高系统性能，降低运行成本，并更好地满足环保标准。

3.2 喷氨系统优化方案

对喷氨格栅结构的改造、喷氨阀门的更换、安装静态混合管的改造，实现了浓度场的优化。具体的优化方法是：

3.2.1 氨气喷淋格栅的改进。在原来的氨气格栅基础上，对7排喷头进行了改进，在每排喷头的上部增加了8排喷氨管，每排喷氨管具有4个小喷头，也就是说，从原来的喷头改为8个喷头。

提高了烟道中的氨气浓度，提高了氨气和烟尘的混合度。喷氨管长度为1062mm，直径为63.5mm。

3.2.2 喷氨阀门改造。在喷氨阀门改造方面，氨化格栅氨气调节阀原本是一种传统的蝶形阀门。然而，蝶阀在流量调节方面表现不佳，经长时间使用容易导致腐蚀，从而影响其灵敏度[5]。相比之下，截止阀是一种阀门，使启闭器沿着阀座中心线运动。它不仅具有良好的关闭性能，还具有低灵敏度和低压差的特点，特别适用于流量调整。通过对原阀和蝶阀进行改造，引入了具有高灵敏度的截流阀，从而实现了对液氨系统的精密调整。

3.2.3 增加静态混合管。为了提高氨气与烟气的接触面积并增加氨气与烟气的混合度，在喷氨格栅上方安装了两排静态混合管。这项改进旨在优化氨气与烟气之间的化学反应，通过增加混合管的数量，进一步提高了反应效率。

3.3 AIG氨气阀门的调节优化

3.3.1 AIG氨气阀门优化方案。在AIG氨气阀门的调节优化中，通过改变喷氨网和喷氨阀，对AIG氨气阀进行调整，以达到最佳的浓度场。考虑到烟气转角的扰动，在均匀格栅下、催化剂一层上、催化剂二层上、催化剂三层上的4个观察面上进行了调整。

3.3.2 AIG氨气阀门优化结果分析。通过对氨气流量的优化，改善了浓度场的均匀性。同时，NH3和NOx的浓度分布也变得更加均匀。氨氮摩尔比例的分布也变得更加均匀，从最优的0.51。这一优化带来了脱硫效果的改善，降低了氨耗。喷氨流速的优化不仅改善了NH3、NOx浓度场的均匀分布，还有助于提高NH3、NOx的浓度分布，从而实现了降低氨耗的目标。