NOx是酸雨的主要組成部分之一，對(duì)環(huán)境的危害較大，我國(guó)對(duì)火電廠煙氣排放中NOx的排放已嚴(yán)格控制，選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction, SCR)煙氣脫硝技術(shù)以其技術(shù)成熟、脫硝效率高等特點(diǎn)在燃煤機(jī)組中得到廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了660MW超超臨界燃煤電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)的基本原理和流程，結(jié)合運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)脫硝系統(tǒng)催化劑磨損原因進(jìn)行分析，對(duì)脫硝系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)脫硝系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，降低催化劑的局部磨損,減少氨逃逸，提高催化劑使用壽命。

關(guān)鍵詞：催化劑磨損 流場(chǎng)優(yōu)化 顆粒場(chǎng)分布

1 電廠概述

該電廠2×660MW鍋爐由上海電氣集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)制造，為SG1953/25.40-M95X型超超臨界參數(shù)變壓直流型鍋爐、單爐膛四角切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。燃燒設(shè)備配中速磨煤機(jī)、冷一次風(fēng)機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，配6臺(tái)ZGM113G型中速磨磨煤機(jī)，其中5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。

2 脫硝系統(tǒng)概述

在液氨(或尿素)存儲(chǔ)和制備區(qū)，液氨通過萬向節(jié)由槽車進(jìn)入液氨儲(chǔ)罐。卸車時(shí)，卸料壓縮機(jī)抽取液氨儲(chǔ)罐內(nèi)的氨氣經(jīng)加壓后進(jìn)入槽車，槽車內(nèi)的液氨被壓入液氨貯罐。液氨貯罐液位到達(dá)高位時(shí)自動(dòng)報(bào)警并與進(jìn)料閥及卸料壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)聯(lián)鎖，切斷進(jìn)料閥及停止卸料壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。儲(chǔ)罐內(nèi)的液氨通過出料管由儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力送至液氨蒸發(fā)槽，液氨在蒸發(fā)槽內(nèi)氣化，氣化后的氨氣進(jìn)入氨氣緩沖槽，緩沖槽可以提供穩(wěn)定壓力的氨氣,氨氣被送往SCR反應(yīng)器區(qū)以供使用。

自氨供應(yīng)區(qū)來的氨氣與稀釋風(fēng)機(jī)來的空氣在氨/空氣混合器內(nèi)充分混合。稀釋風(fēng)機(jī)流量按100%負(fù)荷時(shí)氨量對(duì)空氣的混合比為5%設(shè)計(jì)。

氨和空氣混合氣體進(jìn)入位于煙道內(nèi)的氨噴射格柵，噴入煙道后，通過靜態(tài)混合器再與煙氣充分混合，然后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，SCR反應(yīng)器操作溫度一般可在320℃～420℃范圍內(nèi)，SCR反應(yīng)器安裝在省煤器與空預(yù)器之間。溫度測(cè)量點(diǎn)位于SCR反應(yīng)器進(jìn)口，當(dāng)煙氣溫度在320℃～420℃范圍以外時(shí)，溫度信號(hào)將自動(dòng)關(guān)閉氨進(jìn)入氨/空氣混合器的快速切斷閥。

氨與NOx在反應(yīng)器內(nèi)，在催化劑的作用下反應(yīng)生成N2和H2O，N2和H2O隨煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器，并最后通過煙囪排出。在SCR進(jìn)、出口設(shè)置NOx、O2在線分析儀及壓力、溫度測(cè)量?jī)x表，自動(dòng)調(diào)節(jié)NH3注入量。

機(jī)組每臺(tái)爐設(shè)置2臺(tái)脫硝反應(yīng)器，根據(jù)脫硝效率和NOx含量，配置催化劑采用2+1布置方式，即初裝2層催化劑，預(yù)留1層催化劑，當(dāng)脫硝效率低于設(shè)計(jì)效率時(shí)再加裝預(yù)留層催化劑，在系統(tǒng)投運(yùn)后3年加裝預(yù)留層催化劑。

設(shè)計(jì)煤種及實(shí)測(cè)煤種特性

3 脫硝系統(tǒng)催化劑磨損分析

3.1 催化劑磨損檢查

許昌龍崗發(fā)電有限責(zé)任公司#3、4號(hào)機(jī)組分布于2009年6、12月投產(chǎn)運(yùn)行，SCR脫硝裝置與主機(jī)同步建設(shè)同步運(yùn)行，在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)脫硝SCR反應(yīng)器催化劑磨損嚴(yán)重。2013年2月4號(hào)機(jī)組停機(jī)過程中對(duì)脫硝反應(yīng)器催化劑進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)催化劑磨損嚴(yán)重，磨損情況見現(xiàn)場(chǎng)照片圖3-1，A、B側(cè)反應(yīng)器磨損分析表3-1。

圖3-1 現(xiàn)場(chǎng)照片表3-1 A側(cè)反應(yīng)器磨損分布

根據(jù)催化劑磨損區(qū)域列表分析，反應(yīng)器鍋爐側(cè)催化劑磨損嚴(yán)重，電除塵側(cè)催化劑積灰嚴(yán)重。催化劑磨損具有一定的規(guī)律性，初步判斷催化劑磨損是SCR反應(yīng)器流場(chǎng)或顆粒場(chǎng)分布不均引起。

3.2 煙道空氣流場(chǎng)、顆粒場(chǎng)分布檢測(cè)及分析

省煤器出來的煙氣經(jīng)過水平段后向上，經(jīng)過噴氨格柵和導(dǎo)流板后煙氣轉(zhuǎn)至水平段，依次經(jīng)過導(dǎo)流板后向下進(jìn)入SCR催化劑反應(yīng)區(qū)。對(duì)催化劑磨損原因進(jìn)行分析，在SCR反應(yīng)器入口上部轉(zhuǎn)彎煙道水平斷面進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試和顆粒場(chǎng)分析測(cè)試，SCR反應(yīng)器煙道布置及試驗(yàn)測(cè)量截面見圖3-2。

圖3-2 SCR煙道布置及試驗(yàn)測(cè)量圖示

催化劑局部磨損的主要原因有流速分布不均，飛灰分布不均勻，飛灰顆粒度分布不均，此次試驗(yàn)分別對(duì)SCR煙氣系統(tǒng)A/B側(cè)煙道的流速分布(見圖3-3)、飛灰重量分布(見圖3-4)、飛灰顆粒度分布(見圖3-5)進(jìn)行了測(cè)量。

圖3-4 A/B側(cè)SCR入口煙道飛灰重量曲線圖

圖3-5 A/B側(cè)SCR入口飛灰顆粒度分布圖

對(duì)SCR入口上部轉(zhuǎn)彎煙道水平斷面測(cè)試結(jié)果表明，上部轉(zhuǎn)彎煙道水平斷面流場(chǎng)的均勻性較好，但顆粒濃度及顆粒大小上下分布不均勻，下部濃度最高，中間最低，上、下部顆粒直徑最大100～160μm區(qū)間灰量較多、中間最小63～80μm區(qū)間灰量較多。

分別對(duì)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的顆粒分布流場(chǎng)進(jìn)行模擬(見圖3-6)和煙氣結(jié)構(gòu)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬(、圖3-7)，顯示上部轉(zhuǎn)彎煙道水平斷面流場(chǎng)、濃度場(chǎng)、顆粒場(chǎng)與測(cè)量結(jié)果的重現(xiàn)性一致。SCR入口垂直煙道流場(chǎng)基本均勻，但靠近煙道中部顆粒濃度場(chǎng)濃度較高，且顆粒直徑較大。

圖3-6 原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)顆粒分布

圖3-7 原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)流場(chǎng)

催化劑的磨損與流速的三次方成正比、與顆粒的濃度成正比，與顆粒的直徑三次方成正比，在流速均勻的情況下，不均勻磨損主要與入口濃度劑顆粒度分布不均勻有關(guān)。由以上測(cè)量數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果可以判斷SCR入口中前部催化劑不均勻磨損是由于入口濃度及顆粒度分布不均勻引起的。

原設(shè)計(jì)省煤器出口煙道轉(zhuǎn)彎處未設(shè)導(dǎo)流板，煙道由水平轉(zhuǎn)為上升煙道后，顆粒在彎頭外側(cè)富集，濃度較高且大顆粒主要位于外側(cè)壁面處，轉(zhuǎn)彎上升過程中，由于大顆粒慣性較大，不易在氣流速度攜帶下向整個(gè)斷面擴(kuò)散，因此到達(dá)上升煙道轉(zhuǎn)彎處經(jīng)內(nèi)側(cè)第一塊導(dǎo)流板導(dǎo)流后，高濃度、大顆粒的顆粒將處在上部水平煙道下部，上部水平煙道轉(zhuǎn)為下行煙道時(shí)，在內(nèi)側(cè)導(dǎo)流板作用下，高濃度、大顆粒的顆粒將被帶到催化劑入口斷面的中前部，形成催化劑中前部的加速磨損。

4 SCR煙道流場(chǎng)改造

4.1 SCR煙道流場(chǎng)改造方案

解決SCR磨損的途徑是在流場(chǎng)均勻的前提下，改善SCR入口斷面飛灰濃度及顆粒度分布。

對(duì)引起SCR 入口顆粒濃度和顆粒度分布不均勻的因素進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬選擇最合適的方案：垂直煙道加導(dǎo)向裝置、第二彎頭處去掉彎頭內(nèi)側(cè)兩塊導(dǎo)流板，能起到減少SCR 入口不均勻磨損的目的(見圖4-1，圖4-2，圖4-3)。

圖4-1 改造后煙道布置圖

圖4-2 數(shù)值模擬改造后顆粒場(chǎng)

圖4-3 數(shù)值模擬改造后流場(chǎng)

4.2 SCR改造后飛灰濃度場(chǎng)測(cè)試

圖4-3試驗(yàn)測(cè)量面示意圖

鍋爐運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定后，使用煙塵采樣儀和煙塵采樣槍，按網(wǎng)格法分別在AB側(cè)煙道內(nèi)各試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)等速采取飛灰樣品，每點(diǎn)采樣15分鐘，試驗(yàn)結(jié)束后稱量樣品重量，計(jì)算煙道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)飛灰濃度，獲得該位置煙道內(nèi)飛灰濃度分布規(guī)律。煙道尺寸11880mm(寬)×11620mm(深)，取樣槍長(zhǎng)度3500mm，分別從煙道前部和后部?jī)蓚€(gè)方向測(cè)量，能夠覆蓋煙道內(nèi)前部3500mm和后部3500mm深度范圍。

測(cè)試脫硝催化劑入口煙道內(nèi)煙氣速度場(chǎng)。試驗(yàn)按從A側(cè)到B側(cè)的順序逐個(gè)測(cè)孔測(cè)量，分別在距離煙道前墻1m、2m、3m深度位置和距離煙道后墻 1m、2m、和3m深度位置測(cè)量煙氣流速(圖4-4)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下(見表4-1)：

表4-1 煙氣流速測(cè)量數(shù)據(jù)表

圖 4-4 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

根據(jù)表4-1數(shù)據(jù)繪制脫硝催化劑入口管道流速分布圖4-5，圖4-6。

圖4-5 A側(cè)脫硝入口煙道流速分布曲線

圖4-6 B側(cè)脫硝入口煙道流速分布曲線

A、B側(cè)煙道煙氣流速基本均勻，A側(cè)煙道平均流速7.34m/s，B側(cè)煙道平均流速7.05m/s。沿?zé)煹缹挾确较?，A、B側(cè)煙道風(fēng)速流場(chǎng)較為均勻，基本都在7m/s左右波動(dòng)。沿?zé)煹郎疃确较?，煙道前后煙氣流速呈?duì)稱分布，在距離煙道壁面2m左右深度流速較低約為5m/s，其他深度流速在6～10m/s;

脫硝煙道催化劑入口段煙氣流速分布規(guī)律為，額定負(fù)荷下流速分布基本均勻，約為7m/s，在距離前后壁面2m/s左右位置流速稍低，其他位置流速較為均勻。整個(gè)煙道流場(chǎng)分布規(guī)律為前后基本對(duì)稱，左右均勻，說明脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流裝置優(yōu)化后較好地實(shí)現(xiàn)了均勻煙道前后流場(chǎng)的目的。

4.3飛灰濃度場(chǎng)測(cè)試

對(duì)脫硝催化劑入口段煙道內(nèi)飛灰濃度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)按從A側(cè)到B側(cè)的順序選取測(cè)孔2/4/6/8，分別在距離煙道前墻1.5m、3m深度位置和距離煙道后墻1.5m和3m深度位置抽取飛灰樣品(圖4-7)。

圖 4-7飛灰取樣測(cè)點(diǎn)位置示意圖

在每個(gè)測(cè)點(diǎn)等速取樣15min，分別測(cè)量飛灰取樣總量，根據(jù)飛灰取樣數(shù)據(jù)計(jì)算出每立方米煙塵濃度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

表4-2 飛灰取樣數(shù)據(jù)表

表4-3 煙塵濃度數(shù)據(jù)表

根據(jù)表4-2，表4-3繪制脫硝催化劑入口煙道飛灰濃度分布曲線圖4-8

圖 4-8 A側(cè)脫硝催化劑入口煙道飛灰取樣重量分布

圖 4-10 脫硝催化劑入口煙道飛灰取樣總重量沿深度方向分布

圖 4-11 脫硝催化劑入口煙道飛灰濃度沿深度方向分布

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，沿?zé)煹缹挾确较?，飛灰濃度分布相對(duì)均勻，沒有明顯的規(guī)律性差異。沿?zé)煹郎疃确较?，飛灰濃度差別相對(duì)較大，距離前墻1.5m和3m深度位置與距離后墻3m深度位置飛灰濃度比較一致，均為45g/Nm3左右，距離后墻1.5m深度位置，飛灰濃度大幅降低至30 g/Nm3以下;

經(jīng)過脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流裝置優(yōu)化，煙道內(nèi)飛灰顆粒的分布整體向煙道后部移動(dòng)，煙道距離前墻深度8m左右范圍飛灰濃度分布均勻一致，基本實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)流裝置優(yōu)化的目的，煙道后部2～3m范圍飛灰濃度相對(duì)較低，有待進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

4.4 飛灰粒度分布

對(duì)所取飛灰樣品進(jìn)行粒度分析，A、B側(cè)煙道深度為前墻1.5m、前墻3m、后墻1.5m和后墻3m處樣品分別混合后篩分，獲得樣品粒度在0～500μm之間的分布規(guī)律，分析結(jié)果如下。

表4-4 飛灰粒度分布相對(duì)百分比數(shù)據(jù)表

圖 4-13 B側(cè)煙道飛灰粒度分布曲線

脫硝入口煙道AB側(cè)距壁面各深度飛灰粒徑分布規(guī)律基本一致，飛灰粒徑主要分布區(qū)間為160μm以下，其中100～160μm灰量最多，200～500μm區(qū)間灰量很少，整個(gè)煙道飛灰粒度分布趨勢(shì)基本相同。

5 結(jié)束語

火力發(fā)電廠煙氣脫硝SCR工藝技術(shù)，不僅要進(jìn)行CFD流場(chǎng)數(shù)值模擬空氣場(chǎng)數(shù)值模擬試驗(yàn)，還要重視顆粒濃度場(chǎng)分布是否均勻關(guān)鍵問題，針對(duì)催化劑磨損問題應(yīng)對(duì)SCR煙氣系統(tǒng)進(jìn)行CFD顆粒場(chǎng)分布,濃度場(chǎng)分布試驗(yàn)，以找到更好解決因流場(chǎng)分布不均引起的催化劑磨損問題。該機(jī)組SCR流場(chǎng)改造后顆粒度分布明顯改善,減少對(duì)催化劑的局部過度磨損，降低氨逃逸率,延長(zhǎng)催化劑的壽命。

參考資料

[1] 河南省電力公司科學(xué)研究院.許昌禹龍發(fā)電有限責(zé)任公司#4鍋爐脫硝催化劑磨損診斷報(bào)告.

[2] 郭婷婷、劉漢強(qiáng)、楊勇平、路光杰.基于數(shù)值模擬的1000MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì).電站系統(tǒng)工程 2010年9月