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应用SCR氨喷射技术解决空预器硫酸氢铵堵塞问题
时间:2018-07-06 09:03:53

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某350MW机组SCR增加催化剂按照NO二超低排放运行时,发生了空预器硫酸氢铵ABS严重堵塞问题,分析发现SCR入口烟道截面的NH3/NO摩尔比分布小均匀导致局部氨逃逸过大是主要原因。为此,采用CFD数值模拟方法对SCR喷氨格栅(AIG)进行了优化设计改造,并通过现场试验对AIG喷氨流量分配进行了优化调整。测试结果表明,脱硝反应器出口NO二浓度分布相对标准偏差由改造前的49%降低至11%以内,顶层催化剂上方烟道截面的NH3/NOx摩尔比分布相对标准偏差小于3.1%,消除了局部过高的氨逃逸浓度峰值,减轻了空预器ABS堵塞风险。

关键词:SCR;喷氨格栅;CFD数值模拟;优化设计;喷氨优化调整;超低排放

国内早期建设的SCR烟气脱硝装置脱硝效率约60%~85%,当前为满足50mg/m3的NOx超低排放限值,脱硝效率需提高到90%以上。脱硝效率的提高不仅增加了氨逃逸整体过量风险,也加大了SCR出口烟道截面的局部氨逃逸峰值浓度。根据国内外研究,顶层催化剂入口的烟气流场分布,尤其是NH3/NO摩尔比分布均匀性是影响局部氨逃逸的直接原因。在新形势下,为减轻氨逃逸造成的空预器硫酸氢铵ABS堵塞问题,需要改进SCR氨喷射系统,进一步提高顶层催化剂上方烟气中的NH3/NO摩尔比分布均匀性。

图1NH3/NO二分布不均匀性对SCR性能的影响

国内某350MW机组,为控制NOx排放达到50mg/m3以下增加了备用层催化剂,但运行过程中出现了严重空预器ABS堵塞问题。针对SCR反应器出口NOx浓度分布偏差大和局部氨逃逸峰值高的现象,采用数值模拟方法对氨喷射结构进行设计优化改造,并通过现场测试对氨喷射格栅系统的气氨流量分配进行了优化调整,结果显示催化剂上方的NH3/NO摩尔比分布均匀性得到大幅度提高。

1设备概况

该机组于2010年同步配套建设高灰型SCR烟气脱硝装置,催化剂层按“2+1”模式布置,初装2层。采用混合型AIG氨喷射系统(稀疏型喷氨管路+静态混合器),每台SCR反应器沿炉宽方向设置14根喷氨支管,每根支管设置手动调阀控制各支管的喷氨量,每根支管伸入SCR入口烟道后在炉深方向分为3个氨喷嘴(图2)。这种AIG结构只能通过各支管的手动调阀调整沿炉宽方向的氨气流量分配,无法调整炉深方向的氨气流量分配。

图2原AIG结构俯视图

备用层催化剂于2014年4月加装,但在后期运行过程中,空预器堵塞严重,机组满负荷下空预器烟侧阻力最高达3.1kPa。氨喷射优化调整试验结果显示,反应器出口烟道截面NOx浓度分布沿炉深方向差别较大,以A侧为例,同一测孔不同深度测点间的偏差约15~85mg/m3,导致局部氨逃逸过大,这可能是造成空预器硫酸氢铵ABS堵塞的重要原因,而原氨喷射系统对此无法相应调整气氨分配。

图3优化调整后A反应器出口NOx分布

注:编号A1-A10为反应器出u截肉从反应器外侧墙至锅炉中心线方向的测孔编号;编号P1-P3代表反应器出u截肉由炉后往炉前的烟气取样点编号。

为满足NOx超低排放和解决空预器ABS堵塞问题,电厂提出3项改造措施:

①低氮燃烧器改造,降低SCR入口NOx浓度,减轻SCR脱硝装置的NOx处理压力;

②两层初装催化剂再生,提高反应器的整体脱硝效率,防止氨逃逸整体过量;

③氨喷射系统设计优化改造,改善SCR入口NH3/NO摩尔比分布均匀性,消除局部过高的NH3逃逸。

2氨喷射方案CFD优化设计研究

2.1AIG优化概念设计

针对原氨喷射系统存在的上述问题,在保留原有烟道外观、内部导流板、静态混合器及整流格栅等结构不变的情况下,考虑进行如下结构改进:原氨喷射系统改为气氨流量两方向可调节分配;原直管型喷嘴更换为自身旋流混合型喷嘴,并增加喷嘴数量提高覆盖面。

2.2反应器建模

两个SCR反应器沿锅炉中心线对称布置,CFD数值模拟仅以一侧反应器作为研究对象。CFD数值模拟按照1:1的比例建立SCR反应器系统三维几何模型,始于锅炉省煤器出口,止于反应器最下层催化剂出口(图4)。

图4SCR反应器三维几何模型

对SCR模型进行网格划分,网格总数约为710万,在喷氨格栅、整流格栅等尺度较小的空间区域进行了网格加密,确保网格离散化后能够准确地描述几何实体。单侧SCR反应器烟气参数如表1所示。

表1反应器入口烟气参数

催化剂层使用Porous多孔介质模型进行模拟,并通过参数调整,保证模拟阻力与实际阻力接近。采用Species物质输运模型来模拟NH3在烟气中的混合与扩散,但不涉及化学反应,同时假设烟气中的NOx分布均匀。

2.3CFD数值模拟研究

为了确保单根支管上各喷嘴流量分配的均匀性,首先对AIG系统单根喷氨支管上不同喷嘴的流量分配进行了CFD模拟研究。如图5所示,单根喷氨支管上设置4个等间距间隔布置的小喷嘴,CFD模拟结果统计显示(表2),各喷嘴流量均匀,为下一步整体计算奠定了单元结构基础。

图5单根支管几何模型

表2单喷氨支管各喷嘴流量统计

为实现AIG氨喷射系统在SCR入口烟道深度和宽度两个方向的氨气流量分配调节功能,破除了原有系统仅能进行宽度方向调节的限制,AIG优化设计方案将SCR入口烟道截面沿深度和宽度方向分为2X7=14个控制分区,每个分区由对应支管的手动调阀进行氨气流量分配控制,每根支管又分为两根次支管伸入烟道,每根次支管布置多个小喷嘴,喷嘴数量大大增加,增强了截面初态分布的均匀性,有利于氨气与烟气更好地混合。为增强喷嘴的氨气喷射扩散效果,采用了螺旋形喷嘴,同时保留原有静态混合器,强化混合功能。

将AIG初步设计方案纳入整体反应器,进行了多轮CFD数值模拟和方案改进,最终将顶层催化剂层入口NH3浓度分布相对标准偏差优化到了3.9%确定为最终的AIG设计方案(图6),并据此实施了AIG氨喷射系统改造。

图6优化设计方案A工G布置

图7催化剂层上游截面NH3浓度分布

3现场喷氨优化调整

AIG氨喷射系统改造后,进行了SCR现场喷氨优化调整试验。

在机组330MW负荷下,根据反应器出口烟道截面的NOx浓度分布,对AIG喷氨格栅不同支管的手动阀门开度进行针对性调节,经过多轮喷氨流量分配调整后,反应器出口截面NOx分布均匀性得到了改善(图9),以A侧反应器为例,喷氨优化调整后,当脱硝效率约81.6%时,A侧反应器出口截面NOx浓度最大值为77mg/m3,最小值为52mg/m3反应器出口截面NOx分布相对标准偏差从调整前的52.2%降低至11.0%,经折算统计,催化剂层入口截面NH3/NOx摩尔比分布相对标准偏差为3.1%,满足超低排放条件下对于均匀性的要求。

图8喷氨优化调整后A侧反应器出口NOx分布(330MW)

图9改造前后空预器阻力DCS参数变化趋势

喷氨优化调整后,机组330MW负荷下,入口NOx浓度在271~310mg/m3时,实测脱硝效率分别为81.6%,87.0%,90.6%时,对应氨逃逸浓度分别为1.74μL/L,2.51μL/L,2.97μL/L,出口NOx浓度在29~54mg/m3。据此估算,在保证氨逃逸浓度不大于3μL/L情况下,机组满负荷下,脱硝装置最大安全脱硝效率约为89.4%,与改造前约60%的最大安全脱硝效率相比提升了约30%。

表3喷氨优化前后及改造前试验数据对比(A反应器)

可见,通过AIG优化改造,喷氨系统具备了深度与宽度双向分区调节功能,且分区与喷嘴数量的增加使得喷氨系统调节性能更加灵活,结合现场喷氨优化调整,SCR装置催化剂层入口截面NH3/NOx摩尔比分布均匀性得到改善,消除了局部过高的氨逃逸水平。从机组DCS参数统计曲线也可以看出(图9),改造前空预器阻力有逐渐上升的趋势,最高达2.5~3.1kPa,而改造后相同负荷下阻力水平较为稳定,基本维持在2kPa以下。

因此,AIG改造及现场喷氨优化调整的实施为实现超低排放运行的目标提供了有力保障。

4结论

催化剂本身是脱硝装置性能发挥的基础,而氨喷射系统则起着关键作用,尤其在超低排放条件下,对于NH3/NO摩尔比均匀性的要求更加严格,这对氨喷射系统提出了更高要求,具备良好调节性能的氨喷射系统为实现高NH3/NO摩尔比均匀性提供了硬件条件。对于某些机组氨喷射系统存在功能不足的情况,进行有针对性的优化设计,并结合现场喷氨优化调整这一手段,可以减轻下游空预器ABS堵塞的风险,有效降低空预器烟气阻力,提升机组运行的安全性和经济性。


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