從燃煤機組SCR系統(tǒng)普遍出現的性能不穩(wěn)定、氨逃逸超標等問題出發(fā)，以具有代表性的某660MW超臨界煤粉鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)為例，擬結合噴氨格柵和駐渦型噴氨混合器特點，進行多維度的駐渦脫硝噴氨混合裝置優(yōu)化改造理論研究。提出了基于分級多效混合、多排分區(qū)、強制整流的優(yōu)化方案。依據CFD模擬計算結果，本文所提出的SCR脫硝系統(tǒng)的流場優(yōu)化方案可以充分實現流場分布和NH3/NOx混合分布均勻的要求，即反應器內第一層催化劑入口截面NH3/NOx混合不均勻性低于5%；煙氣氣流速度不均勻性低于15%；煙氣到達第一催化劑層的入射角小于10°。在原脫硝裝置進行相應改造后，現場實測結果進一步驗證了理論改造方案的可靠性。本文所提出的流場升級改造思路及理論研究方法對指導大型燃煤機組SCR系統(tǒng)超低排放改造具有重要意義。

關鍵詞：SCR脫硝；多排分區(qū)駐渦噴氨；CFD模擬；分級多效混合；強制整流

0引言

近年來，國家全面推行“節(jié)約、清潔、安全”的能源戰(zhàn)略方針，燃煤機組污染物排放標準不斷提高。2015年7月環(huán)境能源局、發(fā)改委和環(huán)保部聯合下發(fā)的《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》（環(huán)發(fā)[2015]164號）中要求，到2020年，全國所有擁有改造條件的火電燃煤發(fā)電機組力爭完成超低排放；全國具備條件的新建火電燃煤發(fā)電機組達到超低排放水平。即在6%基準氧含量條件下，NOx排放濃度低于50mg/Nm3，這意味著脫硝設備要達到接近或超過90%的脫硝效率，對SCR脫硝系統(tǒng)長期可靠運行帶來極大挑戰(zhàn)。根據國內外經濟性分析和運行經驗，SCR裝置的脫硝效率通常不高于85%。在同等催化劑的條件下，脫硝裝置欲實現更高的脫除效率，對還原劑/煙氣均勻混合程度的要求呈指數型上升。提升還原劑與煙氣的混合質量、提高脫硝系統(tǒng)對來流工況變化的抗干擾性是實現SCR穩(wěn)定超低排放的兩大核心要素。因此亟需開發(fā)適用于脫硝超低排放的噴氨混合裝置，結合煙道內整流構件設計，提升煙氣流場的均勻性和適應性。

目前國內在役實現“超低排放”的燃煤機組普遍出現性能不穩(wěn)定、氨逃逸超標等問題，根本原因在于煙道截面大，而還原劑噴射量相比煙氣量極小，很難實現兩者的充分混合，使得反應器內部分區(qū)域氨供應不足，而部分區(qū)域氨過量，導致整體效率和氨逃逸不達標，造成空預器差壓過高、堵塞等一系列問題。對于負荷頻繁波動的調峰機組，氨的噴射無法適應煙氣來流變化，上述問題會更加突出。

目前還原劑噴射裝置有兩種技術流派：

1）噴氨格柵：利用大量的噴嘴，實現氨氣和煙氣的均勻摻混，噴嘴口徑小、數目多，高溫高塵條件下易發(fā)生飛灰堵塞，不具備調整來流均勻性的能力。

2）駐渦型噴氨混合器：基于駐渦混合機理的還原劑混合裝置，噴管數目少、口徑大，具備調整來流均勻性的能力，能主動調節(jié)來流氮氧化物濃度、速度、溫度的偏差。

采用噴氨格柵方式的SCR技術較為依賴導流板的布置方式和布置位置，導流板結構的不同會對流場產生不同作用，并對不同負荷下煙氣混合效果有所影響。同時，研究發(fā)現優(yōu)化調整噴氨格柵煙道內均流部件對速度、濃度均勻性有顯著改善作用，通過分析流場不均勻性得到的分區(qū)噴氨方法能夠進一步優(yōu)化NH3在煙道中分布，因此整體系統(tǒng)噴氨控制精度需求較高，運行較為復雜。除此之外，噴氨格柵管長時間受到煙氣的直接沖擊從而造成噴氨格柵管嚴重磨損?，F有的噴氨格柵管一般都是直接在上面鉆孔供噴氨使用，磨損較嚴重情況下容易，噴氨不均勻，噴孔容易發(fā)生堵塞。

本文針對上述問題，本文擬吸取噴氨格柵的優(yōu)點，結合駐渦型噴氨混合器特點，進行多維度的駐渦型脫硝噴氨混合裝置優(yōu)化改造技術理論研究，能夠利用較少數目的大口徑噴嘴，實現大截面煙道內煙氣與還原劑的均勻摻混，同時具備調整來流均勻性的能力。同時，通過設置整流裝置，進一步調整速度場均勻性，避免偏流對混合及脫硝反應造成影響，充分發(fā)揮催化劑的能力，避免堵塞、磨損。

1計算模型

1.1機組情況

本文以某660MW國產燃煤超臨界參數汽輪發(fā)電機組脫硝裝置改造為例開展研究。其脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原脫硝技術（SCR），SCR煙氣脫硝技術的還原劑選用液氨蒸發(fā)工藝，在設計及校核煤種、鍋爐最大工況（BMCR）、100%煙氣量條件下，脫硝效率不低于91.7%。脫硝系統(tǒng)運行時入口NOx含量600mg/Nm3，脫硝反應器出口處煙氣中NOx含量不大于50mg/Nm3，1臺機組配置2臺脫硝反應器，每臺反應器催化劑層數按2+1設置（2層運行，預留1層備用，預留層布置在反應器底部），煙氣垂直向下通過催化塊層。反應器進口煙溫約373℃，因噴入混合氣以及煙道、反應器散熱，出口煙溫約369℃。

1.2計算模型

機組原脫硝反應器、煙道三維建模根據實際煙道結構尺寸構建如圖1，充分考慮導流板、噴氨管、駐渦型噴氨混合器、整流格柵以及催化劑層對煙氣流場和煙氣組分的影響。計算整體范圍包括從省煤器出口到空氣預熱器進口，計算模型入口與省煤器出口煙道連接，計算模型出口與空預器進口煙道連接。模型大小按照實際尺寸設置，反應器長寬高分別為11.1、15.1和19.53m，噴氨處煙道尺寸3.1m×15.15m。

圖1SCR反應器計算模型

原脫硫裝置在運行過程中，出現氨氮分布不均，過量噴氨，下游催化劑堵塞、磨損，空預器堵塞等問題。針對原有系統(tǒng)還原劑混合不均勻及速度場不均的問題，本文提出改造方案如下：入口煙道設整流裝置；采用多維度駐渦噴氨混合裝置；反應器頂部設整流裝置。具體結構見圖2。

圖2優(yōu)化改造后SCR系統(tǒng)反應器模型

本文通過計算流體力學（CFD）的方法對某660MW火電機組SCR脫硝系統(tǒng)改造前后進行數值模擬和對比，研究煙氣在煙道各位置流動、變化和相互混合的過程，同時研究駐渦型噴氨混合器對煙氣流場以及脫硝還原劑分布混合的效果，達到有針對性的優(yōu)化設計，以達到適合催化劑安全、高效、穩(wěn)定反應的SCR煙道結構的目的。

1.3模型設置

計算中使用的基本假設包括：

（1）煙道模型進口的煙氣速度在進口截面均勻分布（16.18m/s），并且溫度分布也均勻（373℃）；

（2）煙道壁面絕熱，并且內部沒有熱源和熱沉，因此，在沒有噴氨時煙道內溫度處處均勻；

（3）煙道模型出口斷面處壓力分布均勻；

（4）催化劑層和整流格柵用多孔介質模型簡化，用各向異性的方法對催化劑層的阻力特性進行定義。

湍流模型采用standardk-?，壁面函數采用standardwallfunctions。模型采用混合網格劃分，模型網格單元數約150萬，在噴氨管和駐渦型噴氨混合器采用非結構化網格，其它計算區(qū)域利用規(guī)則的結構化網格。另外，在特殊區(qū)域對網格進行加密處理，如導流板、噴氨管和駐渦型噴氨混合器等。煙道模擬運行工況為BMCR100%的煙氣量，物性參數、噴氨系統(tǒng)參數亦參考此時的參數設定。

2計算結果分析

2.1原脫硝系統(tǒng)計算結果

如圖3所示，原脫硝裝置由于入口水平煙道設有張角較大的擴徑段，引起下游煙道左右側煙氣流量不均，進而造成脫硝反應器左右側出現較大的氨氣分布偏差。當機組負荷波動時，脫硝入口來流條件變化時，來流擾動會趨勢還原劑氨分布的偏差進一步放大，進而使得脫硝裝置效率降低或者氨逃逸排放過高。并且由于該裝置噴氨混合器后豎直混合段煙道較短，停留時間短，對還原劑與煙氣的混合要求更高。

圖3a:改造前脫硝縱斷面NH3分布圖；b:改造前第一層催化劑入口NH3分布圖。（各噴氨支管流量相同）

2.2優(yōu)化改造方案計算結果

針對該機組脫硝裝置的上述特點，實施有針對性的優(yōu)化設計。根據電廠需求，綜合成本和效果分析，確定改造方案如下：采取分級多效混合、多排分區(qū)、強制整流的優(yōu)化思路，在原脫硝裝置內，通過升級駐渦噴氨混合裝置、增設豎井煙道頂部彎頭擾流板，強化氨氣與煙氣的混合，顯著改善了催化劑入口還原劑的均勻性；在脫硝反應器上部增設整流裝置，改善反應器內前后墻流速偏差，提高煙氣流動的均勻性，緩解催化劑表面積灰、磨損等問題；在入口煙道擴徑段前設導流板，調整該處的速度場，緩解側部煙道積灰及噴氨混合器前煙氣偏流問題。

圖4a:改造后脫硝縱斷面NH3分布圖；b:改造后第一層催化劑入口NH3分布圖。（各噴氨支管流量相同）

改造優(yōu)化方案NH3分布模擬結果如圖4所示，可以發(fā)現無論是在縱截面還是在第一層催化劑入口，NH3分布均勻性較改造前有顯著提升。由于煙道截面較寬，改造前單排噴氨裝置覆蓋面積有限，脫硝反應器前后方向也出現較大的氨氣分布偏差。優(yōu)化改造方案設有兩排渦流混合裝置，可以實現對煙道截面噴氨的分區(qū)控制，進而提高氨氣在煙氣中分布的均勻性，優(yōu)化噴氨系統(tǒng)調節(jié)性，并且在下游增設擾流板，利用強制擾流進一步加強氨氣與煙氣的混合，顯著改善了催化劑入口還原劑的均勻性，從而達到提高脫硝效率、降低氨逃逸的目的。此外，煙氣流場的組織是影響煙道阻力分布、

速度均勻性和煙氣組分摻混程度的重要因素。受現場實際情況限制，原脫硝煙道入口設有張角較大的擴徑段，導致煙氣偏流嚴重。相比噴氨格柵，駐渦噴氨混合裝置本身具有整流效果，具備一定的負荷自適應性。改造方案通過在脫硝裝置進口煙道前設置導流葉片，強制改善來流煙氣分布的均勻性，使駐渦混合器前端的截面速度分布相對均勻，均勻的速度場能夠提高駐渦型噴氨混合器的混合效果。為了保證進入催化劑的速度場均勻，在脫硝反應器上部同時增設整流裝置。圖5為改造后的煙氣流線圖，從圖中可以看出，煙氣在煙道內的流動較為平滑，進入脫硝反應器前，氣流在導流葉片和頂部擾流管作用下，經過整流格柵后，煙氣方向轉為向下，速度方向較為一致，分布更加均勻。

圖5煙道內煙氣流線圖

2.3優(yōu)化改造結果分析

表1所示為脫硝煙道反應器優(yōu)化后，BMCR工況下第一層催化劑上表面的速度、煙氣入射角度和氨濃度均值、方差，結果表明，優(yōu)化改造后速度分布的不均勻性為6.6%，小于15%；氨濃度分布的不均勻性小于5%；煙氣入射角都小于10°，全部滿足超低排放要求的煙道流場設計要求。

表1改造后脫硝系統(tǒng)特征參數

為驗證CFD理論研究結果的可靠性，在該660MW機組脫硝裝置按照優(yōu)化方案改造后，進行現場測試。在660MW滿負荷運行工況下，沿脫硝反應器出口煙道的長度方向取6~7個測孔，用網格法分別測量反應器出口NOx、氨逃逸濃度，結果如圖6、7所示。

圖6實測脫硝裝置出口NOx濃度

圖7實測脫硝裝置出口氨逃逸濃度

由圖6、7可知，改造后脫硝裝置出口NOx濃度總體分布非常均勻，平均濃度低于較超低排放限值，并且氨逃逸濃度值遠低于設計值3ppm，說明經過流場優(yōu)化改造后，在進入反應器時，煙氣與還原劑混合均勻，保證了脫硝效率，同時減少氨逃逸及還原劑耗量，減緩下游空預器堵塞，降低機組運行維護費用。

3結論

1）本文針對某660MW超臨界煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)進行煙氣和氨氣在SCR脫硝反應器內的混合過程研究，針對現有噴氨優(yōu)化系統(tǒng)問題，提出了基于入口煙道設整流裝置、采用分級多效駐渦混合裝置、反應器頂部設整流裝置的改造方案。

2）依據CFD模擬計算結果，本文所提出的SCR脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設計方案可以充分實現流場分布和NH3/NOx充分混合的要求，即反應器內第一層催化劑入口截面煙氣氣流速度不均勻性低于15%；第一層催化劑的煙氣入射角低于10°；SCR反應器第一層催化劑所在入口截面NH3/NOx混合不均勻性低于5%。

3）依托理論研究的成果，原脫硝裝置進行相應改造后，在脫硝裝置出口進行網格化測量NOx濃度和氨逃逸濃度，驗證了改造方案的可靠性。

4）此660MW機組SCR裝置的煙道、反應器布置以及流場存在的問題在大型燃煤機組SCR裝置中具有代表性，本文提出的流場升級改造思路及理論研究方法對指導大型燃煤機組SCR系統(tǒng)超低排放改造具有借鑒意義。