陳鵬，胡永鋒

(中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，氮氧化物(NOx)排放的要求也日益嚴(yán)格，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2007年年底，我國(guó)火電廠氮氧化物年排放量為838.3萬(wàn)t，占全國(guó)總排放量的36%，居各行業(yè)之首。按照目前的發(fā)展速度，2010年火電廠氮氧化物年排放量達(dá)到1011萬(wàn)t，2015年將達(dá)到1150萬(wàn)t。按照火電行業(yè)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃的要求，2010年需要削減氮氧化物298萬(wàn)t、2015年需要削減480萬(wàn)t，減排壓力巨大。

根據(jù)GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，火力發(fā)電燃煤鍋爐氮氧化物最高允許排放濃度分時(shí)段要求，并根據(jù)煤質(zhì)揮發(fā)分的比例進(jìn)行劃分，排放質(zhì)量濃度最低的要求為450 mg/m3;根據(jù)最新的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(二次征求意見(jiàn)稿)的要求，燃煤機(jī)組要求氮氧化物最高允許排放質(zhì)量濃度均要達(dá)到100 mg/m3以下(2003年年底前投產(chǎn)或批復(fù)的機(jī)組允許200 mg/m3以下)。由此可見(jiàn)，控制鍋爐氮氧化物的排放刻不容緩。目前主要采用爐內(nèi)燃燒控制、煙氣控制等手段進(jìn)行控制，對(duì)于煙氣中已產(chǎn)生的氮氧化物，采用選擇性催化還原法SCR(Selective Catalytic Reduction)是技術(shù)最成熟、工程應(yīng)用最多的方法。本文以某發(fā)電廠脫硝裝置為例，介紹其核心組成部分噴氨混合裝置(低阻力矩齒防磨混合板型噴氨格柵)優(yōu)化設(shè)計(jì)的情況。

1 工程概況

2007年5月，中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司開(kāi)始承建某發(fā)電廠2×660 MW機(jī)組脫硝裝置改建工程，采用選擇性催化還原法，脫硝工程與機(jī)組同步建設(shè)，脫硝反應(yīng)器布置在省煤器出口及空氣預(yù)熱器入口之間，采用垂直布置方式，噴氨格柵布置在省煤器出口擴(kuò)口段水平煙道上，此段煙氣的流速偏高，噴氨格柵設(shè)計(jì)中要考慮噴入的氨氣、空氣混合氣體與煙氣達(dá)到很好的混合效果。該項(xiàng)目#3機(jī)組于2009年6月通過(guò)168 h試運(yùn)行，目前運(yùn)行狀況良好。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)煤種為淮南煤，校核煤種為淮北煤。該項(xiàng)目脫硝系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 鍋爐不同負(fù)荷時(shí)的省煤器出口煙氣量和溫度

脫硝系統(tǒng)采用液氨為還原劑。脫硝裝置性能保證要求:在附加層催化劑投運(yùn)前，NOx脫除率不小于75%，氨的逃逸率不大于0.003‰，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%。系統(tǒng)壓力損失要求:從脫硝系統(tǒng)入口到出口之間的系統(tǒng)壓力損失在性能考核試驗(yàn)時(shí)不大于790 Pa(設(shè)計(jì)煤種，100%BMCR工況，不考慮附加催化劑層投運(yùn)后增加的阻力)。

表2 鍋爐BMCR工況脫硝系統(tǒng)入口煙氣中污染物質(zhì)量濃度 g/m3

系統(tǒng)氨耗量要求:在BMCR至50%BMCR負(fù)荷且原煙氣中NOx質(zhì)量濃度為250～450mg/m3時(shí)，系統(tǒng)氨耗量≤309 kg/h(BMCR，450 mg/m3時(shí))。

氨噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:氨噴射系統(tǒng)要求采用格柵式，保證氨氣和煙氣混合均勻，噴射系統(tǒng)設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，能根據(jù)煙氣不同的工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。噴射系統(tǒng)應(yīng)具有良好的熱膨脹性、抗熱變形性和和抗振性。

2 噴氨格柵特點(diǎn)

目前，SCR法煙氣脫硝噴氨混合技術(shù)常用的主要有噴氨格柵、靜態(tài)混合器及紊流板技術(shù)3種形式，3種脫硝技術(shù)各有其自己的特點(diǎn)。

2.1 噴氨格柵

噴氨格柵是SCR脫硝系統(tǒng)普遍采用的一種噴氨技術(shù)，即將煙道截面分成20～50個(gè)大小不同的控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有若干個(gè)噴射孔，每個(gè)分區(qū)的流量單獨(dú)可調(diào)，以匹配煙氣中氮氧化物的濃度分布。噴氨格柵包括噴氨管道、支撐、配件和氨分布裝置等。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分布效果好、不易積灰，可有效保護(hù)噴氨格柵噴嘴的磨損，減少脫硝反應(yīng)器入口氨與煙氣的混合距離，提高脫硝催化劑的利用率，降低脫硝反應(yīng)器的高度。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)噴氨格柵進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，成為低阻力矩齒防磨混合板型噴氨格柵。與傳統(tǒng)的格柵相比，新型噴氨格柵最大的優(yōu)點(diǎn)是混合阻力低并使得整個(gè)煙氣脫硝系統(tǒng)阻力降低，因而較大地降低了煙氣脫硝的單位成本。

2.2 靜態(tài)混合器

靜態(tài)混合器是由少量的噴嘴和混合器單元對(duì)應(yīng)組成，通常是一個(gè)噴嘴對(duì)應(yīng)一個(gè)混合器單位，與噴氨格柵比較，其噴嘴數(shù)量較少，靜態(tài)混合器的特點(diǎn)是混合距離短，易于調(diào)試，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)阻力較大，鋼材耗量也較大。

2.3 紊流板技術(shù)

紊流板技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的較新的混合技術(shù)，系統(tǒng)僅需幾個(gè)噴嘴和少量的紊流板，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、混合距離短、易于調(diào)試、鋼材耗量小，但系統(tǒng)阻力較大。根據(jù)紊流板的形狀可將其分為三角翼形、星形、四角板形等，不論其形狀如何變化，其混合原理相同。

在達(dá)到相同混合效果的條件下，靜態(tài)混合器、紊流板技術(shù)與噴氨格柵相比，靜態(tài)混合器材料耗量與之相似，紊流板技術(shù)材料耗量相對(duì)較少，但靜態(tài)混合器的阻力最大，紊流板技術(shù)的阻力次之，噴氨格柵的阻力最小。由于系統(tǒng)阻力直接影響到鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，該工程在重點(diǎn)考慮系統(tǒng)阻力的影響后，選用噴氨格柵混合技術(shù)。

3 噴氨格柵的設(shè)計(jì)思路

下面以該項(xiàng)目氨噴射系統(tǒng)(低阻力矩齒防磨混合板型噴氨格柵)為例，介紹噴氨格柵的設(shè)計(jì)思路。

3.1 設(shè)計(jì)要求

噴氨格柵的設(shè)計(jì)要滿足脫硝裝置的整體性能要求，某脫硝項(xiàng)目性能要求主要有3個(gè)方面。

(1)噴氨格柵阻力需控制在200 Pa左右，整個(gè)脫硝系統(tǒng)壓力損失不大于790 Pa。

(2)系統(tǒng)最大的噴氨量為309 kg/h(液氨)。

(3)氨、空氣混合氣體與煙氣能夠均勻混合并達(dá)到脫硝裝置中首層催化劑入口處煙氣的分布要求:速度最大偏差≤±10%(均方根偏差率)，溫度最大偏差≤ ±10℃，氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大偏差≤±5%，w(NOx)/w(NH3)最大偏差≤±5%，煙氣入射催化劑角度(與垂直方向的夾角)≤±10°。

3.2 計(jì)算流程

噴氨格柵的計(jì)算流程如下:

(1)根據(jù)鍋爐最大負(fù)荷下的煙氣設(shè)計(jì)條件，計(jì)算氨的噴射流量。

(2)根據(jù)氨的噴射流量，計(jì)算稀釋空氣的流量，噴入的稀釋空氣量要確保氨氣比例不在15%～28%內(nèi)。

(3)確定管道數(shù)量及布置。根據(jù)噴氨格柵與催化劑層之間的距離及彎頭數(shù)量，估算噴氨管道及噴嘴的間距范圍，初步確定噴氨管道數(shù)量及布置。針對(duì)一般的燃煤發(fā)電廠鍋爐，噴氨管道的間距一般選擇小于500 mm，每根噴氨管道上的噴嘴數(shù)量一般為16～18個(gè)。

(4)計(jì)算噴嘴孔徑。在計(jì)算噴嘴孔徑時(shí)，要使噴嘴的噴射高度為1/4的管道間距并調(diào)節(jié)孔徑使噴氨格柵的壓力降在允許范圍內(nèi)。

(5)計(jì)算噴射速率。噴嘴的噴射速率一般為煙氣速度的2～3倍。

(7)確定氨噴射控制區(qū)域。氨噴射控制區(qū)域方向不同，控制區(qū)域數(shù)量也不同。在鍋爐高度、深度方向，從噴氨區(qū)域至催化劑層間距離超過(guò)20 m或超過(guò)2個(gè)煙道彎頭，氨噴射控制區(qū)域需要布置2個(gè)或3個(gè);在鍋爐寬度方向，氨噴射控制區(qū)域需要布置6～10個(gè)。

(8)最后計(jì)算管道直徑。噴氨格柵管道直徑計(jì)算完畢后，要確保管中介質(zhì)流速低于10 m/s。

上述設(shè)計(jì)過(guò)程是個(gè)循環(huán)計(jì)算的過(guò)程，如噴出氨氣的設(shè)計(jì)速度過(guò)高，或者噴氨格柵的設(shè)計(jì)壓降過(guò)大，都要重新返回計(jì)算。

3.3 初步設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行噴氨格柵初步設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中還要注意以下3個(gè)方面:

(1)噴氨格柵要有好的噴氨調(diào)節(jié)能力，需采用分區(qū)控制方式，每個(gè)分區(qū)的噴氨流量根據(jù)煙氣中氮氧化物的濃度分布單獨(dú)調(diào)節(jié)，使得噴入的氨量與煙氣中的氮氧化物分布相匹配并考慮氨噴射區(qū)域煙氣流動(dòng)偏角。

(2)如果噴氨格柵的管道間距比較小，可將噴氨管道布置成2排，這樣布置有利于減少由防磨板造成的噴氨格柵的壓降。

在我國(guó)現(xiàn)下的農(nóng)村土地利用規(guī)劃當(dāng)中，很多規(guī)劃仍然需要進(jìn)一步的探究以及完善。我國(guó)的土地規(guī)劃體系目前已經(jīng)形成了國(guó)家、省、市、縣、鄉(xiāng)五級(jí)，而且在鄉(xiāng)鎮(zhèn)這一級(jí)的規(guī)劃當(dāng)中，也在逐步的將其規(guī)劃在實(shí)施層面的重要部分。但是有關(guān)于農(nóng)村土地如何進(jìn)行恰當(dāng)組織以及有效利用的規(guī)劃的理論仍然不夠成熟，相關(guān)技術(shù)仍然處于摸索的階段。一些相應(yīng)的土地利用的規(guī)劃編制仍然處于實(shí)行的階段，大多數(shù)都是對(duì)一些試點(diǎn)村進(jìn)行實(shí)施的，這樣的個(gè)案研究顯然存在特殊性。就目前來(lái)看，我國(guó)的土地利用規(guī)劃的體系當(dāng)中，對(duì)涉及到村一級(jí)的規(guī)劃仍然不夠明確，在新農(nóng)村的土地利用規(guī)劃時(shí)，仍然存在以下問(wèn)題。

(3)為了防止煙塵對(duì)金屬束的磨損，在金屬管道前增加了防磨板。這樣，既保護(hù)了管道和噴嘴的磨損，又對(duì)氨氣與煙氣的混合有一定的促進(jìn)作用。

3.4 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算程序，某項(xiàng)目噴氨格柵的初步設(shè)計(jì)已完成。噴氨格柵布置在省煤器出口(脫硝入口)水平段煙道上，此段煙道截面為3.6 m×10.0 m左右，此段距離脫硝反應(yīng)器催化劑層較遠(yuǎn)，有利于煙氣與氨氣的充分混合，具體的位置如圖1所示。

噴氨格柵管道與煙氣的流動(dòng)方向垂直布置，噴嘴的方向與煙氣流動(dòng)方向垂直線的夾角θ為45°，噴氨格柵噴嘴示意圖如圖2所示。

噴氨格柵初步按照每個(gè)煙道前、后2排布置，每排布置15根管道，每根管道分上、下2個(gè)控制區(qū)，有20個(gè)噴嘴，每個(gè)煙道共布置30根管道，共有600個(gè)噴嘴。其具體布置如圖3所示。

4 試驗(yàn)及工程驗(yàn)證

噴氨格柵初步設(shè)計(jì)完畢后，需要經(jīng)過(guò)CFD數(shù)值模擬及物理模型驗(yàn)證，以保證設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)性能的要求。驗(yàn)證過(guò)程分3個(gè)步驟。

(1)根據(jù)初步設(shè)計(jì)結(jié)果，建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)數(shù)值模型，如圖4所示。

(2)根據(jù)項(xiàng)目要求，通過(guò)CFD數(shù)值模擬驗(yàn)證煙氣到達(dá)反應(yīng)器入口時(shí)的速度偏差、入射催化劑與垂直方向的最大偏角、溫度偏差、氨濃度分布偏差、NH3/NOx摩爾比分布均勻度、壓力損失等性能要求。

(3)CFD計(jì)算滿足項(xiàng)目性能要求后，再進(jìn)行1∶10或1∶15的物理模型驗(yàn)證。

該項(xiàng)目根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果，在設(shè)計(jì)條件下，噴氨格柵局部的壓力損失為350～450 Pa，超出預(yù)期設(shè)計(jì)值200Pa左右，其噴氨格柵壓力損失計(jì)算結(jié)果如下:CFD數(shù)值模擬中壓力測(cè)量位置為圖5中箭頭所指平面，其中噴氨格柵上游截面總壓平均值為pSQ=585.82Pa(相對(duì)壓力)，下游截面總壓平均值為pXQ=146.71Pa(相對(duì)壓力)，噴氨格柵的壓力降為ΔpAIG=585.82 －146.71=439.11(Pa)。

CFD數(shù)值模擬中，壓力測(cè)量位置及噴氨格柵上、下游全壓分布圖如圖6所示。

圖3 某項(xiàng)目噴氨格柵布置圖(僅示前排)

圖4 某項(xiàng)目CFD數(shù)值模型

圖5 CFD計(jì)算中壓力測(cè)量位置圖

根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果分析，由于該項(xiàng)目省煤器出口段煙道受結(jié)構(gòu)限制截面尺寸偏小，為3.6 m×10.0m，煙氣速度偏高超過(guò)30 m/s，因此產(chǎn)生了較大煙氣阻力。為了減少噴氨格柵處煙氣阻力，設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)多次核算并優(yōu)化，最終確定采取以下措施:

(1)擴(kuò)大煙道截面至3.8m×10.0m，以降低煙氣速度;

(2)采用鋸齒形防磨板結(jié)構(gòu)噴氨格柵。

防磨板采用矩齒形，齒形突出部分與管道上的噴嘴對(duì)應(yīng)，齒高通常高出噴嘴在格柵截面的投影高度為5～10mm，這樣，既對(duì)噴嘴和金屬管道起到了防磨保護(hù)作用，還能降低壓降到要求的范圍內(nèi)，從而保證整個(gè)脫硝裝置的壓力降在790Pa之下。

優(yōu)化后的鋸齒形防磨板結(jié)構(gòu)噴氨格柵的具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。在實(shí)際工程中，噴氨格柵及控制閥門蓋帽照片如圖8所示。

設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后，要重新進(jìn)行CFD流場(chǎng)模型驗(yàn)證，最終結(jié)果為:脫硝系統(tǒng)的壓力損失約為447.7 Pa(不包含催化劑壓降)，其中噴氨格柵的壓降損失為217.9 Pa，若系統(tǒng)加上催化劑壓降，每層催化劑按照140Pa計(jì)算，脫硝系統(tǒng)總壓力損失為:447.7+280=727.7(Pa)，小于系統(tǒng)性能保證值790Pa。

速度偏差驗(yàn)證:噴氨格柵處的速度矢量分布圖如圖9所示。催化劑入口處的速度分布在整個(gè)截面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差為9%，該值≤±10%(均方根偏差率)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 噴氨格柵上、下游全壓分布圖

氨濃度分布驗(yàn)證:催化劑層入口處氨的濃度分布如圖10所示。圖10中最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3%，滿足氨濃度最大偏差≤±5%的設(shè)計(jì)要求。

入射催化劑角度驗(yàn)證:催化劑層入口處，煙氣入射催化劑角度采用物理模型視覺(jué)評(píng)估方式，其流動(dòng)偏角如圖11所示。目測(cè)催化劑入口處的入射角度與垂直方向夾角≤±10°，滿足設(shè)計(jì)要求。

溫度偏差驗(yàn)證:催化劑入口處溫度分布如圖12所示。根據(jù)圖12中顯示的結(jié)果，催化劑上游熱力學(xué)溫度偏差最大值比平均值大9.90K，最小值比平均值小7.27K，溫度最大偏差≤±10.00K，滿足設(shè)計(jì)要求。

其他驗(yàn)證如NOx/NH3分布、灰沉積分布也均滿足設(shè)計(jì)要求。

驗(yàn)證結(jié)果證實(shí)，采用這種新型低阻力矩齒防磨混合板型噴氨格柵后，混合后的煙氣分布效果及壓力損失均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

該脫硝項(xiàng)目自2009年6月正式投運(yùn)以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)反饋回來(lái)的信息是脫硝系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，整體脫硝裝置運(yùn)行正常，噴氨混合效果良好，脫硝效率高于性能指標(biāo)，#3機(jī)組性能驗(yàn)收?qǐng)?bào)告見(jiàn)表3。

圖9 噴氨格柵處的速度矢量分布圖

圖10 催化劑入口處氨濃度分布圖

圖11 催化劑入口處布條流動(dòng)偏角

圖12 催化劑入口處溫度分布(與該截面的平均溫度的偏差)

表3 #3機(jī)組性脫硝系統(tǒng)性能檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

CFD流場(chǎng)模型驗(yàn)證及工程實(shí)踐驗(yàn)證結(jié)果表明，低阻力矩齒防磨混合板型噴氨格柵能有效降低脫硝系統(tǒng)阻力，從而降低了機(jī)組運(yùn)行電耗，提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，滿足了脫硝工程中噴氨混合的需要。目前，這種新型噴氨格柵也已應(yīng)用到其他脫硝項(xiàng)目中，性能和技術(shù)參數(shù)均能達(dá)到系統(tǒng)要求，用戶反映良好。

［1］王永泉，宋正華.火電廠煙氣脫硝關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化創(chuàng)新［J］.中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2009(12):35 －36.

［2］孫克勤，秦鐘.火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］張強(qiáng).燃煤電站SCR煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］雷達(dá)，金保生.噴氨格柵處煙氣速度場(chǎng)對(duì)高效SCR均流與還原劑混合性能的影響［J］.熱能動(dòng)力工程，2009(1):113－119.

［5］GB 13223—2003，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］李建瀏，胡永鋒，陶愛(ài)平，等.SCR法煙氣脫硝的噴氨格柵裝置:中國(guó)，ZL 2009 2 0110414.4［P］.2010 －05 －12.