林青

(華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453635)

1 設(shè)備概況

華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱新鄉(xiāng)公司)2臺(tái)鍋爐為東方鍋爐集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的單爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、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型布置的超臨界壓力變壓運(yùn)行直流鍋爐。鍋爐尾部煙道布置脫硝系統(tǒng)，采用高灰型選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝工藝，脫硝系統(tǒng)入口煙氣含塵質(zhì)量濃度≤44.9 g/m3，NH3/NOx比不超過(guò)保證值0.84條件下，脫硝效率≥92.3%，氨逃逸量≤2.28 mg/m3，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%。

2 研究意義

煙氣流場(chǎng)不均問(wèn)題為大多數(shù)電廠的共性問(wèn)題，其影響如下。

(1)SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)不均，造成脫硝噴氨不均，噴氨量增大，液氨消耗量增加。

(2)SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸率升高，硫酸氫銨的生成量增加，容易造成空氣預(yù)熱器腐蝕堵塞。

(3)SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣流速高區(qū)域容易造成脫硝催化劑磨損，流速過(guò)低區(qū)域容易造成脫硝催化劑堵塞。

(4)SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣流速高區(qū)域容易造成噴氨格柵噴嘴磨損，流速過(guò)低區(qū)域容易造成噴氨格柵噴嘴堵塞[1-5]。

3 SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)均勻性分析

SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)均勻性檢查主要采用機(jī)組運(yùn)行期間試驗(yàn)及機(jī)組停運(yùn)期間內(nèi)部檢查相結(jié)合的方式進(jìn)行。

(1)采用網(wǎng)格法測(cè)量100%，75%，50% 3種負(fù)荷率工況下SCR脫硝系統(tǒng)入口煙道各點(diǎn)的煙氣流速、壓力、溫度和氧量，SCR脫硝系統(tǒng)出入口煙道內(nèi)NOx質(zhì)量濃度分布情況。

(2)機(jī)組停運(yùn)期間檢查，主要為進(jìn)入SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)部，通過(guò)噴氨格柵噴嘴積灰及磨損位置、脫硝入口煙道積灰分布位置、脫硝催化劑等綜合分析脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣流速分布情況[6]。全面檢查噴氨格柵噴嘴情況如圖1— 6所示。

圖1 噴氨格柵下部(積灰少，局部有磨損)Fig.1 The lower part of the ammonia-injecting grid(with little ash and local wear)

圖2 噴氨格柵上部(積灰多，未見(jiàn)磨損)Fig.2 The upper part of the ammonia-injecting grid(with accumulated ash and no wear)

圖3 第1層催化劑上前部整流格柵(灰少)Fig.3 Fore rectifier grid on the first-layer catalyst(little ash)

圖4 第1層催化劑上后部整流格柵(灰多)Fig.4 Rear rectifier grid on the first-layer catalyst(much ash)

圖5 靠前煙道脫硝催化劑底部存在磨損Fig.5 Abrasion at the bottom of denitration catalyst in fore flue duct

分析機(jī)組停運(yùn)期間脫硝系統(tǒng)內(nèi)部檢查情況，可得出如下結(jié)論。

(1)根據(jù)脫硝系統(tǒng)噴氨格柵下部積灰少、局部有磨損和脫硝系統(tǒng)噴氨格柵上部積灰多、未見(jiàn)有磨損的現(xiàn)象，判斷噴氨格柵前水平煙道處上部煙氣流速低、下部煙氣流速高[7]。

(2)根據(jù)第1層催化劑上前部整流格柵積灰少、后部整理格柵積灰多的現(xiàn)象，判斷第1層催化劑上部煙氣流速靠近部分流速高、靠后部分流速低[8-10]。

(3)根據(jù)靠前煙道脫硝催化劑底部存在磨損、靠后煙道脫硝催化劑底部正常無(wú)磨損的現(xiàn)象，判斷脫硝催化劑區(qū)域靠前煙道煙氣流速高，靠后煙道煙氣流速低。

4 煙氣流場(chǎng)數(shù)值模擬和物理模擬

按照新鄉(xiāng)公司脫硝系統(tǒng)的實(shí)際尺寸，1∶1進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建模計(jì)算。建模網(wǎng)格總數(shù)為337萬(wàn)，99.99%的網(wǎng)格扭曲度在0.82以下，網(wǎng)格的最大扭曲度僅為0.91。速度場(chǎng)偏差和NH3/NOx比偏差的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在第1層催化劑上面300 mm處。采用FLUENT軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，按照脫硝裝置的實(shí)際尺寸1∶1進(jìn)行建模計(jì)算[11]。為便于計(jì)算，作如下假設(shè)。

圖6 靠后煙道脫硝催化劑底部正常無(wú)磨損Fig.6 No abrasion at the bottom of denitration catalyst in rear flue duct

(1)將煙氣視為不可壓縮牛頓流體。

(2)系統(tǒng)絕熱。

(3)省煤器入口煙氣流場(chǎng)分布均勻。

(4)不考慮化學(xué)反應(yīng)。

(5)將催化劑層設(shè)為多孔介質(zhì)。

(6)不考慮混合器及煙道內(nèi)壁面的摩擦。

基于上述假設(shè)，在計(jì)算中采用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能(k)方程、湍流動(dòng)能耗散率(ε)方程、組分方程、能量方程。速度場(chǎng)偏差和NH3/NOx比偏差的監(jiān)測(cè)面設(shè)置在第1層催化劑上面300 mm處，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)的位置相同。在求解過(guò)程中，采用松弛迭代的變松弛系數(shù)法，采用一階迎風(fēng)差分，壓力-速度的耦合方式為SIMPLIC算法[12]，不同情況下的速度場(chǎng)分析如圖7— 9所示。

圖7 無(wú)氨煙混合擾流器Fig.7 Ammonia-free mixed flow spoiler

圖8 方形氨煙混合擾流器Fig.8 Rectangular ammonia-smoke mixed flow spoiler

圖9 圓形氨煙混合擾流器Fig.9 Circular ammonia-smoke mixed flow spoiler

對(duì)3個(gè)工況下的SCR脫硝系統(tǒng)阻力和單個(gè)混合器阻力進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。加裝混合器之后不可避免地會(huì)增加系統(tǒng)阻力，其中加裝方形葉片混合器增加了115 Pa，圓形葉片混合器增加了80 Pa，分別較原有系統(tǒng)阻力增加了11.7%和8.2%，增加幅度較?。挥?jì)算單個(gè)混合器的阻力可知，方形葉片混合器阻力為185 Pa，圓形葉片混合器阻力為155 Pa，其阻力大于加裝混合器之后系統(tǒng)增加的阻力，可推知加裝混合器之后，雖然混合器本體阻力增加，但其改善了系統(tǒng)其他區(qū)域的流場(chǎng)，使煙氣阻力下降，抵消了部分混合器本體所增加的阻力，其中方形葉片混合器抵消了70 Pa的阻力，圓形葉片混合器抵消了75 Pa的阻力。 因此，圓形葉片混合器在阻力方面的表現(xiàn)較方形葉片混合器更佳[13]。

表1 不同工況下的阻力情況Tab.1 Resistance under different working conditions Pa

根據(jù)以上對(duì)比，可得出如下結(jié)論。

(1)氨煙混合裝置對(duì)速度偏差的改善能力弱，其與葉片形狀有密切關(guān)系，不合適的葉片形狀選擇會(huì)使煙氣的速度場(chǎng)均勻性變差。

(2)氨煙混合裝置對(duì)NH3/NOx比的分布均勻性改善能力較強(qiáng)，可使第1層催化劑前的 NH3/NOx比偏差降低40%以上，其改善能力與葉片形狀關(guān)系較小。

(3)加裝氨煙混合裝置會(huì)增加脫硝系統(tǒng)阻力，但其會(huì)改善其他區(qū)域的流場(chǎng)來(lái)降低本身阻力帶來(lái)的影響，其中圓形葉片混合器所增加的阻力較方形葉片混合器小。

綜上所述， 圓形葉片氨煙混合擾流器較方形葉片氨煙混合擾流器更適用于脫硝系統(tǒng)。

當(dāng)物理模擬SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)煙氣流量偏差超過(guò)10%時(shí)，則重新進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算情況優(yōu)化導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，再次進(jìn)行物理模擬，直至達(dá)到流量偏差在10%以內(nèi)的要求，根據(jù)最終模擬情況進(jìn)行導(dǎo)流板調(diào)整，采用導(dǎo)流板布局和結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)優(yōu)化。采用FLUENT軟件對(duì)加裝圓形葉片的氨煙混合擾流發(fā)生器后的預(yù)計(jì)效果進(jìn)行模擬，煙道內(nèi)流線圖如圖10所示。

圖10 脫硝系統(tǒng)入口煙道煙氣流線圖Fig.10 Flue gas flow chart at denitration inlet

5 氨煙混合擾流實(shí)踐應(yīng)用

結(jié)合#2機(jī)組大修，在#2機(jī)組脫硝系統(tǒng)噴氨格柵后加裝圓形氨煙混合擾流發(fā)生器。對(duì)脫硝系統(tǒng)入口煙道進(jìn)行實(shí)際勘察發(fā)現(xiàn)，噴氨格柵后的煙道支撐比較密集，需要割除一組煙道支撐。用氨煙混合擾流器代替割除的支撐，安裝完成后對(duì)煙道的受力不會(huì)造成影響。如圖11所示，擾流器具體安裝位置在噴氨格柵后1.5 m處，圓形葉片氨煙混合裝置的葉片直徑為700 mm，偏斜角度均為45°，將靜態(tài)混合器兩端焊在煙道上下兩側(cè)，所有部件保持水平誤差10 mm。

6 開(kāi)展SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整

優(yōu)化SCR脫硝系統(tǒng)噴氨均勻性。組織開(kāi)展噴氨優(yōu)化試驗(yàn)，確定脫硝系統(tǒng)氮氧化物數(shù)值，通過(guò)調(diào)整就地噴氨調(diào)門調(diào)整脫硝系統(tǒng)兩側(cè)噴氨均勻，調(diào)整前后情況見(jiàn)表2，實(shí)現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)噴氨準(zhǔn)確性、均勻性，減少過(guò)噴、少噴、漏噴現(xiàn)象[14-15]。

圖11 氨煙混合擾流器安裝后Fig.11 Photos after installation of ammonia-smoke mixed flow spoiler

表2 噴氨優(yōu)化調(diào)整前后脫硝系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of the denitration system before and after ammonia-injection optimized adjustment

7 結(jié)論

(1)在300 MW工況下，#2機(jī)組脫硝系統(tǒng)噴氨量下降22.4%，16.6%，10.9%，平均下降16.6%；在350 MW工況下，#2機(jī)組脫硝系統(tǒng)噴氨量下降15.5%，13.7%，平均下降14.6%；在400 MW工況下，#2機(jī)組脫硝系統(tǒng)噴氨量下降11.4%，19.5%，平均下降15.5%。綜上所述，#2機(jī)組脫硝系統(tǒng)噴氨量平均下降15.6%。

(2)在300 MW工況下，#2機(jī)組脫硝系統(tǒng)阻力增加3.0，48.6 Pa；在350 MW工況下，#2機(jī)組脫硝系統(tǒng)阻力增加8.4，50.3 Pa；在400 MW工況下，#2機(jī)組脫硝系統(tǒng)阻力增加18.6，19.7 Pa。由此可見(jiàn)，#2機(jī)組脫硝系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)優(yōu)化后，脫硝系統(tǒng)煙氣阻力未明顯增加。