姜宇鶴 孔祥隆 杜智永

華電章丘發(fā)電有限公司 山東 濟(jì)南 250200

引言

火電廠鍋爐的煙氣脫硝系統(tǒng)主要針對(duì)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的污染性煙氣進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，從而降低其中的氮氧化物含量，是鍋爐運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生煙氣到排放至大氣中的中間環(huán)節(jié)，對(duì)于環(huán)境保護(hù)起著至關(guān)重要的作用。目前被廣泛應(yīng)用的是SCR煙氣脫硝工藝，主要由還原劑制備系統(tǒng)以及脫硝反應(yīng)系統(tǒng)兩大結(jié)構(gòu)組成，還原劑的制備即液態(tài)氨的制備過(guò)程，脫硝反應(yīng)系統(tǒng)則是指具體的催化優(yōu)化過(guò)程。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中主要包括以下環(huán)節(jié)，首先需要進(jìn)行液態(tài)氨的準(zhǔn)備和儲(chǔ)存，之后將液態(tài)氨水進(jìn)行高溫蒸發(fā)，并和提前輸入到脫硝系統(tǒng)中的空氣進(jìn)行有效的混合處理，并將混合充分之后的氣體向脫硝系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的噴灑，從而使混合氣體和需要進(jìn)行優(yōu)化處理的煙氣進(jìn)行有效的混合，有利于兩者在催化劑的表面進(jìn)行有效的分布和充分的反應(yīng)，從而完成煙氣的脫硝處理。

目前而言，最為有效的做法是對(duì)火力發(fā)電廠的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。這一過(guò)程涉及調(diào)整噴氨網(wǎng)，以提高尾煙的脫硫效率，從而降低氨氣的外泄水平，確保機(jī)組能夠穩(wěn)定而安全地運(yùn)行。這項(xiàng)優(yōu)化不僅有益于環(huán)境，還有助于提升整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的性能。在實(shí)際操作中，已經(jīng)有一些成功的案例，展示了這一優(yōu)化策略在改善排放控制和設(shè)備運(yùn)行方面的顯著效果。煙氣脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化的問(wèn)題。

1.1 鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)噴氨冷態(tài)調(diào)整不科學(xué)

在鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)中，由于催化劑管理不當(dāng)，導(dǎo)致催化劑的使用壽命顯著縮短，進(jìn)而增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，不利于火電廠的經(jīng)濟(jì)效益提升。同時(shí)，設(shè)備內(nèi)部可能積聚灰塵并出現(xiàn)過(guò)度磨損問(wèn)題，對(duì)脫硝的有效性產(chǎn)生負(fù)面影響。這些問(wèn)題的存在嚴(yán)重影響了火電廠鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行效率，對(duì)煙氣脫硝的質(zhì)量控制起到了不利作用。因此，必須對(duì)噴氨冷態(tài)進(jìn)行優(yōu)化與改善，以促進(jìn)鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.2 鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)噴氨熱態(tài)調(diào)整不到位

火電廠鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)的噴氨熱態(tài)調(diào)整優(yōu)化是指在高溫環(huán)境下進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。由于目前在噴頭處液態(tài)氨水的蒸發(fā)氣體和空氣的混合物不能有效分布和噴射，導(dǎo)致部分氨元素組成的氣體在反應(yīng)過(guò)程中逃逸，降低了液態(tài)氨水的還原性作用發(fā)揮，對(duì)煙氣的脫硝效率和質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，應(yīng)進(jìn)行熱態(tài)調(diào)整優(yōu)化，以提高煙氣脫硝的有效性。

2 SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化研究

2.1 機(jī)組概況介紹

“2+1”結(jié)構(gòu)的催化劑設(shè)計(jì)，下部設(shè)有后備層，并配備了耙式半收縮式蒸汽吹灰機(jī)。隨著環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的提高，除硝裝置面臨越來(lái)越大的壓力，因?yàn)樗粌H難以滿足更為嚴(yán)格的環(huán)保需求，還出現(xiàn)了氨耗量增大和空預(yù)器堵塞等問(wèn)題[1]。

通過(guò)對(duì)該公司3號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)歷史監(jiān)測(cè)資料的分析，發(fā)現(xiàn)其氨耗較高，并存在嚴(yán)重的空預(yù)器堵塞問(wèn)題。問(wèn)題的根本原因在于噴氨流場(chǎng)分布不均勻，導(dǎo)致空預(yù)器堵塞，從而增加了脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。隨著環(huán)境法規(guī)的不斷升級(jí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整勢(shì)在必行，以滿足更高的環(huán)保要求并降低運(yùn)營(yíng)成本。

2.2 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)建模

2.2.1 數(shù)學(xué)模型建立。該脫硝系統(tǒng)由煙道，噴氨格柵，反應(yīng)器，催化劑層組成，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為3號(hào)機(jī)組，在均布格柵下面的反應(yīng)器主體中，設(shè)置了3個(gè)分層的催化劑。該反應(yīng)器主體長(zhǎng)度11800mm，反應(yīng)器主體高15000mm，寬19000mm，總高度53000mm。

煙道出口等部位采用四邊格子，氨氣格柵、煙道拐角紊流區(qū)和催化劑段采用六邊形網(wǎng)格，并通過(guò)尺度函數(shù)對(duì)其進(jìn)行了局部加密，從計(jì)算精度和時(shí)間上綜合考慮，選擇了253萬(wàn)個(gè)脫硝系統(tǒng)[2]。

2.2.2 物理模型建立。脫硝系統(tǒng)構(gòu)建精良，包括煙道、噴氨格柵、反應(yīng)器以及催化劑層。針對(duì)3號(hào)機(jī)組，反應(yīng)器主體在均布格柵下方精心設(shè)計(jì)，催化劑分為3個(gè)層次。反應(yīng)器主體長(zhǎng)達(dá)11800mm，高度達(dá)15000mm，寬度達(dá)19000mm，總高度達(dá)53000mm。

為了優(yōu)化流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，煙道出口等關(guān)鍵部位采用了四邊格子的設(shè)計(jì)，而氨氣格柵、煙道拐角紊流區(qū)和催化劑端則采用了六邊形網(wǎng)格。通過(guò)尺度函數(shù)的局部加密，系統(tǒng)在計(jì)算精度和時(shí)間效率之間取得了平衡。為了達(dá)到更高的計(jì)算精度和穩(wěn)定性，我們選擇了龐大的253萬(wàn)個(gè)脫硝系統(tǒng)。

這樣的設(shè)計(jì)不僅令系統(tǒng)在處理反應(yīng)過(guò)程中更為高效，而且在實(shí)驗(yàn)對(duì)象3號(hào)機(jī)組的操作中，為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定而可靠的性能。

2.2.3 仿真計(jì)算邊界條件[3]。①反應(yīng)器模型的構(gòu)造對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響未被考慮。②3個(gè)催化劑的分層分布是均勻的，并且在各個(gè)位置上的化學(xué)反應(yīng)速度都是一樣的。③將反應(yīng)器與外部的熱量隔離。④煙氣進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣溫度、速度應(yīng)均勻分布，并與從反應(yīng)器中排出的煙氣溫度、速度相一致。⑤反應(yīng)速度與壓力的關(guān)系未被考慮。⑥煙氣中僅含有 NO、SO2、H2O、N2，O2、CO2。

（1）反應(yīng)器模型的構(gòu)造對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響未被考慮。

（2）3個(gè)催化劑的分層分布是均勻的，并且在各個(gè)位置上的化學(xué)反應(yīng)速度都是一樣的。

（3）將反應(yīng)器與外部的熱量隔離。

（4）煙氣進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣溫度、速度應(yīng)均勻分布，并與從反應(yīng)器中排出的煙氣溫度、速度相一致。

（5）反應(yīng)速度與壓力的關(guān)系未被考慮。

（6）煙氣中僅含有 NO、SO2、H2O、N2、O2、CO2。

3 SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化研究

經(jīng)過(guò)對(duì)流場(chǎng)的優(yōu)化，問(wèn)題已經(jīng)有了一些改善，盡管并沒(méi)有完全解決。通過(guò)對(duì)噴氨格柵結(jié)構(gòu)的調(diào)整、濃度場(chǎng)的優(yōu)化、噴氨閥的調(diào)整以及AIG氨氣閥的調(diào)整等措施，可以有效降低SCR煙氣脫硫系統(tǒng)的氨耗。這些調(diào)整和優(yōu)化不僅有助于提高脫硫效率，而且能夠在一定程度上減輕系統(tǒng)運(yùn)行成本。

3.1 濃度場(chǎng)問(wèn)題分析

通過(guò)介紹SCR煙氣脫硝原理及硫酸氫銨生成機(jī)理，來(lái)對(duì)濃度場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行分析。

3.1.1 數(shù)學(xué)模型建立[4]。在SCR反應(yīng)器中，流動(dòng)介質(zhì)主要由大量煙氣、NH3和O2組成，因此，我們?cè)诒疚闹袑?duì)其混合性能進(jìn)行了詳盡的分析?；谶@一模型，我們進(jìn)行了一系列關(guān)于不同氣體成分的化學(xué)反應(yīng)計(jì)算，通常以混合料的形式進(jìn)行。通過(guò)這些計(jì)算，我們能夠更全面地了解不同成分在反應(yīng)器中的相互作用，為優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程提供了有力的數(shù)據(jù)支持。這種深入的分析為SCR系統(tǒng)的性能提升和操作優(yōu)化提供了關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)。

3.1.2 邊界條件設(shè)定。邊界條件按照第3章第3節(jié)的規(guī)定進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，添加了 AIG噴頭轉(zhuǎn)速和SO2與NH3反應(yīng)生成硫酸氫銨的化學(xué)反應(yīng)。如表1、2所示。

表1 煙氣成分

表2 邊界條件

3.1.3 濃度場(chǎng)結(jié)果分析。在系統(tǒng)分析中，我們觀察到部分區(qū)域的噴氨量相對(duì)較小，由此導(dǎo)致該區(qū)域的NOx無(wú)法經(jīng)歷充分的脫硝化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過(guò)初步推斷，我們得出結(jié)論，這種不均勻的氨氮摩爾比分布是導(dǎo)致濃度場(chǎng)不均勻的主要原因之一。換言之，系統(tǒng)中氨氣的分布不均勻直接影響了脫硝反應(yīng)的效果。

為了解決這一問(wèn)題，應(yīng)該著手對(duì)脫硝系統(tǒng)的濃度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。這可能包括調(diào)整噴氨裝置，改善氨氣在系統(tǒng)中的流動(dòng)性，以確保在整個(gè)系統(tǒng)中形成更加均勻的氨氮摩爾比分布。通過(guò)優(yōu)化濃度場(chǎng)，我們有望提高脫硝系統(tǒng)的整體效率，確保在各個(gè)區(qū)域都能夠?qū)崿F(xiàn)充分的脫硝反應(yīng)，從而最大限度地減少NOx排放。這一優(yōu)化策略將有助于提高系統(tǒng)性能，降低運(yùn)行成本，并更好地滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 噴氨系統(tǒng)優(yōu)化方案

對(duì)噴氨格柵結(jié)構(gòu)的改造、噴氨閥門的更換、安裝靜態(tài)混合管的改造，實(shí)現(xiàn)了濃度場(chǎng)的優(yōu)化。具體的優(yōu)化方法是：

3.2.1 氨氣噴淋格柵的改進(jìn)。在原來(lái)的氨氣格柵基礎(chǔ)上，對(duì)7排噴頭進(jìn)行了改進(jìn)，在每排噴頭的上部增加了8排噴氨管，每排噴氨管具有4個(gè)小噴頭，也就是說(shuō)，從原來(lái)的噴頭改為8個(gè)噴頭。

提高了煙道中的氨氣濃度，提高了氨氣和煙塵的混合度。噴氨管長(zhǎng)度為1062mm，直徑為63.5mm。

3.2.2 噴氨閥門改造。在噴氨閥門改造方面，氨化格柵氨氣調(diào)節(jié)閥原本是一種傳統(tǒng)的蝶形閥門。然而，蝶閥在流量調(diào)節(jié)方面表現(xiàn)不佳，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用容易導(dǎo)致腐蝕，從而影響其靈敏度[5]。相比之下，截止閥是一種閥門，使啟閉器沿著閥座中心線運(yùn)動(dòng)。它不僅具有良好的關(guān)閉性能，還具有低靈敏度和低壓差的特點(diǎn)，特別適用于流量調(diào)整。通過(guò)對(duì)原閥和蝶閥進(jìn)行改造，引入了具有高靈敏度的截流閥，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)液氨系統(tǒng)的精密調(diào)整。

3.2.3 增加靜態(tài)混合管。為了提高氨氣與煙氣的接觸面積并增加氨氣與煙氣的混合度，在噴氨格柵上方安裝了兩排靜態(tài)混合管。這項(xiàng)改進(jìn)旨在優(yōu)化氨氣與煙氣之間的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)增加混合管的數(shù)量，進(jìn)一步提高了反應(yīng)效率。

3.3 AIG氨氣閥門的調(diào)節(jié)優(yōu)化

3.3.1 AIG氨氣閥門優(yōu)化方案。在AIG氨氣閥門的調(diào)節(jié)優(yōu)化中，通過(guò)改變噴氨網(wǎng)和噴氨閥，對(duì)AIG氨氣閥進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳的濃度場(chǎng)?？紤]到煙氣轉(zhuǎn)角的擾動(dòng)，在均勻格柵下、催化劑一層上、催化劑二層上、催化劑三層上的4個(gè)觀察面上進(jìn)行了調(diào)整。

3.3.2 AIG氨氣閥門優(yōu)化結(jié)果分析。通過(guò)對(duì)氨氣流量的優(yōu)化，改善了濃度場(chǎng)的均勻性。同時(shí)，NH3和NOx的濃度分布也變得更加均勻。氨氮摩爾比例的分布也變得更加均勻，從最優(yōu)的0.51。這一優(yōu)化帶來(lái)了脫硫效果的改善，降低了氨耗。噴氨流速的優(yōu)化不僅改善了NH3、NOx濃度場(chǎng)的均勻分布，還有助于提高NH3、NOx的濃度分布，從而實(shí)現(xiàn)了降低氨耗的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家環(huán)保法規(guī)的不斷頒布和全國(guó)范圍內(nèi)環(huán)保意識(shí)的逐漸提升，燃煤電廠迫切需要朝著高效、低成本、低污染的方向邁進(jìn)。當(dāng)前，SCR脫硫技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但要實(shí)現(xiàn)更大的突破和創(chuàng)新，需要根據(jù)不同電廠的具體情況進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和定制。

在未來(lái)的發(fā)展中，我們可以期待更多節(jié)能、環(huán)保的低NOx排放技術(shù)將成為火力發(fā)電廠關(guān)注和采用的焦點(diǎn)。這不僅是對(duì)環(huán)境的積極響應(yīng)，也是符合社會(huì)對(duì)清潔能源和可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。在這個(gè)變革的時(shí)代，電廠將不斷尋求先進(jìn)技術(shù)和創(chuàng)新解決方案，以確保其在能源行業(yè)的可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先地位。

本文所述的技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化方案是這一發(fā)展趨勢(shì)的具體體現(xiàn)，通過(guò)對(duì)閥門系統(tǒng)和氨氣處理過(guò)程的精密調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了更高效、更環(huán)保的運(yùn)行。這不僅是對(duì)環(huán)保法規(guī)的主動(dòng)響應(yīng)，也是電廠在提升生產(chǎn)效益的同時(shí)，對(duì)可持續(xù)發(fā)展責(zé)任的積極履行。

綜上所述，燃煤電廠在追求高效清潔能源的同時(shí)，通過(guò)不斷創(chuàng)新和改進(jìn)技術(shù)，將為實(shí)現(xiàn)更環(huán)保、更可持續(xù)的能源生產(chǎn)貢獻(xiàn)力量。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以期待更多先進(jìn)的、綠色的解決方案將推動(dòng)整個(gè)能源行業(yè)朝著更加可持續(xù)的未來(lái)邁進(jìn)。