摘 要：為提升某660 MW燃煤機組SCR脫硝性能，采用網(wǎng)格法實測機組由高至低4種負(fù)荷下煙道入口流速、濃度等分布，并以此為入口參數(shù)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前煙道首層催化劑前存在流速分布不均、氨氮量不匹配的問題。通過優(yōu)化反應(yīng)器入口導(dǎo)流板來提升首層催化劑前流速分布均勻性，并進(jìn)行智慧噴氨設(shè)計，將原噴氨管路加裝自動調(diào)節(jié)閥門以實現(xiàn)運行中噴氨量的實時調(diào)整。經(jīng)數(shù)值模擬驗證，優(yōu)化設(shè)計方案能夠適應(yīng)不同負(fù)荷下流場變化，各負(fù)荷下首層催化劑前流速分布偏差小于15%，氨氮摩爾比分布偏差小于5%，均滿足流場技術(shù)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：多負(fù)荷；非均勻入口；數(shù)值模擬；流場優(yōu)化；智慧噴氨

中圖分類號：TQ515 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0134-04

Technical improvement and intelligent ammonia injectiondesign of SCR denitrification system for coal-fired units

ZHANG Hejing 1 ，LIN Zengwen 1 ，ZHU Yinfei 1 ，ZENG Zhenrong 1 ，

LI Ying 1 ，TIAN Wei 2 ，LIU Yimiao 2

（1. Fujian Huadian Shaowu Energy Co.，Ltd.，Shaowu 354000，F(xiàn)ujian China；

2. Beijing Newleaf Technology Co.，Ltd.，Beijing 100083，China）

Abstract：In order to improve the SCR denitrification performance of a 660 MW coal-fired unit，the grid methodwas used to measure the distribution of flue inlet flow velocity and concentration under four loads from high to low，and CFD numerical simulation calculation was carried out with this as the inlet parameter，and it was found thatthere were problems of uneven flow velocity distribution and mismatched ammonia nitrogen amount in front of thecatalyst in the first layer of the flue. By optimizing the inlet deflector plate of the reactor to improve the uniformity offlow velocity distribution before the first layer of catalyst，the intelligent ammonia injection design was carried out，and the original ammonia injection pipeline was equipped with an automatic adjustment valve to realize the re?al-time adjustment of the ammonia injection amount during operation. The numerical simulation verificationshowed that the optimized design scheme could adapt to the changes of the flow field under different loads，and thedistribution deviation of the flow velocity before the first layer catalyst under each load was less than 15%，and thedistribution deviation of ammonia nitrogen molar ratio was less than 5%，which meets the requirements of the flowfield technical indicators.

Key words：multi-load；non-uniforminlet；numericalsimulation；flowfieldoptimization；intelligentammoniainjection

氮氧化物是引發(fā)酸雨、二次顆粒物的重要污染物 [1-2] ，燃煤機組目前仍是我國主要的能源供給來源 [3] 。

《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》規(guī)定NO X 排放濃度不得高于50 mg/m 3 。除低氮燃燒之外，燃煤機組大多采用選擇性催化還原法（SCR）對煙氣中NO X 進(jìn)行處理，以氨為還原劑，在催化劑作用下，將高溫?zé)煔庵械腘O X 還原為N 2 和H 2 O [4-5] 。受限于空間位置，SCR脫硝煙道多轉(zhuǎn)折及變徑段，煙氣進(jìn)入反應(yīng)器前的流場均勻性難以保證 [6-10] 。此外，機組運行中面對調(diào)峰，負(fù)荷變化帶來的流場及污染物分布變化，要求SCR煙道流場及還原劑分配具有良好的適應(yīng)性。

研究表明通過計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法對脫硝煙道進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整導(dǎo)流板、混合裝置等能有效提升流場均勻性 [11-14] 。本文以某660 MW機組SCR脫硝系統(tǒng)為研究對象。以實測入口煙氣參數(shù)為邊界條件計算分析多負(fù)荷下煙氣流速、濃度及氨氮摩爾比分布等，對煙道內(nèi)導(dǎo)流裝置進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合智慧噴氨改善首層催化劑前流速及濃度分布均勻性，實現(xiàn)脫硝性能的整體提升，為智慧脫硝應(yīng)用提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究對象

1.1 機組概況

機組鍋爐為DG 1958/28.25—Ⅱ13 型超超臨界變壓直流爐，采用對沖燃燒方式、固態(tài)排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)。SCR反應(yīng)器為雙塔對稱布置，入口為斜向上變徑煙道，截面向外側(cè)漸擴，該位置有2組導(dǎo)流板分別對應(yīng)煙道變化角度，煙道中彎頭處均布置有導(dǎo)流板。氨注射管道位于豎直煙道，其上方布置有混合器，噴嘴的中心與混合器葉片的中心對準(zhǔn)，該位置煙道截面尺寸3.4 m×12.945 m。反應(yīng)器頂部布置一組導(dǎo)流板，反應(yīng)器截面尺寸為11.84m×12.945m，高度為11.845m。反應(yīng)器出口為斜向下煙道至空預(yù)器。

1.2 CFD計算方法

CFD技術(shù)是通過計算機對流體力學(xué)的控制方程進(jìn)行數(shù)值模擬計算。在模擬計算過程中，將煙氣視為不可壓縮流體，定常流動，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，煙氣中多種組分采用組分運輸方程表示，控制方程由質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程組成。

計算域模型包括氨噴射格柵、催化劑層和煙道；其中催化劑層采用多孔介質(zhì)模型定義阻力特性，保證催化劑層壓損與實際一致。

1.3 指標(biāo)定義

采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值評估SCR脫硝系統(tǒng)首層催化劑前流場分布。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（ Cv ）是指標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值，值越小，表示流場均勻性越好。工程設(shè)計中一般要求流速偏差小于15%，氨氮摩爾比偏差小于5%。

1.4 邊界條件

在高、中、低、超低4種負(fù)荷下，實測各負(fù)荷下脫硝系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)，如表1所示。

采用網(wǎng)格法對入口流速、NO X 濃度分布進(jìn)行實測，并以此作為計算域模型的入口參數(shù)，分析機組在各負(fù)荷下流場特征，確保流場優(yōu)化方案對負(fù)荷變化的適應(yīng)性。圖1為計算域入口流速參數(shù)設(shè)置，圖2為計算域入口NO X 質(zhì)量分?jǐn)?shù)參數(shù)設(shè)置。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 流動分析

圖3為不同負(fù)荷下混合器上方截面流速分布圖，各負(fù)荷下流速分布特征類似。混合器旋轉(zhuǎn)葉片使煙氣與氨發(fā)生強制擾流，截面中流速較高的區(qū)域中心與混合器中心位置對應(yīng)。來流煙氣受入口煙道向外側(cè)變徑及內(nèi)部導(dǎo)流板影響，靠近煙道左右墻區(qū)域流域略高。

煙氣自豎直煙道經(jīng)2次翻轉(zhuǎn)進(jìn)入反應(yīng)器，然后流經(jīng)整流格柵進(jìn)入催化劑層。圖4為不同負(fù)荷下首層催化劑前流速分布，可以發(fā)現(xiàn)由混合器所導(dǎo)致的中心高速區(qū)已完全消失，后墻均存在高速區(qū)，前墻存在低速區(qū)，而煙道中心流速相對較低，各負(fù)荷下分布特征一致。說明本煙道中首層催化劑前流速偏差受脫硝系統(tǒng)入口流速偏差影響較小，主要是受煙道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部導(dǎo)流裝置影響。各負(fù)荷下流速相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值也接近，負(fù)荷由高至低其 C V 值分別為22.45%、22.42%、22.39%、22.36%，均大于15%，不滿足流速偏差要求。

不均衡的煙氣量會使催化劑利用率下降，同時高速煙氣會對整流格柵、催化劑層產(chǎn)生沖刷，降低使用壽命。

2.2 濃度分析

首層催化劑前NO X 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖5所示，與圖2對比發(fā)現(xiàn)濃度高低區(qū)域與入口分布基本對應(yīng)。煙氣經(jīng)煙道導(dǎo)流、混合器、整流格柵等裝置后，NO X 分布均勻性有所提升，但大體特征不變，主要是因為煙道中混合器為單噴嘴小尺寸形式，煙氣擾流發(fā)生在小范圍內(nèi)，而導(dǎo)流裝置對煙氣中氣體組分的混合影響較小。

在均勻噴氨時，氨氮摩爾比分布如圖6所示，負(fù)荷由高至低其 C V 值分別為9.09%、5.88%、9.78%、9.41%，均大于5%。氨氮摩爾比分布與NO X 濃度呈明顯的關(guān)聯(lián)性，二者分布大致相反，氨氮摩爾比的分布偏差主要歸因于NO X 分布導(dǎo)致的氨氮量不匹配。進(jìn)入反應(yīng)器后，氨氮摩爾比值較高的區(qū)域，氨量難以完全消耗，在出口極易導(dǎo)致過量的氨逃逸。而氨氮摩爾比值較低的區(qū)域，則無法將煙氣中的NO X 完全反應(yīng)，使脫硝效率下降。

3 優(yōu)化與設(shè)計

3.1 流場優(yōu)化

針對當(dāng)前脫硝煙道流場分布特征，對反應(yīng)器頂部導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化，如圖7所示。反應(yīng)器入口導(dǎo)流板數(shù)量由3塊增加至4塊，且傾角不同，在整流格柵中心偏后墻區(qū)域上方布置導(dǎo)流板，削弱煙氣在慣性作用下的后墻流域趨向性，改善中心區(qū)域流速低的現(xiàn)象。在后墻與頂蓋之間增設(shè)一導(dǎo)流板來消除煙氣聚現(xiàn)象。

3.2 智慧噴氨設(shè)計

均勻噴氨條件下，氨氮摩爾比分布與NO X 濃度值分布高低值相反，說明入口煙道流場對氨的分布無明顯影響，氨氮量不匹配主要受入口NO X 濃度分布不均影響，而SCR入口NO X 依賴于鍋爐燃燒，調(diào)控難度較大且會隨負(fù)荷變化，因此通過調(diào)控氨量進(jìn)而調(diào)整氨氮匹配度更具有可行性。因此對噴氨管路進(jìn)行智慧噴氨設(shè)計，保留原支管手動閥，將兩支管合并為一聯(lián)箱加設(shè)自動調(diào)閥，單側(cè)煙道共8分區(qū)，如圖8中提亮部分管道所示。實際運行中，配置NO X 同步分區(qū)測量儀表，智慧噴氨系統(tǒng)可根據(jù)NO X 濃度分布進(jìn)行實時自動調(diào)整。

4 流場效果分析

4.1 流動分析

為驗證流場效果，采用與優(yōu)化前一致的煙道入口設(shè)置參數(shù)，對優(yōu)化后模型進(jìn)行計算。圖9為首層催化劑前煙氣流速分布圖，各負(fù)荷下靠近后墻的高流速區(qū)及靠近前墻的低流速區(qū)均已消失，流速均勻性明顯提升，負(fù)荷由高至低其 C V 值分別為9.86%、9.94%、10%、9.33%，均滿足小于15%的控制指標(biāo)要求。

4.2 濃度分析

在流場優(yōu)化基礎(chǔ)上，調(diào)整各分區(qū)噴氨量，提高氨氮量匹配度，在混合器的強制擾流下，氨與煙氣充分混合，由高至低4種負(fù)荷下氨氮摩爾比 C V 值分別為3.68%、3.56%、3.27%、3.60%，均小于5%，如圖10所示。說明智慧噴氨設(shè)計能夠應(yīng)對機組運行時由于負(fù)荷、燃燒帶來的波動，適應(yīng)各負(fù)荷下NO X 濃度分布。

5 運行效果分析

流場優(yōu)化及智慧噴氨改造完成后，在650MW、470MW、300 MW穩(wěn)定負(fù)荷下，對出口測點NO X 值濃度進(jìn)行記錄，得到數(shù)據(jù)記錄如圖11所示。各負(fù)荷下，SCR出口各測點NOX濃度分區(qū)都較均勻，無明顯偏差，且NO X 濃度均值小于規(guī)范要求，說明改造之后脫硝運行符合預(yù)期效果。

6 結(jié)語

（1）采用實測不同負(fù)荷下非均勻入口參數(shù)進(jìn)行CFD流場仿真可以更加全面得了解煙道流場分布的共性及差異性，進(jìn)而得到適配度更高的流場優(yōu)化方案；

（2）不同負(fù)荷下噴氨格柵區(qū)域、首層催化劑前流速分布特征類似。而在單噴嘴小尺寸混合器下，首層催化劑前濃度場則更多得受脫硝系統(tǒng)入口濃度分布影響；

（3）反應(yīng)器頂部導(dǎo)流板的布置會直接影響首層催化劑前煙氣流速分布，后墻處整流格柵頂與頂板之間的間隙會形成煙氣聚集區(qū)，通過增設(shè)導(dǎo)流板、合理布置導(dǎo)流傾角，可以有效提升該位置流速均勻性；

（4）在流場均勻的基礎(chǔ)上，智慧噴氨設(shè)計增加自動調(diào)節(jié)閥門，可以提高不同運行工況下氨量與煙氣中氮氧化物的匹配程度，結(jié)合原混合裝置實現(xiàn)氨氮均勻混合，經(jīng)實際運行驗證滿足技術(shù)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 賈林權(quán)，韓志杰，任銳，等. SCR脫硝系統(tǒng)新型側(cè)進(jìn)側(cè)出連接煙道布置及優(yōu)化[J]. 熱力發(fā)電，2017，46（4）：105-110.

[2] 劉鵬宇，李德波，劉彥豐，等. 燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境工程，2022，40（10）：224-232.

[3] 冀豐強，李志強，肖寒. 某600 MW機組SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流裝置設(shè)計與分析[J].低碳化學(xué)與化工，2023，48 （2）：100-104.

[4] 牛玉光，潘巖，李曉彬. 火力發(fā)電廠煙氣SCR脫硝自動控制研究現(xiàn)狀與展望[J].熱能動力工程，2019，34（4）：1-9.

[5] 肖軍. 火電廠煙氣脫硝控制系統(tǒng)中的噴氨量優(yōu)化建模與仿真[J]. 粘接，2022，49（7）：89-92.

[6] 鄧靜杰，韋紅旗，仲亞飛. 670 MW機組SCR脫硝催化劑磨損的研究分析[J]. 電站系統(tǒng)工程，2015，31（4）：58-60.

[7] 張媛媛，曲江源，張鍇.燃煤機組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)流場均布一體化建模與性能優(yōu)化[J].熱力發(fā)電，2023，52 （8）：146-155.

[8] 黃俊，李興磊，阮斌，等. 300 MW燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)流場優(yōu)化[J]. 潔凈煤技術(shù)，2022，28（6）：159-167.

[9] 鄭妍，姚宣，王冬生，等. 大型燃煤機組SCR裝置超低排放改造流場優(yōu)化[J]. 潔凈煤技術(shù)，2021，27（5）：212-217.

[10] 朱天宇，李德波，方慶艷，等.燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)流場優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].動力工程學(xué)報，2015，35 （6）：481-488.

[11] 計佳青，王琦，沈德魁，等.660MW燃煤機組SCR系統(tǒng)流場及噴氨優(yōu)化[J].中國計量大學(xué)學(xué)報，2020，31 （2）：257-265.

[12] 周智健，王信，常劍，等. 660 MW燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)CFD模擬優(yōu)化研究[J].中國電機工程學(xué)報，2021，41（19）：6688-6699.

[13] 余廷芳，李俊，曾過房，等.火電廠SCR煙氣脫硝裝置的模擬優(yōu)化[J].南昌大學(xué)學(xué)報（工科版），2014，36（2）：113-117.

[14] 韋振祖，趙寧波，李明磊，等.非均勻入口條件下SCR脫硝系統(tǒng)流場優(yōu)化改造技術(shù)研究[J].鍋爐技術(shù)，2021，52 （4）：74-80.

（責(zé)任編輯：張玉平）