煙氣脫硝SCR氨噴射系統調整效果評估

2018-02-27

以某火電廠氨噴射系統(AIG)改造為例,通過數值模擬計算,對AIG調整方案的效果進行了評估.結果表明將AIG改為具備雙向調節功能后,有利于氨的均勻分配,對于煙氣流速不均具有更好的適應性.脫硝反應器出口截面NOx分布相對標準偏差由40%降低至15%以內.可改善脫硝裝置噴氨合理性,一定程度上延長使用壽命,消除反應器出口氨逃逸濃度局部過高的現象,降低了下游空氣預熱器硫酸氫銨(ABS)腐蝕的風險,對火電廠實現NOx超低排放具有一定貢獻.

脫硝技術

德扑圈官网安卓下载SCR的核心是催化劑和氨噴射混合系統.氨噴射混合系統設計的優劣和實際運行中噴氨的合理性對脫硝裝置的運行效果影響明顯。催化劑入口截面的NH3/NO摩爾比及其分布.決定了反應器出口的NOx和氨逃逸濃度分布,并影響到整體脫硝效率和下游設備的硫酸氫銨堵塞程度。

德扑圈官网安卓下载NOx與NH3在頂層催化劑入口的分布均勻性,取決于噴氨格柵上游的NOx分布、煙氣流速分布、噴氨流量分配、靜態混合器的煙氣擾動強度及混合距離等。常見的氨噴射系統(AIG)氨噴射與混合裝置主要有3類:格柵式AIG、混合型AIG及渦流型AIG,這3類氨噴射系統各具優勢和適應范圍。對于脫硝工程中氨/煙氣混合距離足夠長時,幾種氨噴射技術均能滿足要求。

SCR裝置在設計階段通過CFD數值模擬.對反應器入口煙道、導流板、噴氨格柵、靜態混合器及整流裝置等進行整體優化設計,最終使進入頂層催化劑的煙氣流場達到均勻分布的要求。

由于CFD數值模擬的邊界條件是假設進入AIG上游脫硝入口煙氣參數分布均勻.而脫硝裝置實際運行中AIG上游煙氣參數分布受鍋爐運行方式及煙道走向等因素影響.與實際運行時的煙氣分布存在偏差.需在運行過程中通過氨噴射系統支管上手動閥調整,進行噴氨流量分配的優化調節.但前提是氨噴射系統本身需具有良好的設計性能.滿足分區雙向調節功能。

1設備概況

德扑圈官网安卓下载某火電廠1000MW機組的SCR裝置隨鍋爐同期建設,現有氨噴射系統采用混合型AIG,每個反應器的AIG在入口豎直段煙道內沿爐寬方向設19只噴氨支管.每根支管上設置4個噴嘴,相應支管設有手動蝶閥以調節氨噴射流量,實現整個煙道截面上寬度方向的氨噴射流量分配,如圖1。

脫硝技術

德扑圈官网安卓下载圖1調整前的AIG結構

德扑圈官网安卓下载但此AIG設計局限性在于不具有煙道深度方向的調節功能,調節功能單一.當SCR反應器入口NOx分配不均或噴氨不合理時,僅能通過前端AIG支管調門開度調整來實現反應器出口截面寬度方向的NOx均勻分布,無法改善反應器深度方向的噴氨流量調節。

根據現場噴氨優化試驗結果,AIG調整前。在滿負荷下SCR反應器入口截面NOx分布相對均勻的情況下,A、B反應器出口截面的NOx分布相對標準偏差分別為40.8%和42.1%.出口截面上的NOx濃度分布呈現出由后墻向前墻方向的階梯形分布。如圖2所示。

脫硝技術

脫硝技術

圖2:SCR出口截面NOx分布

反應器出口截面NOx分布偏差過大由上游AIG噴氨不合理所致.此與現有AIG結構的單向調節局限性有關.即通過噴氨優化調整試驗只能改善反應器寬度方向的NOx分布均勻性,無法實現深度方向的噴氨量調節。因此有必要對現有氨噴射系統進行改造.以提高SCR裝置的脫硝效果。

2調整方案模擬研究

根據前述試驗測得的SCR反應器出口NOx分布結果.分析現有混合型AIG的設計局限性(如圖3所示),電廠委托原SCR廠家對現有AIG結構進行了調整。新的AIG噴氨支管設計除了橫向分區外.將橫向中的每一區域在縱向設置為兩組(如圖4所示)。達到反應器深度方向可調節的目的.改造后氨噴射系統可實現噴氨流量在整個SCR入口截面的雙向調節功能。

脫硝技術

圖3調整前單組噴氨管路結構

脫硝技術

德扑圈官网安卓下载圖4調整后單組噴氨管路結構

德扑圈官网安卓下载針對SCR脫硝廠家提出的AIG調整方案,借助CFD數值模擬手段對設計方案進行評估.通過對調整前后單個噴氨管路中氨壓力分布、流線分布,AIG下游入口煙道截面及首層催化劑入口截面的NH3濃度分布及流線分布對比分析,對AIG調整結果進行數值模擬計算,評估調整方案的可行性及效果。

2.1數值模擬研究

2.1.1數值模擬邊界條件

1000MW機組SCR裝置的2個反應器關于鍋爐中心線對稱.數值模擬階段按照兩側煙氣參數相同考慮,以其中一側為研究對象。100%BMCR工況下,單側反應器入口設計煙氣量為1394845m3/h(標態、濕基、實際氧),脫硝反應溫度為377℃.單側反應器AIG總噴氨質量流量為61.9kg/h,對應稀釋風體積流量為1549m3/h。

2.1.2調整前后單組AIG噴氨管路模擬結果對比

以反應器內單組AIG噴氨管路為研究對象.分析改造前后管路中NH3空氣混合氣體的壓力分布情況(如圖5所示)。

脫硝技術

脫硝技術

圖5調整前后單組噴氨管路的壓力分布

德扑圈官网安卓下载改造前的AIG布置形式在深度方向上不具備調節功能,單組噴氨管路由1個閥門控制流量,CFD計算結果顯示,管路上的4個噴嘴流量經自然分配,遠端的噴嘴流量要依次高于近端,該結構直接導致深度方向噴氨量的不均勻性;

德扑圈官网安卓下载改造后的AiG布置形式在深度方向分為2組,使得噴氨系統在深度方向上具備了一定的調節性能.且單組噴氨管路所分出的4個小噴嘴在幾何結構具有對稱性,模擬計算結果顯示,4個噴嘴的流量趨向均勻.這與改造前后單組AIG各噴嘴的氣體體積流量統計結果吻合.統計結果見表1。

德扑圈官网安卓下载表1調整前后單組噴氨管路噴嘴出口體積流量

脫硝技術

德扑圈官网安卓下载進一步對改造前后單組AIG噴氨管路流線進行模擬分析(如圖6所示),流線顯示規律與管路中壓力分布和各噴嘴氨流量分配規律一致.表明改造后的噴嘴布置結構利于NH3的均勻分配。

脫硝技術

脫硝技術

圖6調整前后單組AIG噴氨管路的流線圖

2.1.3調整前后的AIG局部噴氨模擬結果對比

將調整前后的AIG系統置入SCR反應器入口豎直上升煙道,對AIG上游附近至首層入口截面之間的結構進行模擬計算,模型中包含導流板和整流格柵以及催化劑層.調整前后的幾何結構分別如圖7和圖8所示。

脫硝技術

脫硝技術

德扑圈官网安卓下载圖7調整前后SCR裝置局部模型

脫硝技術

脫硝技術

德扑圈官网安卓下载圖8調整前后AIG區域局部放大圖

根據數值模擬計算結果,AIG調整前首層催化劑上游NH3濃度分布相對標準偏差為24.2%,改造后為15.9%,均勻性提高8.3%,改造前后AIG下游截面和首層催化劑入口截面的NH3濃度分布如圖9和圖10所示,噴氨流線分布如圖11所示。

脫硝技術

德扑圈官网安卓下载圖9調整前后AIG下游截面NH3質量濃度公布

脫硝技術

脫硝技術

圖10調整前后首層催化劑上游截面NH3濃度分布

脫硝技術

脫硝技術

德扑圈官网安卓下载圖11調整前后的噴氨流線公布

2.1.4數值模擬結論

數值模擬計算結果表明.根據SCR裝置廠家提出的改造方案對AIG結構進行調整優化,調整后的上游截面NH3分布均勻性要優于調整前,因數值模擬的邊界條件是假設AIG入口煙氣流速絕對均勻,脫硝裝置實際運行中AIG上游的流速在深度與寬度方向均存在一定的不均勻性,調整前的氨噴射系統僅能在寬度方向進行調節,調整后的AIG結構則在深度與寬度方向具備雙向調節功能,從這一點來分析.調整后的AIG結構對于煙氣流速不均將具有更好的適應性。

2.2調整方案實施

德扑圈官网安卓下载調整前的AIG系統在每個反應器入口豎直段煙道上沿鍋爐寬度方向設19只噴氨支管,每根支管上布置4個直徑為50mm的噴嘴,每根支管設有手動蝶閥調節氨噴射流量,噴嘴下游設2層X形靜態混合器。

德扑圈官网安卓下载為減少改造工作量.降低優化調整費用.縮短鍋爐停機時間,此次改造保留了現有AIG下游X形靜態混合器.根據以上CFD數值模擬結果.將原單個閥門控制1(寬度方向)×4(深度方向)個噴嘴,改造為單個閥門控制2(寬度方向)×2(深度方向)個噴嘴,即把沿寬度方向的2列2x4個噴嘴分為2組.靠近反應器前墻的4個噴嘴設置為一組,靠近后墻的4個噴嘴為一組,以實現氨噴射系統沿煙道深度方向和寬度方向上可調節的要求.調整后的AIG噴嘴結構如圖12所示。


圖12調脫硝技術整后的AIG結構

3調整效果現場評估

德扑圈官网安卓下载根據前述CFD數值模擬計算評估結果.將現有AIG調整為可實現反應器寬度和深度方向調節噴氨量的新型結構.對調整后的實際效果進行了現場測試.并在此基礎上分析氨噴射系統優化調整對延長催化劑使用壽命.降低空氣預熱器硫酸氫銨(ABS)堵塞風險的影響。

3.1反應器出口NOx分布均勻性測試

德扑圈官网安卓下载根據AIG調整后噴氨優化試驗結果.機組在900MW負荷下,SCR反應器入口NOx質量濃度約260mg/m3時,控制脫硝效率接近原設計值60%,反應器出口NOx質量濃度為98mg/m3,測試結果如圖13所示。

脫硝技術

德扑圈官网安卓下载圖13:AIG調整后反應器出口NOx濃度分布

德扑圈官网安卓下载經AIG優化調整后,SCR反應器出口NOx分布的均勻性得到提高,基本消除了NOx分布縱向偏差過大的現象,SCR反應器兩側出口的NOx濃度標準偏差分別降低到5.6%和6.4%,與調整前相比,AIG噴氨合理性明顯改善。

德扑圈官网安卓下载AIG優化調整后,為進一步實現鍋爐NOx超低排放要求,控制最終NOx排放濃度在50mg/m3以內,2號鍋爐SCR裝置進行了提高脫硝效率的改造,除了通過增加備用層催化劑使整體脫硝效率達到80%以上,對現役兩層舊催化劑進行了再生以恢復部分活性。

SCR提效改造后,根據現場測試結果(如圖14所示),在機組負荷1000MW,SCR反應器入口NOx濃度約271mg/m3時。控制脫硝效率為90.4%。反應器出口NOx濃度為26mg/m3時,A、B側反應器出口NOx分布相對標準偏差均接近15%.亦優于改造前。

脫硝技術

圖14:SCR反應器提效改造后出口的NOx分布

3.2延長使用壽命

德扑圈官网安卓下载SCR反應器出口的NOx濃度分布均勻性直接反映上游AIG噴氨合理性,NOx分布偏差過大時,反應器出口截面部分區域的NH3逃逸濃度會偏高,影響脫硝裝置的脫硝效果,不同脫硝效率下反應器出口的NOx濃度分布偏差對催化劑壽命影響率如圖15所示,氨噴射系統改造前后,在接近設計脫硝效率60%時,反應器出口的NOx濃度相對標準偏差由40%降低至15%以內,AIG改造提高SCR氨噴射系統氨流量分配的合理性可有效延長催化劑的使用壽命。

脫硝技術

圖15不同脫硝效率下反應器出口NOx濃度分布偏差對催化劑壽命的影響

3.3減少空氣預熱器腐蝕與堵塞

德扑圈官网安卓下载利用氨氣與煙氣中的NOx反應脫除氮氧化物.脫硝過程中的氨與煙氣中的SO3反應易生成硫酸氫銨(ABS),硫酸氫銨的生成量與NH3和SO3含量乘積成正比。

德扑圈官网安卓下载硫酸氫銨具有黏性,通常情況下熔點溫度為147℃.以液態形式在物體表面聚集或以液滴形式分散于煙氣中,在煙氣中會粘附飛灰。電廠鍋爐空氣預熱器冷端運行溫度一般低于ABS的露點溫度,當SCR反應器噴氨不均勻或催化劑失活嚴重造成氨逃逸過大時.下游空氣預熱器的ABS腐蝕風險會加大。

以下根據AIG調整前后的3次測試結果(如圖16所示),分析AIG改造對鍋爐空氣預熱器ABS的影響。

脫硝技術

圖16調整前后反應器出口截面氨逃逸取樣分布

AIG改造前,機組負荷1000MW,反應器入口平均NOx為261mg/m3,實測脫硝效率59.4%時,反應器出口截面氨逃逸平均值5.98μL/L,局部氨逃逸最高值16.1μL/L,最低值2.2μL/L,氨逃逸濃度分布偏差較大;

AIG改造后,機組負荷900MW。反應器入口NOx為260mg/m3,平均脫硝效率62.1%時,反應器出口截面氨逃逸平均值5.15μL/L,與改造前相比,脫硝效率提高約2個百分點,但平均氨逃逸濃度降低0.83μL/L,反應器出口截面上局部氨逃逸最高值6.0μL/L,最低值4.4μL/L(注:此階段氨逃逸濃度整體偏高,與催化劑進一步失活有關),噴氨合理性明顯改善;

德扑圈官网安卓下载經添加備用層催化劑及舊催化劑再生完成脫硝裝置提效改造后.在機組負荷1000MW,反應器入口NOx為271mg/m3,實測脫硝效率為90.4%時,平均氨逃逸濃度1.8μL/L,局部氨逃逸最高值2.3μL/L,最低值1.4μL/L,同時反應器出口NOx降低到26mg/m3,達到了超低排放的要求。

氨噴射系統優化調整后.在保證較高脫硝效率同時,反應器出口氨逃逸濃度局部過高的現象消失,降低了下游空氣預熱器ABS形成的風險。

4結論

氨噴射系統是SCR脫硝裝置的核心.對脫硝系統的運行效果有著重要影響。本文通過對某火電廠SCR氨噴射系統調整方案和效果進行評估.得出以下主要結論:

德扑圈官网安卓下载(1)氨噴射系統調整后具有雙向調節功能.可滿足運行過程中優化調節的需要。

德扑圈官网安卓下载(2)通過CFD數值模擬對氨噴射系統的調整方案進行評估,并對改造效果進行預測,模擬結果表明調整后的噴射系統結構對于煙氣流速不均將具有更好的適應性。

(3)調整前后的現場測試結果表明,在60%脫硝效率下,通過氨噴射系統調整將脫硝反應器出口截面的NOx分布相對標準偏差由40%降低至15%以內,可在一定程度上延長催化劑的使用壽命。

德扑圈官网安卓下载(4)調整后反應器出口截面氨逃逸濃度局部過高的現象消失,降低了下游空氣預熱器ABS腐蝕的風險。

本文對氨噴射系統調整方案和效果的評估方法,對火電廠SCR煙氣脫硝裝置優化運行及改造具有一定的借鑒意義。


服務熱線 0451-55640033
公司地址:哈爾濱市香坊區新香坊路50號     聯系電話:0451-55640033 13936348160 技術支持:哈爾濱財富通科技發展有限公司     黑ICP備16007470號     流量統計: 您是第 24067 個來到本站訪客
在線客服
  • 聯系電話 0451-55640033 13936348160
  • 掃一掃關注我們