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类型某 330MW 机组脱硝流场优化与分区喷氨设计.pdf

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    1、 2020-1-某 330MW 机 组 脱 硝 流 场 优化与 分 区 喷 氨 设计 陈嵩涛,冯文会,张庚,建阳,方朝君,周健(1 苏州西热节能环保技术有限公司,江苏苏州,215153;2 西 安 热 工 研 究 院 有 限 公 司,陕西西安,710054;2 西安热工研究院有限公司,陕西西安,710054;3 河北华电石家庄鹿华热电有限公司,河北 石 家 庄 050000)Design of Denitration Flow Field and Zoned Ammonia Injection for a 330MW Coal-fired Unit Chen Songtao1,Feng Wen

    2、hui3Zhang Geng2Wang Jianyang2Fang Zhaojun2Zhou Jian2(1Suzhou Xian TPRI Energy Conservation and Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215153,China;2 Xian Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710054,China;3 Hebei Huadian Shijiazhuang Luhua Thermal Power Plant Corporation Ltd.,S

    3、hijiazhuang 050000,Hebei Province,China)摘要:某发电厂 330MW 机组 SCR 脱硝系统流场设计不合理,导致脱硝出口 NOx 浓度分布不均匀,局部氨逃逸浓度较大,空预器硫酸氢铵堵塞问题严重。对烟道流场进行摸底测试,采用 CFD 数值模拟 方法,调整了反应器入口竖直烟道上下游导流板的角度和数量,在烟气流场比较均匀的前提下,对 SCR 进出口烟 道进行分区,使出口的测点位置与喷氨格栅分区一一对应,从而实现精准喷氨。改造后测试结果表明:各负荷下脱硝出口 NOx 浓度分布相对标准偏差 CV 值保持在 15%以下,平均氨逃逸浓度降低了 2.5 L/L,无明显催化

    4、剂磨损、空预器堵塞等问题,脱硝流场均匀性得以提升。关键词:燃煤电厂;均匀性;数值模拟;流场优化;分区喷氨 ABSTRACT:The unreasonable design of the SCR denitrification system of a 330MW unit in coal-fired power plants can lead to uneven distribution of NOx concentration at the denitrification outlet,high local ammonia escape concentration,and aggravated

    5、 air preheater ammonium bisulfate blockage.The bottom test and CFD numerical simulation for the flue flow field was carried out,Adjusting the direction and the number of deflectors in right angle elbows in the lower vertical flue ducts of the reactor made the flow field more uniform.Under the premis

    6、e that the flue gas flow field is relatively uniform,the SCR inlet and outlet flue Partition is carried out,so that the measuring point position of the outlet corresponds to the partition of the ammonia injection grid,so as to achieve precise ammonia injection.After the transformation,the test resul

    7、ts show that the uniformity of the flow field of the denitration system has been greatly improved,the relative standard deviation CV value of the NOx concentration distribution at the denitration outlet under each load is kept below 15%,and the average ammonia escape is reduced by 2.5 L/L,without si

    8、gnificant Problems such as catalyst wear and air preheater blockage have achieved the expected purpose of the transformation.KEY WORD:coal-fired power plant;uniformity;numerical simulation;flow field optimization;delicacy control on ammonia spray SCR 烟气 脱 硝 技 术 是 目 前 火电厂应用最广泛的 高效 简单 装置 和低 成本的 NOx 脱除

    9、 技术1。脱硝效 率和 氨逃 逸 率是 SCR 脱硝 系统的 2 个 主要 性能 参数2,烟道及 反应 器结 构、导 流 板 及 氨 喷 射 系 统 等 设 计 的 合 理 性 对 上述参数 及 SCR 脱硝 系统 流场 分布均 匀性、脱 硝效率有 着重 要影 响。设 计不 当可能 会导 致催 化剂的积 灰和 磨损、脱 硝出 口 NOx 浓度 分布 不均、氨逃 逸增大 等问 题,甚至 影响 机组 安全 稳定运行3-4。针对脱 硝系 统喷 氨总 量受 燃烧煤 种、磨 煤机组合 等方 式的 影 响,已有 学者提 出对 喷氨 系统的控 制策 略进 行调 整,并 通过进 行喷 氨优化调 整 试 验 或

    10、 增 加 多 点 取 样 等 手 段 来 避 免 过 喷氨,但只 适合某 个特 定工 况,负荷 波动或 者启停磨煤 机时 不能 满足 要求5-9。采用 CFD 数值模拟方 法,通 过调 整烟 道内 导 流板 布置 方式 来解决脱 硝流 场分 布不 均、催 化剂积 灰和 磨损 的 2020-2-问题已 有多 个应用 案例10-15。本文以 某发 电厂 330MW 机 组脱硝 系统 为研究对 象,通过 CFD 数值 模拟方 法,根据 摸底测试 数据,对 该机 组 SCR 脱硝 系统 的流 场进行了 数值 模拟 计算,提出 导流板 优化 改造 方案,在此 基础 上进行 喷 氨调 节分区 的精 准控

    11、制优化,减少 了局 部氨 逃逸 和总 喷 氨量,实 现 了节能减 排环 保,保证 电厂 安全稳 定运 行。1 设 备 运 行 概 况 1.1 研究对 象为 某电 厂 330MW 机组 SCR 脱硝装置。该机 组锅 炉为 北京 巴威公 司 生 产的 亚临界参 数 发 电锅 炉,采用 自然循 环、墙式 对冲燃烧,单 炉膛、一次中 间再 热、固态 排渣 锅炉,设计燃 用 蒲 白、澄合 贫煤。SCR 装置 采用 格栅 型 AIG 支管,每台 反应器布 置 4 组 8 根,可 进行 烟道内 宽度 和深 度方向上 喷氨 量调 节。1.2 在 SCR 装置 进出 口采 用网 格法测 量截 面NOx 浓 度分

    12、 布,网格 数目进、出 口分 别为 53 和 6 3,同时 在每 侧 SCR 反应 器出 口截面采 集 6 个 NH3样品 计算 氨逃逸。测试结 果显 示,SCR 入口 NOx 浓 度约 在660770mg/m3。随 着负荷 降低,SCR 入口 NOx浓度呈 上升 趋势。不 同负 荷下 SCR 入口 NOx浓度截 面分 布 均 匀性 较差,分布相 对标 准偏 差(Coefficient Of Variance,CV)值均 在 5%以上,SCR 入 口截 面流 速偏 差为 20%(表 1)。表 1 不 同 负 荷 下 SCR 装 置 性 能 数 据 Tab.1 The Performance D

    13、ata of SCR reactors at different loads 项目 单位 T-01 T-02 T-03 机组负荷 MW 165 240 320 SCR 反应器-A B A B A B 入口NOx 值 mg/m3 752 761 791 735 651 674 入口NOx 分布CV值%4.4 5.6 6.1 6.0 4.7 6.6 入口烟气流速 m/s-11.6 12.3 入口烟气流速偏差%-17 21 出口NOx 值 mg/m3 42 54 44 60 47 34 脱硝效率%94.4 92.9 94.5 91.8 92.7 95.0 出口NOx 分%52 43 76 46 50

    14、 45 布 CV值 氨逃逸浓度 L/L 6.8 5.6 5.4 4.2 4.4 7.1 局部氨逃逸峰值 L/L 10.3 8.7 10.2 6.9 6.6 10.1 SCR 出口 NOx 浓度CV 值在 43%76%之间。高 负荷 下,脱硝 效率 为 93.9%时,SCR 系统平均 氨逃 逸 为 5.8L/L,出口 NOx 浓度 分布及氨逃 逸 分 布见图 1 图 2。反应 器出口 NOx浓度分 布偏 差较 大,主 要是 由于顶 层催 化剂 入口处的 氨氮 摩尔 比分 布不 均引起 的,由 此也 导致 反 应 器 出 口 截 面 上 局 部 区 域 氨 逃 逸 浓 度 过高,从图 2 可以 看

    15、出 B 反 应器出 口靠 锅炉 中心线区 域氨 逃逸 浓度 高 达 10.1 L/L。图 1 SCR 出口 NOx 浓度分布图 Fig.1 SCR outlet NOx concentration distribution map 图 2 SCR 出 口 对 应 点 NOx 和 NH3 浓 度 分 布 图 Fig.2 The Optimized distribution of NOx and Ammonia escape of Corresponding points at SCR outlet 不同负 荷下 SCR 入口 NOx 浓度基 本在650mg/m3以上,且 NOx 分布CV 值均不

    16、低于5%,容易造成不同负荷下局部氨逃逸过高;单侧反 应器 布 置 4 组 8 支 喷氨支 管,分 区数 量较少,SCR 入 口 烟 道混 合距 离 短,仅 依靠 烟气 本 身 流 动 的 预 混 无 法 实 现 烟 道 宽 度 方 向 烟气均匀 混合。目前 SCR 出口 NOx 浓度 测 量均值 与烟 囱处偏差 较大,增 加了 自动 控制 调 节滞 后时 间,NOx 自 动控 制难 以投 运,造 成瞬 时过 度喷 氨 2020-3-或 NOx 浓 度超 标。2 改 造 方 案 2.1 对 320MW 负荷 下的 SCR 脱硝反 应器 入口 NOx 浓度 场、温度 场、速度场 进行 摸底 测试,

    17、并 利用 计 算流体 力学(CFD)软件进行 数值 模 拟,根 据 模 拟 结 果 对 现 有 导 流 板 进 行 优化,增 加 了 SCR 入口 竖直 烟道上 下部 导流 板的数量,对导流 板长 度和 角度进 行了 调整。图3、图 5 为脱 硝烟 道 导 流板 优化前、后 的结 构模型,图 4、图 6 为 优化 前、后 的 顶 层催 化剂上游截 面速 度分 布 图。通 过图 4、图 6 可 以看出,对脱硝 系统 烟道 导流 板进行 优化 后,烟道截面流 场得 到了 很好 的改 善,烟 道阻 力降 低,喷 氨 下 游 烟 道 截 面 和 首 层 催 化 剂 上 游 截 面 流场都得 到进 一步

    18、 优化,速 度场更 加均 匀。图 3 SCR 反 应 器 烟 道 原 始 三 维 模 型 Fig.3 The original 3D model of SCR reactor 图 4 顶 层 催 化 剂 上 游 截 面 速 度 分 布(m/s)Fig.4 Velocity distribution in front of first layer of catalyst 图 5 优化后 SCR 反 应 器 烟 道 模 型 Fig.5 The Optimized flue structure of SCR reactor 图 6 优 化 后 顶 层 催 化 剂 上 游 截 面 速 度 分 布(m/

    19、s)Fig.6 The Optimized Velocity distribution in front of first layer of catalyst 2.2 脱硝喷氨分区改造首要完成的任务是对原脱硝 系统 进行 流场 分区 优化。改 造思 路为 对原烟道 进行 合理 分区,结 合脱硝 NOx 分区 多点 同 步 测 量 及 主 回 路 的 前 馈 预 测 控 制 等 技 术首段对 喷氨 量进 行精 准控 制,然后 通过 后段 分区内的 进一 步混 合,实 现还 原剂与 氮氧 化物 的浓度匹 配,提高 NOx 的脱 除 效率,进 而实 现出口 NOx 分布 均 匀以 及对 催化剂 分区

    20、 性能 的管控。总体 改造 方案 如 图 7 所示。SCR 分 区喷 氨控 制系 统采 用“五 分区/五点测量”设计。主要 包括 以 下三 个模 块:SCR进出口 NOx/O2 浓度 巡测 模 块、分 区喷 氨管 路模块 和控 制模 块。NOx/O2浓度巡测 模块 获取SCR 进 出口 NOx 浓度 和 O2浓度 的分 布,分别反映 了 喷氨 均匀 性以 及低 氮燃烧 效果,进而 确定各分 区喷 氨偏 差调 节值,作为喷 氨优 化控 制的主信 号;分区 喷氨 管路 模块 是 构建“喷 氨总阀+分区 调平 阀(气 动)+支管调 节阀”三级 串 2020-4-联调节 的执 行模 块,除监 测喷氨

    21、总量 外,还 对分区喷 氨流 量进行 监测,作 为分区 调平 阀的 实时闭环 调节 信号;控制 模块 包含整 个控 制系 统的软、硬件。图 7 改 造 方 案 布 置 图 Fig.7 Renovation plan layout drawing 3 改 造 后 效 果 分 析 3.1 SCR NOx 2019 年 9 月 电厂 完成 了 330MW 机 组脱 硝装置流 场优 化与 喷氨 分区 改造。改造 后,高、中、低 负荷 下 SCR 装置 出 口 NOx 分布CV 值分别 为 14%、13%和 13%。机组高 负荷 下 SCR出口 NOx 分 布和 氨逃 逸分 布如图 8 图 9,高负荷工

    22、 况脱 硝效 率 为 93.6%,实测 平均 氨逃 逸浓度为 3.3 L/L,局 部 氨 逃 逸 峰 值 浓 度 为4.1 L/L。改 造 后 平 均 氨 逃 逸 比 改 造 前 降 低2.5 L/L。图 8 SCR 出口 NOx 分 布 图 Fig8 SCR outlet NOx concentration distribution map 图 9 SCR 出 口 对 应 点 NOx 和 NH3 浓 度 分 布 图 Fig.9 The Optimized distribution of NOx and Ammonia escape of Corresponding points at SCR

    23、 outlet 3.2 机组高、中、低负 荷下,脱 硝出口 多点 取样 NOx 值 与脱 硝出口 NOx 浓度值 静态 偏差 值分别 为 7mg/m3、4mg/m3和 4mg/m3,动态偏差值分 别 为 9mg/m3、8mg/m3和 7mg/m3,均满足“静 态偏 差值 不大 于 10mg/m3,动态偏 差值不大 于 15mg/m3”设计 要求(表 2)。表 2 脱 硝 出 口 多 点 取 样 NOx 值 与 出 口 NOx 偏 差 值 Tab.2 The Deviation of the average NOx and NOx of Grid uniform sampling at SCR

    24、outlet 项目 单位 T-01 T-02 T-03 机组负 荷 MW 165 320 240 SCR 反应 器-A B A B A B 脱硝出 口 NOx 值(静态)mg/m3 47 41 37 45 35 43 脱硝浓 度值(静 态)41 38 32 36 29 40 静态偏 差值 6 3 5 9 6 3 脱硝出 口 NOx 值(动态)mg/m3 45 37 48 37 34 40 脱硝出 口 NOx 值(动态)52 30 37 31 28 31 动态偏 差值 7 7 11 6 6 9 3.3 优 化改 造前后 空 预器 差压 改造 运 行半 年后,高 负荷 下,空预 器 烟气侧差压 在

    25、 1.65kPa 以下,空预器 差压 无增 长。(表 3)表 3 优化 改 造 前 后 空 预 器 差 压 值(320MW)Tab.3 Optimize the differential pressure of the air preheater before and after the transformation(under load of 320MW)项目 单位 改造前 改造后 空预器-A B A B 空预器 烟气 侧差压 kPa 1.55.1.67 1.58 1.62 4 结论(1)流场 优化 改造 后,各负 荷下 SCR 脱硝出口 NOx 浓 度分 布相 对标 准偏差 CV 值保 持

    26、在 15%以下,平均 氨逃 逸浓度 降低 了 2.5L/L,无明显 催化 剂磨 损、空预 器堵塞 等问 题,达到 2020-5-了改造 的预 期目 的。(2)对 SCR 反 应器 进、出口 烟道进 行同 时分区,根 据烟气 运 动扩 散 规则,测 量 层 采用 5分区、10 点测 量设 计方 案。高 负荷 下 SCR 装置进、出 口 NOx 分布 CV 值分别 为 4%、14%,脱 硝 效 率 为 93.6%时,平 均 氨 逃 逸 浓 度 为3.3 L/L,局部氨逃 逸峰 值 浓度 为 4.1 L/L,机组喷氨 动态 控制 性能 达到 设计目标。(3)改造 运行 半年 后,空预 器 运行 平稳

    27、,烟气侧 差压 无增 长。参 考 文 献:Fatemeh Gholami,Martin Tomas,Zahra Gholami,et,al.Technologies for the nitrogen oxides reduction from flue gasJ.Science of the Total Environment,2020(714):1-26 王争荣,汪洋,夏 怀 鹏 等.1000MW 燃煤机组 SCR 脱硝系统喷氨精细化改造.华 电 技 术,2019,10(10):1-7 徐妍,李文彦.SCR 脱硝反应器导流板的结构设计J.热力发电,2008(10):49-52+54.邓静杰,

    28、韦红旗,仲 亚 飞.670MW 机组SCR 脱硝催化剂磨损的研究分析J.电 站 系 统 工 程,2015,31(04):58-60+63.刘峰,金晶.1000MW 超 超临界机组SCR 脱硝喷氨控制策略的优化与改进J.浙 江 电 力,2018,37(3):68-72.武宝会,崔利.火 电 厂 SCR 烟 气 脱 硝 控 制 方 式 及 其 优 化J.热力发电,2013,42(10):116-119,126.汤元强,吴国江,赵亮.1SCR 脱 硝 系 统 喷 氨 格 栅 优 化 设 计J.热力发电,2013,42(3):58-62.方朝君,金理鹏,宋玉宝等.SCR 脱 硝 喷 氨 格 栅 优 化

    29、 调 整 试 验研究J.热力发电,2014,43(7):157-160.何盛晟,王秋生,刘凤明.火力发电厂脱硝烟气监测取样网格化改造J.自 动 化 应 用,2015,9:20-23.宋玉宝,王兴俊,等.一种大截面烟道 SCR-CEMS 烟气多点等量 混 合 二 级 引 射 快 速 采 用 装 置 P:中国专利:CN208579964U,2019-03-05.孙雪峰,王强,颜世剑,等.350 MW 机组锅炉SCR 脱硝系统优化J.洁净煤技术,2020,26(1):221-227.雷鉴琦.降低燃煤机组 SCR 脱硝系统催化剂磨损的流场优化J.中国电力,2018,51(07):152-156+169

    30、.何莹,单宝龙.SCR 系统增设导流板前后催化剂磨损研究J.兰州石化 职 业 技 术 学 院 学 报,2018,18(04):13-17.喻聪,司风琪,董云山,江晓明.燃 煤 电 站 SCR 系 统 气 固 流 动 与催 化 剂 磨 损 的 混 合 数 值 模 拟 与 优 化J.东 南 大 学 学 报(自然科学 收稿日 期:2020-10-14 作者简 介:陈嵩涛(1985-),男,河南 邓州 人,硕士,工程 师,主 要从 事 新能源 和 电厂 环保 方面 研究 与应 用。E-mail:版),2019,49(01):133-140.高飞,邹红果.烟 气 流 场 分 布 对 SCR 系统的影响及其优化措施J.环境工程,2019,37(10):153-156

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