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超低排放形势下脱硝流场优化调整技术应用

2018年10月24日 热度:516 ℃

当前国内燃煤机组在完成超低排放改造后,实现NOx排放参数的降低主要控制手段为降低入口NOx浓度、加装或更换催化剂、增大喷氨量等,而脱硝系统的流场均匀不均,将造成催化剂不均匀磨损失活、氨逃逸超标等问题,严重时造成空预器堵塞引起引风机失速,负荷受限等问题,因此对脱硝系统流场均布提出更高的要求,本文主要阐述超低排放改造后流场均布优化调整的措施。

1前言

国内燃煤机组超低排放改造,脱硝系统A、B侧氨逃逸指标超标为目前较为典型的异常工况,特别是在低负荷、配煤掺烧高硫煤、脱硝自动监测点位未采取网格取样、氨逃逸表计未定期校准、喷氨优化调整实验及流场均布实验未及时进行时,多数电厂发生空预器硫酸氢铵堵塞ABS现象,严重时会造成单侧空预器结晶堵塞,必须通过在线冲洗或干烧缓解,甚至造成引风机失速抢风、炉膛正压,无法正常接带负荷,严重威胁机组的安全稳定运行。本文通过对脱硝流场均布优化措施分析,探讨优化调整机理,进而形成有针对性的解决方案。

2研究对象

本文以某燃煤机组(2×300MW)亚临界供热机组SCR烟气脱硝系统为例,通过CFD数值模拟与物理模型模拟,结合检修摸底情况,确定流场分部情况,并进行调整。

通过检修时期现场摸排催化剂磨损及塔顶导流板积灰情况发现以下问题:

(1)中层催化剂磨损比较严重,主要集中于反应器中心区域,已将磨损模块位置标记,见附图1,以圆圈标记磨损模块,以圆圈数量代表磨损程度,数量越多磨损越严重。

(2)脱硝塔顶部烟气导流板积灰严重,部分区域导流板已发生变形,整流格栅局部区域磨蚀严重,见附图2和图3,该区域导流板近板面位置烟气流速较低,易形成积灰。

(3)现场抽取了一定数量的催化剂样品,通过外观检测发现催化剂样品横向裂纹数量很多,催化剂掉料现象明显,烟气通过横向裂纹,将加速催化剂磨损,裂纹数量直接影响催化剂的粘附强度及耐磨强度。

根据上述情况,首先对催化剂进行性能检测,重点测试其脱硝活性、耐磨强度、粘附强度、SO2/SO3转化率等工艺及理化特性,量化催化剂性能有助于催化剂寿命管理,并为分析引风机酸液腐蚀问题提供测试数据。然后通过开展脱硝反应区流场模拟工作,对流场情况进行详细分析,根据分析结果修改导流板等结构,使催化剂层上方烟气速度不均匀性降低至15%以内,确保烟气入射催化剂层时与垂直方向的夹角小于10o,有利于延长催化剂寿命、减少喷氨量并降低氨逃逸。

3研究目标

以该电厂脱硝系统烟气参数为例:

设计脱硝系统入口烟气参数

锅炉不同负荷时的省煤器出口烟气量和温度

要求优化调整后脱硝系统流场均布满足:

在100%BMCR工况,从脱硝系统入口到出口之间的系统压力损失在性能考核试验时不大于800Pa;

3.1第一催化剂层前的速度分布要求:相对标准偏差小于15%;

3.2烟气入射催化剂角度(与垂直方向的夹角)最大为±10°;

3.3第一催化剂层前的温度分布要求:最大绝对偏差±10℃;

3.4第一催化剂层前的NOx/NH3比率分布要求:相对标准偏差小于5%。

3.5确定系统中飞灰沉积区域,对系统进行优化设计,消除较明显的灰沉积。

4数据模拟

根据该电厂SCR反应器设计图纸,建立全尺度三位模型,左右两侧SCR脱硝反应器结构及入口烟气条件相同,且沿锅炉中心线呈对称布置,故仅以单侧反应器作为研究对象。CFD数值模拟按照1:1的比例建立SCR反应器系统的原始模型,始于锅炉省煤器出口,止于空气预热器入口(实际SCR系统的界定以进、出口膨胀节为限),SCR系统的几何模型如图1-1所示。

SCR反应器三维几何模型

高温烟气离开省煤器后,沿烟道向下经过90度转向进入水平段,在转向处底部布置有灰斗,可以较好地收集烟气中的大颗粒飞灰,减轻飞灰浓度过高对下游烟道及设备的影响。烟道在省煤器出口的水平段和转向后的竖直段发生两级渐扩,喷氨格栅(AIG)布置在竖直烟道渐扩段出口下游附近,氨气经AIG喷嘴射入烟道后,被来自上游的烟气卷携并充分混合,经竖直烟道顶部发生两次90度转向后,向下通过整流格栅,进入催化剂层发生催化还原反应,脱硝后的净烟气流向下游的空气预热器。为保证流场均匀性及系统阻力等能够达到相关性能指标,两级渐扩段及第一、第二转向区布置有优化设计的导向叶片。

模型建立之后,首先需要进行网格划分将模型离散化,即通过有限的网格节点来描述实际的空间连续实体。网格被导入CFD计算程序后,按照实际情况设置速度、压力、温度、烟气组分等边界条件,整个计算过程是基于NavierStockes流动控制方程的求解,并选用工程应用最为广泛的标准k~ε湍流模型,当迭代计算达到一定的收敛标准时,计算过程结束,就可以对计算结果进行可视化分析研究,或导出数据做进一步分析处理。

公式如下:

通过SCR模型网格划分,进行离散计算,在给定烟气流速、温度压力条件下,使用porous介质模型进行模拟,使阻力接近于实际阻力。

CFD数值模拟结果:

在100%BMCR负荷下进行了速度分布、NH3浓度分布、入射角、系统压降、温度分布的CFD数值模拟研究,并对75%THA和50%THA工况的速度分布、入射角、系统压降等方面进行了校核模拟计算,计算结果满足相关的性能指标。如下表:

表4.1入口烟气参数

SCR沿程多个截面的速度分布如图:

NH3浓度分布:

NH3喷射流线图:

从流线图可看出,当导流板、整流格栅各区间催化剂来流速度垂直性良好时,满足入射角小于10度要求,同时通过BMCR工况进行烟气量模拟,计算系统沿程分段压降,以竖直烟道作为参考截面计算阻力系数,测量SCR系统入口、AIG上下游、催化剂上下游、SCR出口压降后,催化剂未发生堵塞条件下可满足系统压降小于800pa要求。

因此,在恢复系统设计流场条件导流、均流设施前提下,即在省煤器出口的水平烟道渐扩段,布置有导流板组(9片)和导流板组(19片),用于优化渐扩段烟气流量分配,改善渐扩段出口烟气的流向。

在水平烟道与竖直烟道的转向段,布置有导流板组3(3片),用于烟气在转向段的过渡,分配竖直烟道深度方向的烟气流量。

在竖直烟道渐扩段的进、出口,布置有导流板组(13片)和导流板组(19片),用于优化渐扩段的烟气流量分配,并矫正烟气的竖直向上的流动方向,使经过喷氨格栅的烟气尽量均匀。

在SCR反应器帽顶段入口的转向区域布置有导流板组(4片),用于烟气经竖直烟道向反应器入口转向的过渡,并使之有利于烟气在反应器上部的分配。

在反应器帽顶段的上部空间布置有整流格栅,用于矫正烟气的流动方向,改善首层催化剂入口的烟气入射角,并优化烟气沿反应器深度方向的分配。

最后,设置速度分布测点位于首层催化剂上游截面,沿反应器深度方向有8个测孔,每个测孔沿宽度方向布置10个测点,共计80个测点。根据不同负荷下催化剂上游速度分布情况,测量比对A、B侧烟气流速、NH3分布数据。

通过CFD数值模拟,在原始布置方案的基础上,对SCR系统内的导流板等流动调节装置进行了数据比对,通过各项参数的不同,根据计算结果的数据处理和分析显示,速度分布、NH3浓度分布、压降等各项参数与超低排放改造前技术协议及流场均布情况进行比对后,确定与初设的流场变更。在进行导流板、均流板、喷氨联箱风门调整,将A、B侧参数调平后,最终的结构及布置形式合理,满足实际工况需要。

随后,进行现场流场均布试验调整:

在SCR脱硝装置进口测试断面选择在水平直管段上,每个测试断面尺寸均为5.8m(宽)×3.0m(高),在每支烟道的顶部布置3个测孔,其中有两个测孔为在线监测孔,无法打开,剩1个测孔均匀布置5个测点;出口测试断面选择在空预器入口垂直直管段上,每个测试断面尺寸均为8.996m(长)×3.442m(宽),在每支烟道的侧部布置11个测孔,每个测孔均匀布置5个测点速度场分布测试位置布置在A、B两侧SCR脱硝装置首层、第二层、第三层催化剂层上游0.2m位置,共6个测试断面,如图所示。测点布置按等面积网法均匀布置,每个网格面积不大于1m2,即每层催化剂由9×5个单元模块组成,每个单元模块布置2个测点。这样,每个测试断面共布置90个测点,6个测试断面共布置540个测点。

在进出口断面所布设的测点中,用皮托管圆盘微压计等测量烟气的全压、动压,根据脱硝设计规范中的流速阻力公式计算,完成试验。

结论

通过对某厂SCR脱硝装置进行CFD仿真模拟和流场屋里模拟试验,并与现场实际流场监测数据进行比对流场数据采集与优化调整。从而确定实际运行中流场对系统的影响,完成调整后,可确保烟气分布均匀,有效确保系统安全稳定运行。

来源:电力行业节能环保公众服务平台

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