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燃用高沾污性煤质锅炉SCR脱硝流场优化

某2×300MW机组选择性催化还原(SCR)烟气脱硝装置,自2013年运行以来,一直存在喷氨格栅、水平烟道和导流板等位置积灰严重,氨逃逸量明显超标,空气预热器差压高等问题。通过计算流体动力学(CFD)流场校核分析产生问题的原因,最终确定优化方案为:更换防积灰能力强、混合特性好的花瓣型喷氨格栅,优化导流板布置,并加大导流板和烟道壁面处流速以减轻积灰。优化后,喷氨格栅分区可调性能明显好转,SCR脱硝装置出口NOx质量浓度分布更为均匀,氨逃逸量显著降低,运行8个月后停炉检修时发现喷氨格栅、烟道和导流板异常堵灰的情况得到了根本解决。

选择性催化还原(SCR)技术是目前燃煤电厂烟气脱硝中应用最广、成熟度最高的技术。在国家火电行业全面执行超低排放限制的背景下,SCR技术将日益受到关注。流场技术是SCR脱硝工艺的关键技术之一,对超低排放标准的实施尤为关键。均匀、强健的流场,为NOx与还原剂在催化剂表面发生氧化还原反应创造必要的条件。对脱硝流场进行计算流体动力学(CFD)流场模拟与模型试验的目的是得到烟道、导流板、氨喷射系统、整流格栅等烟道内装置的最优设计,以取得较好的烟气流动分布,并使得脱硝系统阻力保持最低,且各类结构不出现异常堵灰。

 

国内SCR脱硝装置运行过程中,普遍存在积灰、磨损、氨逃逸量高等问题,本文以某燃用高黏结性灰分煤质机组SCR脱硝装置的流场优化为例,详细分析了问题原因,并制定了优化方案。

 

1研究对象

 

1.1机组概况

 

研究对象为某2×300MW机组SCR脱硝装置。该机组锅炉为哈尔滨锅炉厂设计制造的HG-1025/17.5-YM11型亚临界压力一次中间再热自然循环汽包炉,于2007年投入商业运行。SCR脱硝装置自2013年运行以来,一直存在喷氨格栅、水平烟道和导流板等位置堵灰,氨逃逸量明显超标,空气预热器压差高等问题。

 

1.2设计条件

 

锅炉设计燃用神华集团煤矿烟煤,并掺烧部分地方煤矿烟煤,设计煤种为易结渣煤种。设计煤种煤质分析见表1,SCR脱硝装置入口烟气参数见表2,飞灰成分分析见表3.

飞灰平均粒径为40.34μm,中位径为14.06μm,峰值11.29μm;粒径小于3.50μm的颗粒含量约占25%,小于54.70μm的颗粒占75%,小于125.7μm的颗粒占90%。飞灰粒度较细。

 

 

表2SCR脱硝装置入口烟气参数

表3飞灰成分分析 w/%

1.3存在问题

 

 

图1为原喷氨格栅积灰前、后照片,图2为原反应器顶部导流板积灰照片。

图1原喷氨格栅积灰前、后照片

 

由图1、图2可见:原喷氨格栅积灰严重,喷嘴大范围堵塞,使其失去分区调节喷氨量的功能;原导流板及水平烟道积灰严重,且在宽度方向上积灰高度不同。

2.2喷氨格栅结构

 

原喷氨格栅将单侧烟道分为2×816个分区,每分区对应1.62m2烟道截面。每个分区结构为一根喷氨母管(φ133mm×5mm)分出8根喷氨支管(φ57mm×3.5mm),每根支管上向上伸出2根高度为130mm的喷嘴(φ21.3mm×3.5mm)。单侧烟道原喷氨格栅结构如图3所示。

图3原喷氨格栅结构

 

由于燃用了高沾污性灰分的煤种,易在低速区积灰。竖直烟道中,烟气向上流动,灰堆积在喷氨格栅母管、支管等背面的低速区,形状类似于刀片。烟道越粗,形成的积灰越高。当积灰高度超过喷嘴后,极易因积灰垮塌而堵塞喷嘴,从而造成大面积的喷嘴堵塞。

2.3流速分布特点

 

对原脱硝装置进行了CFD流场校核计算。图4为原流场三维结构模型。图5为满负荷时喷氨格栅前速度分布。由图5可知:该截面靠后墙及图中右侧区域(在图中标明)速度明显偏高;速度分布偏差较大,平均流速为14.2m/s,最大流速为20.7m/s,最小流速为2.2m/s,相对标准偏差Cv值为24.5%。因烟气中烟尘密度大于气体,因此竖直烟道后墙区域也是高尘区;在脱硝装置入口NOx分布均匀的情况下,高速区烟气流量较大,对应喷氨量也较大;低速区烟气流量小,对应喷氨量小,喷嘴流速低,易堵灰;且高速及高尘区叠加,对喷氨格栅部件的磨损加剧。

图4原流场三维结构模型

图5原流场满负荷时喷氨格栅前速度分布

 

图6为原流场满负荷时顶部水平烟道速度分布。由图6可见,顶部水平烟道平均流速为14.2m/s,最大流速为19.2m/s,最小流速为9.7m/s,Cv值为13.9%,速度分布偏差较大。高速区分布在截面下部分,低速区位于截面顶部。弯头导流板靠近壁面区域流速偏低,易造成堆灰;高速区易造成导流板和内撑杆磨损。

图6原流场满负荷时顶部水平烟道速度分布

 

图7为原流场满负荷时第1层催化剂前速度分布。由图7可见:第1层催化剂前平均流速为4.0m/s,最大流速为4.7m/s,最小流速为1.8m/s,Cv值为15.4%,速度分布偏差较大。低速区将导致催化剂积灰,高速区和高尘区将导致催化剂磨损。速度分布不均,将造成流线入射催化剂的角度偏斜,导致催化剂层上部硬化段失去保护作用,直接磨损催化剂孔内壁。

图7原流场满负荷时第1层催化剂前速度分布

 

3优化方案

 

3.1优化方案

 

造成上述问题的原因包括煤质、喷氨格栅和导流板设计。煤质受煤炭市场因素影响,不易改变;喷氨格栅可更改为不易堵灰的结构类型;可对导流板做优化改造,既需提高流速分布均匀性,又需考虑减轻堵灰的措施。

3.1.1喷氨格栅改造

 

采用西安西热锅炉环保工程有限公司专利技术“一种局部涡流和整体旋流相结合的花瓣型喷氨格栅”替换原喷氨格栅。图8为喷氨格栅单元三维图,图9为单侧烟道喷氨格栅布置。本喷氨格栅将竖直烟道截面分为3×12=36个分区,共144个喷嘴,每个分区对应烟道截面积为0.72m2。

图8花瓣型喷氨格栅单元

图9单侧烟道花瓣型喷氨格栅布置

 

优化后的喷氨喷嘴为从喷氨支管分出4根管径φ45mm的圆管,喷嘴高度为145mm。喷嘴附近无管径较大的圆管,无造成大量积灰的条件,积灰最大高度低于喷嘴高度,喷嘴堵塞概率大幅降低。

 

喷氨格栅上布置混合器圆盘均与竖直方向夹角呈45°,倾角较大,圆盘上不易积灰。上游烟气在流经每组圆盘时,圆盘背部会产生局部低压区,从而使烟气和喷口喷出的氨气-空气混合气卷吸进此低压区内,产生强烈的混合;同时由于每个单元上的4个圆盘都以一定的角度布置,烟气流经此圆盘后产生整体旋转,与在负压区初步混合的氨气-空气混合气产生进一步的剧烈混合;在烟道中,相邻2组喷氨格栅单元上圆盘布置的旋向相异,烟气通过相邻2组喷氨格栅后产生旋向相异的旋转,2个旋转产生交互作用,更进一步增加了湍流强度,大大缩短了氨气-烟气混合均匀所需要的距离。

 

3.1.2导流板改造

 

本次流场优化中导流板改造包括:调整1号及2号弯头导流板位置和角度(图10),以改善喷氨格栅前沿烟道深度方向的烟气流速不均;拆除了原1号扩口导流板,采用了三角形导流板,以改善喷氨格栅前左右方向的速度分布不均;调整3号弯头导流板结构型式,改善顶部水平烟道截面上下分布不均的情况,并在直段导流板下方加装了向下压的导流板,以提高水平烟道壁面和靠近导流板壁板位置的烟气流速,缓解积灰情况;调整4号弯头导流板角度及位置,改善催化剂层入口前后墙速度分布,使入射催化剂的流线竖直进入催化剂。

图10优化后流场结构

 

3.2模拟计算结果

 

优化方案的CFD计算结果显示,优化方案显著改善了速度分布不均,防堵灰性能显著提高,氨气与烟气的混合指标也明显提升。图11为优化后满负荷时喷氨格栅前速度分布。

图11优化后满负荷时喷氨格栅前速度分布

 

由图11可知,该截面前后左右方向流速分布基本均匀,平均流速为14.2m/s,最大流速为16.58m/s,最小流速为10.0m/s,Cv值为7.8%,流速分布偏差明显降低。喷氨格栅前速度分布均匀,这为喷氨格栅的分区调节提供了良好的流场条件,大大减轻了喷氨格栅高速区的磨损速度。

图12为优化后满负荷时顶部水平烟道速度分布。由图12可见:顶部水平烟道平均流速为14.2m/s,最大流速为16.9m/s,最小流速为9.3m/s,Cv值为12.4%,顶部水平烟道流速分布偏差降低;左右方向速度均匀,上下方向呈高速区与低速区交错布置的特点,高速区分布在靠近烟道壁及导流板壁面附近,将有效加强烟气携带灰分的能力,减轻积灰。

图13为优化后满负荷时第1层催化剂前速度分布。由图13可见,第1层催化剂前平均流速为3.9m/s,最大流速为4.2m/s,最小流速为2.9m/s,Cv值为6.2%,速度分布偏差明显减小。这将显著减轻第1层催化剂高速区磨损及低速区积灰情况。

图14为优化后满负荷下第1层催化剂入口截面的氨体积分数分布,该分布为假设喷嘴均匀喷氨时的计算结果。由图14可见,氨体积分数分布Cv值为4.1%。如喷嘴根据催化剂入口NOx分布情况调整分区喷氨量,氨体积分数分布偏差仍将下降。表5为流场优化前后脱硝装置中速度分布情况对比。