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【技术汇】超低排放形势下脱硝流场优化调整技术应用

北极星电力网新闻中心  来源:电力行业节能环保公众服务平台  作者:周天 马聪  2018/5/17 10:01:30  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 超低排放 脱硫脱硝 煤电机组

北极星火力发电网讯:摘要: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。

(来源:电力行业节能环保公众服务平台 作者:周天 马聪)

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

初装层催化剂设计数据表

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。

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