电站锅炉SCR脱硝旁路烟道改造数值模拟及应用

王敦敦，刘峰，陈珣，吕当振，杨益

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙湖南410007；2.长安益阳发电有限公司，益阳湖南413000)

电站锅炉SCR脱硝旁路烟道改造数值模拟及应用

王敦敦1，刘峰2，陈珣1，吕当振1，杨益1

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙湖南410007；2.长安益阳发电有限公司，益阳湖南413000)

某电厂在机组低负荷运行时，SCR脱硝装置入口烟温低于脱硝反应最低温度，导致SCR无法正常运行。采取了在锅炉转向室后抽出高温烟气，与低温烟气进行混合，提高SCR入口烟气温度的技术改造措施。通过数值模拟及试验，研究了旁路烟道布置方式对混合后烟气温度分布的影响以及改造前后锅炉效率、烟温分布变化的情况。

SCR脱硝；旁路烟道；数值模拟；烟气温度

随着中国对于大气环保的更高要求，电站锅炉必须进行脱硝改造，目前采用最多的是选择性催化还原脱硝装置(SCR)〔1〕。由于部分火电厂锅炉在设计初期烟气脱硝问题考虑不足，导致改造后的脱硝系统存在低负荷下入口烟气温度低问题，在环境温度低的情况下尤其明显。当锅炉低负荷运行时，烟气温度易低于反应温度，脱硝催化剂会发生副反应，效率降低。因为生成物会附着在催化剂表面，堵塞催化剂的通道和微孔，降低催化剂的活性，严重者会产生催化剂低温中毒失去活性，导致脱硝效率大幅下降，甚至导致脱硝装置无法投运〔2－3〕。锅炉在低负荷运行时，风量难以降低，NOx生成量较高，因此需解决低负荷下的脱硝投运问题。

提高SCR反应器入口烟温方法一般有高温烟气加热、省煤器分段布置、旁路部分给水、提高给水温度等〔4〕。采用烟气加热技术对于烟温的调节范围广，运行控制方法简单，在电厂逐渐得到应用。

1 脱硝旁路烟道改造

某电厂二期工程3，4号锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的660MW超临界对冲燃烧锅炉，型号为HG－1913/25.4－PM8。经过脱硝改造后，锅炉尾部增加脱硝装置，采用选择性催化还原法(SCR)。该厂改造后采用的催化剂理论最低运行温度为310℃，3，4号锅炉在低负荷运行时，脱硝入口烟气平均温度经常低于310℃。

为保证脱硝系统在全负荷段均能正常投运，通过技术改造，在左右侧尾部烟道上各安装一个旁路烟道，布置图如图1所示。旁路烟道从转向室引出高温烟气，连接至脱硝前下部水平烟道。在旁路烟道上部安装有隔绝电动门，旁路烟道下部安装有电动调节门，调节门后安装有烟气温度测点。在锅炉高负荷运行SCR入口烟气温度大于310℃时隔绝电动门和调节电动门处于关闭状态，旁路烟道关闭。当入口烟气温度低于310℃时，手动将隔绝门打开，并通过调门调整高温烟气流量，控制脱硝入口烟温在合适范围内。

图1 脱硝旁路烟道安装位置示意图

旁路烟道的设计数据见表1，高温烟气来自过热器上部的转向室处，该部位在50%BMCR工况下烟气温度约为600℃。根据计算，抽取的烟气量只占总烟气量的6.7%，对锅炉整个系统影响较小。

表1 旁路烟道设计数据

2 烟气混合数值模拟

通过数值模拟分析旁路烟道加入后对脱硝入口烟气温度的影响。建立从省煤器出口至脱硝入口之间的烟道模型，数值模拟控制方程采用连续性方程、动量方程和能量方程。采用标准k－ε双方程模型模拟湍流流动，组分传输模型模拟烟气的混合，采用标准壁面函数模拟壁面的流动及传热。主烟道入口和脱硝旁路烟道入口采用速度入口边界条件。

按照设计工况，结合实测数据进行的烟道传热模拟，烟气流量为1 268.8 t/h，旁路烟气流量为85 t/h，旁路烟气温度设定为578℃，烟道入口平均温度设定为302℃。烟气组分质量分数设定分别为O2＝0.068 7，CO2＝0.198 7，H2O＝0.061 3，该组分设定对应的各气体体积分数为O2＝6.3%，CO2＝13.2%，H2O＝10%。

图2为标准工况下，脱硝入口烟道温度分布模拟结果与实测结果的对比。模拟结果与实测结果在分布趋势上基本一致，模拟计算值和实测温度值基本吻合，这表明模拟计算与实际情况基本相符。

图2 模拟结果与实测结果对比

图3为标准工况下整体烟道系统垂直截面上的分布图，高温烟气从旁路烟道以一定角度进入尾部烟道，与低温烟气进行混合，由于高温烟气流量低，混合仅在烟道上部区域进行。

图3 烟道系统垂直截面上温度分布图(K)

图4为脱硝入口水平截面上的温度分布，高温区域位于烟道中前部位，两侧温度逐渐降低。

图4 脱硝入口水平截面上温度分布图(K)

通过改变旁路烟道的烟气流量，模拟计算流量变化对脱硝入口烟道温度分布的影响。将旁路烟道高温烟气流量按照3种工况进行设定，分别为85t/h，63 t/h和42 t/h。图5所示为流量变化后，脱硝入口烟道平均温度沿宽度方向的分布。可以看出，随着高温烟气流量降低，脱硝入口烟道温度逐渐降低，且分布趋于平均。在50%BMCR负荷下，全开旁路烟道，高温烟气流量为设计流量(85 t/h)时，脱硝入口平均温度为325℃，但是仍有部分边缘趋于温度低于脱硝安全温度(310℃)。当流量降低为设计流量一半时(42 t/h)时，脱硝入口平均温度为308℃，低于脱硝安全运行温度。

图5 高温烟气流量变化对脱硝入口烟道温度分布影响

3 旁路烟道投运对机组的影响

3.1 对锅炉效率的影响

在50%BMCR负荷下，对脱硝旁路烟道的投退进行试验，分析其对锅炉效率，试验煤质见表2。

表2 试验煤质

脱硝旁路烟道投入前，未修正锅炉热效率为93.98%，脱硝旁路烟道投入后，电动隔绝挡板和调节挡板全开，未修正锅炉热效率为93.78%，锅炉效率下降0.2%。锅炉效率降低是由于部分高温烟气从转向室引出，未经过低温过热器(再热器)和省煤器吸热，直接与烟气混合，造成排烟温度升高，排烟损失增大。

3.2 对脱硝入口烟温分布的影响

在50%BMCR负荷下，通过测量脱硝旁路烟道投运前后的入口烟气温度，分布如图6所示。测点位于左侧脱硝入口垂直烟道处，以烟道垂直中心点为零点，图中所示为烟气温度沿宽度方向(左右侧)的分布，此时环境温度为28℃。

总体看，旁路烟道投运前，脱硝入口烟温宽在度方向呈典型的半“M”型分布，此时平均烟气温度为302℃，无法满足脱硝要求；当调节门全开时，根据DCS显示，旁路烟道烟气温度为578℃，此时脱硝入口烟温平均值为327℃，能满足脱硝要求。但是，由于旁路烟道截面积比原有水平烟道小，高温烟气混合不均匀，导致脱硝入口烟气温度沿宽度方面偏差变大，部分靠近左侧烟道边缘处的烟气温度低于310℃。

根据数字模拟结果和现场试验结果可知，旁路烟道直接与尾部烟道相连，烟气温度相差较大，烟气混合时间少，扰动小，导致混合后的烟气温度在宽度方向上偏差变大。混合后的平均烟气温度虽然能够满足要求，但是烟道边缘部分烟温仍低于脱硝理论运行温度，会降低边缘区域的催化剂的活性。以上问题可以通过调整旁路烟道的布置，增加导流板，增强烟气的混合换热等方面进行优化改进。

图6 旁路烟道投运对脱硝入口烟气温度影响

4 结论

1)通过安装旁路烟道，在低负荷下显著提高了脱硝入口烟气温度，实现全负荷脱硝高效运行，可有效避免低负荷下脱硝退出或效率下降导致的氮氧化物超标排放。

2)旁路烟道投运后，排烟损失增大会导致锅炉效率略有降低，也会导致脱硝入口烟温在宽度方向上的分布偏差扩大，旁路烟道布置方式和烟气混合换热方面仍有改进空间。

〔1〕刘建民.火电厂氮氧化物控制技术〔M〕.北京:中国电力出版社，2012.

〔2〕蒋晓锋，朱一飞，马欣敏，等.锅炉SCR脱硝改造中反应温度的保证〔J〕.电站系统工程，2015，34(4):55-57.

〔3〕杨青山，廖永进.降低SCR脱硝装置最低投运负荷的策略研究〔J〕.中国电力，2014，47(9):153-155.

〔4〕谢尉扬.提高SCR反应器入口烟气温度的技术方法〔J〕.中国电力，2015，48(4):36-39.

Power plant boiler SCR denitration bypass flue numerical simulation and application

WANG Dundun1，LIU Feng2，CHEN Xun1，LV Dangzhen1，YANG Yi1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Chang'an Yiyang Power Generation Co.，LTD，Yiyang 413000，China)

A power plant SCR entrance gas temperature was lower than the safe reaction temperature in low load condition，which led to the abnormal operation of the SCR.Through technical renovation，high temperature flue gas was removed from the boiler steering room，which mixed with low temperature flue gas to increase the SCR flue gas temperature of entrance.This paper studies SCR the bypass flue arrangement influence on the distribution of mixed flue gas temperature through numerical simulation.The boiler efficiency and flue gas temperature distribution changes are analyzed through the tests.

SCR denitration；bypass flue；numerical simulation；gas temperature

TM621.2

B

1008-0198(2016)05-0051-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.013

2016-01-26