某电厂脱硝流场优化的研究与应用

廖大兵 刘求阳 崔乘亮 徐兵

摘要：SCR脱硝的核心装置是脱硝催化剂，为完全发挥催化剂的催化效果，需要保证系统的流场分布非常均匀，将气体扩散理论和表面化学反应理论应用于烟气脱硝应过程，建立反应速率模型，改善SCR性能的方法与措施，用均布导流板优化入口烟道流场和用放射排列直板导流板结合整流器优化反应器流场的方案，确定并验证机组入口烟道、反应器的流场优化方案，消除SCR反应器催化剂入口速度不均的现象，延长催化剂使用寿命，提高脱硝效率。

关键词：脱硝；流场；优化

1 前言

对于SCR脱硝反应装置而言其核心是脱硝催化剂，在催化剂的作用下烟气中的NOx与NH3快速反应生成N2和H2O。为完全发挥催化剂的催化效果，需要保证系统的流场分布非常均匀，包括温度分布、氨气和氮氧化物的分布、流速分布等，另外为了保证SCR脱硝反应器能够长期有效地运行，烟道内不能积灰，积灰严重会造成堵塞，使设备压损增大，并且影响后续设备的使用寿命，还直接影响脱硝效率。

目前，脱硝主要采用选择性催化还原（SCR）工艺烟气脱硝系统，SCR反应器布置在省煤器与空预器之间的高含尘区域，国内较多燃煤电厂脱硝装置存在堵塞和塌方的现象，某电厂脱硝装置运行五年后，也发现催化剂存在局部塌陷的现象，且脱硝出口不同位置的NOx浓度偏差较大，氨逃逸有超过3ppm的现象。通过现场查看催化剂磨损和塌陷导致出现催化剂磨损和塌陷的主要原因是催化剂层速度不均匀系数偏大。因此通过对现有导流板布置情况下，反应器内速度场数值模拟研究，得到速度场分布的规律，尤其是第一层催化剂上截面速度分布不均匀系数，找到催化剂磨损和塌陷的原因，进行优化改进，提高脱硝效率和催化剂寿命。

2 流场试验及数据

为了解该电厂脱硝流场的实际情况及速度场分布的规律，对脱硝装置第一层催化剂上方新增了流场测试点，并在330MW和300MW两种工况下对脱硝装置的进出口进行了流场测试，测试结果显示催化剂上方流场极不均匀，偏差较大。同时，采用网格法对脱硝出口不同位置的NOx进行了测量，发现NOX相对标准偏差较大，见表1。

流场不均匀，引起NOX相对标准偏差较大，不仅影响脱硝效率，造成液氨的大量浪费，还会使氨逃逸增加，极容易引起空预器的堵塞。因此，需要进行脱硝导流板的优化改进。

建立模型与理论研究

利用模型通过流场模拟来确定SCR脱硝反应器内部构件是一种很好的设计方式， 该方式的关键在于设计一种能够真实反映出模拟SCR脱硝系统流场状况组合系统。脱硝装置在国内应用较晚，对脱硝流场优化研究较少。提高脱硝效率、延长催化剂寿命是目前的研究热点。结合测试数据，并利用计算流体力学软件对SCR脱硝系统进行数值模拟仿真，可为脱硝反应器烟道、导流板及喷射系统的设计和改进提供重要依据和设计参数。

3.1 建立模型理论依据

催化剂层速度不均匀系数其定义式为：

xi为每个测点的参数值，x为平均值，偏差值越小，速度分布均匀性就越好。在工程应用中，通常要求催化剂入口截面处速度分布的最大偏差要小于15%。

图1为数值模拟计算区域以及坐标系统。数值模拟坐标原点定义在图1所示位置。为了方便描述导流板所在的位置，第一层催化剂上面位置处的导流板定义为右上角位置。

数值模拟计算区域选取从省煤器出口要反应器出口，整个数值模拟网格规模为100万网格点。

结合设计及工厂经验，初步拟定导流板优化改进方案为：在原有7块弧形导流板的基础上，反应器左上角增加直形导流板，反应器右上角导流板之间增加1块弧-直型导流板，共增加8块弧-直型导流板。

建立数值模型后，借助试验软件，下一步进行建模分析及验证。

3.2 数值模拟结果及分析

通过计算得到，第一层催化剂入口截面上速度分布标准偏差系数为10%，偏差较小，已经完全满足优化的要求。

4优化效果

脱硝导流板优化完成，在机组连续稳定运行一个月后，对脱硝装置的流场和性能进行了测试。试验时，机组负荷稳定，保证锅炉运行方式不变，在脱硝反应器入口烟道进行烟气流速场测试。根据测试结果，入口流速场相对标准偏差为10.68%。

同时，对脱硝出口NOx浓度进行了测试，在保证氨逃逸稳定且不超标的前提下，发现出口NOx相对分布均匀，出口NOX相对标准偏差为9.36%，对比优化调整前测试数据， 出口NOX相对标准偏差明显减小。

5结论及建议化

结合某电厂催化剂局部坍塌、脱硝出口浓度不均的问题，結合试验测试及建模理论分析，得出脱硝流场不均匀，速度偏差较大，并进行了优化脱硝导流板的改进措施。实施后，经试验测量，脱硝流场得到优化，反应器入口流速场相对标准偏差为10.68%；对脱硝反应器出口各点NOx浓度进行了测量，发现脱硝出口NOx浓度变得更加均匀，相对偏差降低到9.36%。通过对脱硝流场的优化，彻底满足反应器速度分布偏差系数CV≤15%的要求，有效延长催化剂使用寿命，提高脱硝效率，减少氨逃逸，节省喷氨量，有效防止空预器堵塞等问题，对于电厂节能减排具有良好的作用。

作者简介：

廖大兵（1981年），男，华润电力控股有限公司，主任工程师，硕士，工程师。

刘求阳（1972年），男，华润电力控股有限公司华南大区，副总经理，硕士，工程师。

崔乘亮（1971年），男，广州华润热电有限公司，副总经理，本科，工程师。

徐兵（1987年），男，广州华润热电有限公司，节能工程师，本科，初级工程师。