660MW燃煤机组脱硝系统优化改造

660MW燃煤机组脱硝系统优化改造
摘要：燃煤发电机组脱硝系统烟气流场均匀性对脱硝效能和催化剂寿命有重
要影响，烟气流场由烟气中颗粒浓度场和速度场组成，因此，脱硝系统烟气流场
优化时，应将二者作为一个整体。

文章主要对660W超超临界燃煤电厂SCR烟气
脱氮流程处理优化流程进行说明，以燃煤煤种为基础，催化剂容量为依据、在燃
烧方式和其他影响机组正常平稳运行工况因素未发生大范围变化的情况下，在不
考虑反应器内催化剂发生大范围区域性堵塞和磨损的基础上，提出了如何处理催
化剂问题、烟道规律性积灰导致脱硝效率降低，喷氨量升高，氨逃逸加剧等问题；及流程优化之后，如何解决脱硝喷氨不均匀，催化剂积灰等问题所采取措施。

关键词：660MW燃煤机组；脱硝系统；优化改造
前言：
随着我国环保法律越来越严，对于火电厂脱氮系统的可靠性和连续性要求越
来越高。

火电厂SCR反应器出口NOx质量浓度分布不均，容易导致仪表显示反应
器出口NOx质量浓度偏离烟囱排放NOx质量浓度。

此时，通常通过增加喷氨量来
满足NOx排放标准，然而这必然带来氨逃逸量较大等问题。

为了在保证脱硝效率
前提下减少氨气逃逸量需满足如下3点，第一，脱硝系统烟气流场均匀；第二，
氨气在脱氮系统中喷射均匀且与烟气充分混合；第三，根据催化剂的效率对喷氨
的各个支管阀门的开度进行有理有据的调节。

一、机组概况
锅炉由哈尔滨锅炉制造有限公司设计制造的超超临界参数变压运行直流炉，
采用Π型布置，单炉膛、一次再热、平衡通风、固态排渣、紧身封闭布置、联
合侧煤仓、全钢构架、全悬吊结构、低NOx主燃烧器、四角切圆燃烧方式。

型号
为HG-2000/28.25-HM15。

脱硝系统采用选择性催化还原法(SCR)技术，还原剂采用尿素，催化剂层数按2+1设置，设计脱硝效率≥83％，出口NOx浓度≤35mg/Nm³。

SCR反
应器布置在省煤器之后空预器之前的烟道上。

催化剂最低连续运行烟温300℃、最高连
续运行烟温420℃,脱硝投入条件：300-420℃。

脱硝装置采用选择性催化还原法(SCR)技术，SCR反应器布置在省煤器之后空预器之前的烟道上，催化剂层数2层运行1层备用设计(2＋1)；装置不设烟气旁路，脱硝用反应剂为含氮量46％的尿素，两台锅炉共用2套制氨系统；系统设有蒸汽及声波吹灰装置；
在锅炉燃用设计煤种、最大连续工况、100％烟气量、2层催化剂、催化剂化学寿命期内脱硝效率不低于80％；168小时试运后，性能考核试验脱硝效率保证值不低于87％
二、SCR系统存在的问题
（一）脱硝系统烟气流场
通对现场进行踏勘并调阅图纸，发现该导流板安装在整个系统中，其位于底部烟道的弯头位置和上部烟道的折转位置。

省煤器出烟道变径处及顶部烟道弯头处没有经过优化，会造成喷氨格栅内流场分布不均及催化剂进口截面流速分布不均等问题。

（二）喷氨格栅及喷嘴
原布置形式是沿细直管走向设置若干喷嘴，但此易导致同一分支管喷嘴口喷氨量不均；此外，喷嘴直径大对于烟道截面覆盖性较差，很难保证烟气和氨气在进入催化剂层过程中均匀分布。

所以喷氨格栅的优化改造是非常必要的。

（三）氨气-烟气混合装置
现在SCR脱氮系统烟道中设置的氨气-烟气扰流器，是在烟道中沿宽，深两个方向相交分布所构成的网格式圆管。

该布置形式对烟气均流效果较好，而对喷氨之后氨气和烟气强制扰流效果较小，故需重新进行氨气-烟气扰流器设计以加强氨气和烟气掺混。

三、原始结构模拟结果分析
脱硝烟道内设有若干组导流板，导流板实际排列和不同磨损程度引入DPM模型中，整个过程CFD仿真使用DPM模型，连续使用标准k-ε方程进行求解并考
虑了颗粒相对流场引起的湍流影响。

烟气流速4.3m/s飞灰质量流量30 kg/s,出口采用压力出口。

颗粒粒径采用rosin-rammler分布规律，分为10组粒径，最小粒径为0.004mm,最大粒径为0.2mm,平均粒径为0.04mm,1:1建模。

整个流场中速度分布不均，特别是喷氨管上段和催化剂区域内速度分布显着不均，催化剂部位有涡流产生；喷氨管进口位置处流速分布不均，沿宽度方向上，左流速较小，右流速较大；催化剂区域的流速呈现出前墙流速低，后墙流速高的趋势；右侧边和后墙位置处颗粒质量流量偏大，更符合实际情况催化剂后墙积灰更严重，而前墙测量催化剂磨损和测量流速偏大是由于后墙处催化剂区域处于烟气颗粒质量流量较大时，发生催化剂堵塞和积灰使烟气在后墙区域通过前墙而产生烟气涡流现象引起。

四、脱硝系统优化方案
烟气出口水平截面外有一范围较大的低速涡流区且烟气流速沿水平方向分布不均。

入口烟道垂直段喷氨格栅断面烟气流速分配不均。

入口烟道垂直段的垂直截面外还出现了范围较大的低速区和烟气流速横向分布不均。

考虑到流场分布不均，在省煤器出口烟道和省煤器催化剂顶部烟道分别加装导流元件并加装导流元件，提高喷氨格栅进口烟气流场的均匀分布，取消催化剂区域内低速流体区域，降低催化剂层进口截面速度偏差。

在SCR系统优化时，入口烟道喷氨截面烟气流场已趋于均匀分布，并对SCR顶部导流元件进行调整之后，进入首层催化剂进口断面上烟气分布非常均匀且流向基本与催化剂垂直。

（一）优化氨-空扰流器
新型设计的氨-空扰流器采用了固定于管道中的混合单元体来改变管道内流体的流动状态、提高流体运动速度梯度或者形成新型湍流，从而达到氨气和空气很好地分散并完全混合的目的。

增加氨-空扰流器以后，氨气在管道中分布的均匀性将逐步改善；氨气在管道中的分布相对标准偏差从58.5%减小到10.0%。

（二）加装氨-烟混态扰流发生器
目前SCR脱硝设备通常在AIG（Ammonia Inject-ion Grid,喷氨格栅）前增加导流板，以消除烟气速度偏差，但是AIG与催化剂间烟道一定要够长以确保烟
气扩散，稀释及混合时间够长。

已有系统烟道短小，故建议在AIG后增加氨-烟
混态扰流发生器以提高SCR反应器进口NH3/NOx均匀分布。

烟气流经扰流器时湍
流强度加大，对扰流器外形及安装位置进行了合理设计，利用扰流作用增强了氨
气对烟气的强制掺混强度及作用。

（三）喷格栅分区改造
对喷氨格栅进行了优化设计，采用CFD（Computational Fluid Dynamics,计
算流体动力学）对喷氨格栅喷嘴角度和数量进行了仿真计算，使得每个喷嘴喷氨
更均匀，同时实现了喷嘴的防磨防堵灰，增加了喷氨的均匀性与可靠性。

在实际
运行中，烟道被划分为前后和左右四个大区，设电动调节阀对小区喷氨量进行控制，每个小区设六组小区，小区分别设手动截止阀进行控制。

喷氨管路上共设置
了四个电动调节阀和24个手动截止阀对烟道喷氨量进行双深度调节。

每个小分
区设置4根喷嘴集管，每根集管上错列双向布置14个喷嘴，喷嘴数量是改前的2倍。

大集管-小喷嘴方式可达到集管中各个喷嘴所受压力大致相同，进而使得集
管中各喷嘴喷射速度大致相同。

优化喷氨格栅，实现烟道全方位分区控制并改善
喷氨均匀性。

优化喷氨格栅具有以下优点:a）集管直径与喷管直径优化，使得每
个喷嘴流速大致相同；b）对喷嘴孔径进行优化，使氨喷射速度保持在合理范围内，并对喷射夹角进行合理设计，安装喷嘴扰流防磨板以方便氨气向烟气扩散和
掺混，避免喷口磨损和积灰；c）对氨喷射系统管道阻力进行优化。

五、流优化后运行工况
流场优化改造完成后在同一负荷下用同样方法测试了脱硝入口烟道和反应器
催化剂入口速度场，获得了改造前的A、B侧反应器进口烟道的平均流速都在
8.63 m/s之间，其相对标准偏差分别是34.6%和33.8%；改造后：平均流速分别为:9.9 m/s和10.53 m/s,相对标准差分别为14.72%和14.9%；改造前:A和B侧
反应器催化剂进口平均值分别为3.24m/s和3.23 m/s,其相对标准偏差为30.7%。

经过改造：平均速度为4.14m/s和3.80m/s；RSD为49.7%和41.3%。

脱去入口流
场较改造前均匀性显着改善，且改造后流场平均流速较改造前增大，单个位置流
速较低与烟道内支撑件，烟道积灰影响相关。

与优化改造之前相比，同等运行条件下喷氨量节省了至少80 Nm3·h-1,氨逃
逸减少了30ppm左右，且下游空预器差压无增长趋势，电除尘出力稳定，尤其是
在机组深入调峰时，在净烟氮氧化物限值排放及喷氨量方面流程优化效果更加明显。

结语：
在燃煤机组脱氮流场优化及喷氨系统改造中，主要采取了改造喷氨格栅及优化氨
-空扰流器，氨-烟混态扰流发生器等措施，实现烟道流场优化。

结合实际660 MW
机组工程方案，为同类机组重系统的优化改造提供重要借鉴，具有十分重要的理
论价值与工程应用效果，它在改善地方大气环境质量方面发挥着举足轻重的作用，有很好的宏观和社会效益，也为我国节能减排尽了自己的绵薄之力。

参考文献：
[1] 曹志勇，谭城军，李建中，等.燃煤锅炉 SCR 烟气脱硝系统喷氨优化调
整试验[J].中国电力，2011，44(11)：55-58.
[2] 邻红果，啜广毅，张丽丽，等.CFD 模拟对 SCR 系统流场及性能的优化[J].环境工程，2019，37(12)：149-152.。