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NOx排放值需要滿足超低排放要求，許多燃煤機組選擇性催化還原（SCR）脫硝系統(tǒng)存在還原劑加入過量的現(xiàn)象，因此不僅會導(dǎo)致氨逃逸量超標(biāo)，從而增加運行成本，還會間接的影響到空氣預(yù)熱器等其余污水處理設(shè)備的運行效果。本文將結(jié)合流體動力學(xué)數(shù)值，并從混合角度出發(fā)，帶您一起探究加裝氨空混合器、優(yōu)化母管聯(lián)箱尺寸及采用流場分區(qū)混合對機組SCR脫硝系統(tǒng)氨耗量影響。在某300MW機組采用上述技術(shù)進(jìn)行改造后，機組氨耗量降低約37.8%，每年節(jié)省液氨采購成本68.79萬元，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

首先，介紹下選擇性催化還原（SCR）技術(shù)：這一技術(shù)的主要原理是在催化劑的作用下，NOx與還原劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氮氣和水，達(dá)到脫除NOx的作用。該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于燃煤機組煙氣脫硝處理工作中。

為了減少因為過量噴入還原劑而帶來的負(fù)面影響，那么，在實際生產(chǎn)過程中，優(yōu)化還原劑噴入過程，在保證正常排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下盡可能減少還原劑噴入量，更具有較高的應(yīng)用意義。過去，我們對于優(yōu)化噴氨量的研究多是從自動控制方面入手，本文將結(jié)合實際出現(xiàn)的各類問題，從從噴氨混合系統(tǒng)和流場優(yōu)化兩方面對噴氨量進(jìn)行優(yōu)化。

一、理論理論氨耗量計算

所謂的理論氨耗量其實是根據(jù)脫硝系統(tǒng)設(shè)計邊界條件所計算出來的氨耗量。我們將液氨作為一種還原劑來設(shè)計，當(dāng)液氨蒸發(fā)后，會通過供氨管道注入稀釋風(fēng)管，同稀釋風(fēng)混合后送至母管聯(lián)箱，再經(jīng)噴氨支管由噴嘴進(jìn)入煙道。因此可以根據(jù)理論煙氣量和進(jìn)、出口的NOx質(zhì)量濃度計算出理論液氨耗量：

二、加裝氨空混合器對氨耗量的影響

從安全方面去考慮的話，一般要求純氨氣進(jìn)入稀釋風(fēng)管道后稀釋到5%體積分?jǐn)?shù)以下。并且，要求各支管氨量盡可能一致，以此來保證各支管的噴氨調(diào)節(jié)性能一致。常見的設(shè)計是將氨管道直接插入到稀釋風(fēng)管道內(nèi)，且稀釋風(fēng)管道內(nèi)無氨空混合器。此過程仍需借助相關(guān)設(shè)備完成，比如混合設(shè)備等。本文將通過數(shù)值模擬的方法，比較安裝某公司生產(chǎn)的氨空混合器前后稀釋風(fēng)管道內(nèi)氨組分的分布特性。

該CFD模型計算范圍為自注入口上游1m到氨空混合器下游9m間的管道。

為分析氨的分布情況，管道每間隔0.5m設(shè)置1處監(jiān)測面，共計18處。

CFD模型計算采用壓力基求解器、Standardk-雙方程、壓力-速度耦合、SIMPLE算法、質(zhì)量入口邊界條件，選用組分運輸模型來模擬NH3等組分的混合。

該模型網(wǎng)格數(shù)為3.2萬，最大扭曲度小于0.85。計算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)分別為6.5萬和9.2萬的模型計算結(jié)果一致。

模擬計算得到加裝氨空混合器及其混合距離對氨質(zhì)量濃度分布的影響如圖1所示。由圖1可知：加裝氨空混合器時，隨著混合距離的增加，管道內(nèi)氨分布均勻性會逐漸提高；未加裝氨空混合器的管道在距注入口9m處氨質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)58.5%，而加裝了氨空混合器的管道在距注入口5m處氨質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差已降至4.0%。

圖1配置氨空混合器及其混合距離對氨質(zhì)量濃度分布的影響

圖2距注入口5m處氨體積分?jǐn)?shù)分布云圖

由圖2可見，加裝混合器后整個斷面內(nèi)氨質(zhì)量濃度分布均勻，而未加裝氨空混合器斷面內(nèi)氨質(zhì)量濃度主要集中在靠近注入口一側(cè)的區(qū)域，這就意味著遠(yuǎn)端側(cè)支管內(nèi)氨質(zhì)量濃度必然過低。

如果噴氨格柵前NOx質(zhì)量濃度沿聯(lián)箱內(nèi)氨空混合氣流動方向呈近端低遠(yuǎn)端高分布，則遠(yuǎn)端側(cè)噴氨支管內(nèi)氨質(zhì)量濃度過低，即便噴氨支管手動閥門全開，也會導(dǎo)致該區(qū)域NOx脫除量有限。為了保證出口NOx質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)，只能加大噴氨量。

從節(jié)約氨耗量和實現(xiàn)氨質(zhì)量濃度分布均勻角度考慮，加裝氨空混合器非常必要。氨氣和空氣經(jīng)氨空混合器后進(jìn)入聯(lián)箱，再通過若干組并聯(lián)的噴氨格柵支管進(jìn)入SCR反應(yīng)器。

三、聯(lián)箱直徑對噴氨支管流量的影響

通常噴氨格柵外各支管的尺寸和布置形式一致，因此各支管的沿程阻力系數(shù)接近。氨空混合氣體從聯(lián)箱進(jìn)入各支管屬于大流通域突變到小流通域，局部阻力系數(shù)與支管截面面積和聯(lián)箱截面面積的比值成正比。

以300MW機組為例，建立了從母管聯(lián)箱到噴嘴之間的CFD模型。每個聯(lián)箱上引出10只噴氨支管，每只支管中部設(shè)置1個流量監(jiān)測面。模型網(wǎng)格數(shù)分別為11萬、14萬和17萬時計算結(jié)果一致，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證。模擬計算得到3種不同直徑的聯(lián)箱對噴氨格柵支管流速的影響，結(jié)果如圖3所示。其中，A聯(lián)箱直徑為406mm，B聯(lián)箱直徑為273mm，C聯(lián)箱直徑為219mm。

圖3聯(lián)箱尺寸對噴氨格柵支管流量的影響

由圖3可知，聯(lián)箱的直徑越大，氨空混合系統(tǒng)的全壓差越小，各個支管出口的流速和壓力分布越均勻，噴氨格柵適應(yīng)不同負(fù)荷不同NOx分布的能力也就越強。如果聯(lián)箱直徑偏小，會造成近端支管氨流量偏低，若該支管對應(yīng)煙道內(nèi)該區(qū)域NOx質(zhì)量濃度過高，且調(diào)小其余噴氨支管蝶閥開度后氨流量仍無法滿足，則只能增大總噴氨量。但聯(lián)箱直徑也不宜過大，否則經(jīng)濟(jì)性會降低，因此需綜合現(xiàn)場實際布置空間選擇合適的聯(lián)箱直徑。

四、流場分區(qū)混合對氨耗量的影響

超低排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行后，許多燃煤機組存在氨逃逸過量等多個負(fù)面影響，究其原因是SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx分布偏差過大，脫硝系統(tǒng)流場設(shè)計的均勻性差，噴氨系統(tǒng)不具備適應(yīng)多負(fù)荷變工況能力所致。對此，可采用流場分區(qū)混合技術(shù)來控制噴氨量優(yōu)化混合過程，最大化降低氨逃逸量，提高SCR脫硝系統(tǒng)的脫硝效率。

1、分區(qū)混合技術(shù)原理：首先在入口煙道內(nèi)加裝大范圍混合器，降低入口NOx質(zhì)量濃度分布偏差；然后根據(jù)煙道尺寸截面，將噴氨格柵及其后續(xù)煙道分成2~4個區(qū)，每個分區(qū)內(nèi)加裝分區(qū)混合器對煙氣進(jìn)行強烈混合。相鄰分區(qū)的混合器旋向按反向設(shè)置，這樣可以實現(xiàn)分區(qū)內(nèi)煙氣獨立旋轉(zhuǎn)而分區(qū)間無煙氣互串。分區(qū)混合器作用下煙氣旋轉(zhuǎn)流線如圖4所示。

圖4分區(qū)混合器作用下煙氣旋轉(zhuǎn)流線示意

此外，還應(yīng)在催化劑后各煙氣分區(qū)出口加裝巡測煙氣連續(xù)排放檢測系統(tǒng)（CEMS），根據(jù)分區(qū)出口的NOx質(zhì)量濃度調(diào)整各分區(qū)的噴氨量，以實現(xiàn)各分區(qū)內(nèi)氨氮摩爾比均勻且接近理論值，NOx在高效脫除的同時所用氨量最低。

2、分區(qū)混合技術(shù)應(yīng)用案例：以某300MW機組超低排放改造為例。改造后該機組SCR脫硝系統(tǒng)存在催化劑磨損嚴(yán)重、煙氣流速分布不均、氨耗量大、空預(yù)器堵塞等問題。

為便于比較分區(qū)混合優(yōu)化前后NOx質(zhì)量濃度分布情況，引入考核指標(biāo)S，即首層催化劑入口NOx濃度（體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量濃度，下同）與氨濃度的差值。該值定義為SCR脫硝系統(tǒng)理論出口NOx排放質(zhì)量濃度，可以直接反應(yīng)NOx脫除的完善程度及還原劑是否過量。

圖5為原始結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷工況下首層催化劑前截面S分布云圖，表1為該截面S折算值。由圖5和表1可見，S折算平均值為30mg/m3時，S脫硝最大值為113.3mg/m3，最小值為–120.0mg/m3，此時模擬的氨空混合氣體流量為0.79kg/s（氨體積分?jǐn)?shù)為5%，下同）。

圖5原始結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷首層催化劑入口S分布云圖

表1原始結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷下首層催化劑入口S折算值

對該300MW機組脫硝系統(tǒng)進(jìn)行CFD數(shù)值建模及分區(qū)混合優(yōu)化設(shè)計，模型范圍從省煤器出口到空預(yù)器入口間煙道。除噴氨格柵、混合器采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外，其余區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對關(guān)鍵部位加密處理。該模型網(wǎng)格數(shù)量為709萬。

表2為分區(qū)優(yōu)化后滿負(fù)荷下首層催化劑入口S折算值，該工況下S分布云圖如圖6所示。結(jié)果顯示，S折算平均值為30mg/m3時，S脫硝最大值為41.7mg/m3，最小值為–0.3mg/m3。可見分區(qū)混合優(yōu)化后，NOx分布均勻性較原結(jié)構(gòu)提升效果顯著，另外氨空混合氣流量降為0.56kg/s，理論上分區(qū)混合優(yōu)化后可節(jié)約32.9%的液氨耗量。

表2分區(qū)優(yōu)化后滿負(fù)荷下首層催化劑入口S折算值

圖6分區(qū)優(yōu)化后滿負(fù)荷首層催化劑入口S分布云圖

五、改造效果：

1、本文從加裝氨空混合器、優(yōu)化聯(lián)箱母管尺寸及分區(qū)混合優(yōu)化等氨空混合技術(shù)入手，通過提高噴氨均勻性，有效避免了局部NOx脫除效率過低，氨逃逸量增大的情況發(fā)生，從而降低機組的氨耗量。對某300MW機組進(jìn)行分區(qū)優(yōu)化改造后，在滿足深度減排標(biāo)準(zhǔn)的同時氨耗量較改造前明顯下降，單機平均氨耗量由66.75kg/h降至41.5kg/h，可節(jié)約37.8%，每年單臺機組可節(jié)約液氨209t，節(jié)約液氨采購費68.97萬元。

2、加裝氨空混合器并保證一定混合距離，保證了氨與稀釋風(fēng)的均勻混合，避免因氨組分混合不均造成的還原劑過噴。

3、優(yōu)化聯(lián)箱母管尺寸，可在兼顧經(jīng)濟(jì)性的同時提高各噴氨支管流量的均勻性，避免因氨空混合氣流量不均造成的還原劑過噴。

4、NOx采用分區(qū)混合優(yōu)化技術(shù)，在各分內(nèi)實現(xiàn)氨氮摩爾比均勻分布且接近理論值，保證NOx在高效脫除的同時所用氨量最低，避免因入口NOx分布偏差過大造成的還原劑過噴。

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