因此，本文從氨空混合的觀點出發(fā)，通過計算流體動力學(xué)(CFD)軟件的數(shù)值模擬，探索安裝氨空混合器、優(yōu)化母管的連箱尺寸、采用流場區(qū)域混合對單元SCR脫硝系統(tǒng)的氨消耗量的影響。某300MW單元采用上述技術(shù)改造后，單元氨消耗量減少約37.8%，每年節(jié)約液氨采購成本68.79萬元，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

選擇性催化還原SCR技術(shù)廣泛應(yīng)用于燃煤機(jī)組煙氣脫硝處理，其原理是在催化劑的作用下，NOx與還原劑產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，生成氮氣和水，達(dá)到脫NOx的作用。

過量噴入還原劑會增加NOx氨的逃脫量，在增加設(shè)備的安全危險性的同時，空氣預(yù)熱器(空氣預(yù)熱器)堵塞，吸塵器的膠袋掛灰等問題會增加運(yùn)行成本，例如鼓風(fēng)機(jī)的電流增加，液氨的購買費(fèi)用增加等。實際生產(chǎn)中部分電廠的入爐煤質(zhì)較差，含硫量過高，空預(yù)器堵塞已成為普遍現(xiàn)象和亟待解決的難題。所以優(yōu)化還原劑噴入過程，在保證排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下盡可能減少還原劑噴入量，具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義和應(yīng)用前景。過去，對噴射量優(yōu)化的研究大多從自動控制開始。本文結(jié)合實際問題，從噴霧混合系統(tǒng)和流場優(yōu)化兩方面優(yōu)化噴霧量。

1理論氨消耗量計算

理論氨消耗量是根據(jù)脫硝系統(tǒng)設(shè)計界限條件計算的氨消耗量，也是本文氨消耗量優(yōu)化的最終理想目標(biāo)。本文以液氨為還原劑，液氨蒸發(fā)成氣體狀態(tài)后，通過供氨管道注入稀釋管道，與稀釋管道混合后送入母管箱，通過噴射氨管道從噴嘴進(jìn)入煙道。

根據(jù)反應(yīng)式(1)，NOx和NH3的理論當(dāng)量比(氨氮摩爾比)為1，因此可以根據(jù)理論排煙量和進(jìn)出口的NOx質(zhì)量濃度計算理論液氨消耗量:

但受反應(yīng)速度、排煙混合等因素的影響，實際運(yùn)行中氨氮摩爾比略高于理論值1:

式為實際氨氮摩爾比，通常取1.05。

2添加氨空混合器對氨消耗量的影響

考慮到安全性，要求純氨進(jìn)入稀釋管道后稀釋到5%以下。另外，為了保證各支管的噴氨調(diào)節(jié)性能一致，希望各支管的氨量盡量一致。有些單元的設(shè)計是將氨管直接插入稀釋管內(nèi)，稀釋管內(nèi)沒有氨空混合器。

實際上，僅靠管內(nèi)氣流本身的混合和部分的擴(kuò)散就無法實現(xiàn)氨和空氣的均勻混合，需要混合設(shè)備。對此，本文通過數(shù)值模擬的方法，對西安熱工研究院有限公司生產(chǎn)的氨空混合器前后稀釋風(fēng)管內(nèi)氨組分的分布特性進(jìn)行比較。該CFD模型的計算范圍為自注入口上游1m至氨空混合器下游9m之間的配管。

為了分析氨的分布情況，管道每隔0.5m設(shè)置1處監(jiān)視面，共18處。CFD模型計算采用壓力基解決器、Standard-K-Pard、壓力-速度耦合、SIMPLE算法、質(zhì)量入口邊界條件，選擇組件運(yùn)輸模型模擬NH3等組件混合。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。

模擬計算如圖1所示，添加氨空混合器及其混合距離對氨質(zhì)濃度分布的影響。圖1顯示，安裝氨空混合器時，隨著混合距離的增加，配管內(nèi)氨分布的均勻性逐漸提高，未安裝氨空混合器的配管離注入口9m處的氨質(zhì)濃度相對基準(zhǔn)偏差達(dá)到58.5%，安裝氨空混合器的配管離注入口5m處的氨質(zhì)濃度相對基準(zhǔn)偏差達(dá)到4.0%

圖1配置氨空混合器及其混合距離對氨質(zhì)濃度分布的影響

圖2比較了是否配置氨空混合器的2種配置，距注入口5m處氨質(zhì)濃度分布云圖。

圖2距離注入口5m處氨體積分布云圖

從圖2可以看出，加入混合器后，整個斷面內(nèi)的氨質(zhì)濃度分布均勻，未加入的氨空混合器斷面內(nèi)的氨質(zhì)濃度主要集中在接近注入口一側(cè)的區(qū)域，這意味著遠(yuǎn)端側(cè)支管內(nèi)的氨質(zhì)濃度必然過低。

如果噴射氨格柵前NOx的質(zhì)量濃度沿聯(lián)箱內(nèi)氨空混合氣流方向呈近端低遠(yuǎn)端高分布，則遠(yuǎn)端側(cè)噴射氨支管內(nèi)氨質(zhì)量濃度過低，即使噴射氨支管的手動閥全開，該區(qū)域的NOx脫離量也有限。為了保證出口NOx的質(zhì)量濃度符合標(biāo)準(zhǔn)，只能增加噴射量。從節(jié)約氨消耗量和實現(xiàn)氨質(zhì)濃度分布的均勻角度來看，需要安裝氨空混合器。氨和空氣通過氨空混合器進(jìn)入聯(lián)箱，通過幾組并聯(lián)的噴射氨格柵支管進(jìn)入SCR反應(yīng)器。

3聯(lián)箱直徑對噴射支管流量的影響

整個噴射系統(tǒng)應(yīng)考慮局部阻力系數(shù)和管道沿途阻力系數(shù)的影響，其中前者的影響大于后者。通常，由于噴射氨格柵外各支管的尺寸和配置形式一致，各支管的沿阻力系數(shù)接近。氨空混合氣體從箱體進(jìn)入各支管是大流通域突然變成小流通域，局部阻力系數(shù)與支管截面積和箱體截面積的比例成正比。

以300MW機(jī)組為例，建立了從母管連箱到噴嘴之間的CFD模型。每個連接器上引出10個噴射氨支管，每個支管中部設(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箱直徑為406mm，b箱直徑為273mm，c箱直徑為219mm。

圖3聯(lián)箱尺寸對噴氨格柵支管流量的影響

從圖3可以看出，聯(lián)箱的直徑越大，氨空混合系統(tǒng)的全壓差越小，各支管出口的流速和壓力分布越均勻，噴氨格柵適應(yīng)負(fù)載不同的NOx分布的能力也越強(qiáng)。聯(lián)箱直徑小時，近端支管氨流量低時，該支管對應(yīng)煙道內(nèi)該區(qū)域NOx質(zhì)量濃度過高，調(diào)小其馀噴氨支管蝶閥開度后，氨流量不能滿足時，只能增大總噴氨量。但是，包裝直徑也不能太大。否則，經(jīng)濟(jì)性會下降，因此需要綜合現(xiàn)場實際配置空間，選擇合適的包裝直徑。

4流場分區(qū)混合對氨消耗量的影響

超低排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行后，許多燃煤單元存在氨過剩、空預(yù)器堵塞、除塵布袋糊袋等現(xiàn)象，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)計的均勻性差通常的SCR脫硝系統(tǒng)需要每年至少進(jìn)行一次手動噴霧調(diào)整，但只適用于一種情況，情況變化后各支管的噴霧量與實際入口NOx質(zhì)量濃度不一致，噴霧量過�；驀婌F量不足。對此，采用流場分區(qū)混合技術(shù)，控制氨噴射量優(yōu)化混合過程，最大限度地降低氨的逃離量，提高SCR脫硝系統(tǒng)的脫硝效率。

4.1分區(qū)混合技術(shù)原理

首先在入口煙道內(nèi)設(shè)置大范圍混合器，減少入口NOx質(zhì)量濃度分布偏差，然后根據(jù)煙道尺寸的截面，將噴射氨格柵及其后續(xù)煙道分為2~4個分區(qū)，在各分區(qū)內(nèi)設(shè)置分區(qū)混合器強(qiáng)烈混合煙道。相鄰分區(qū)的混合器朝相反的方向設(shè)置，分區(qū)內(nèi)的煙氣可以獨立旋轉(zhuǎn)，分區(qū)間沒有煙氣。在分區(qū)混合器的作用下，煙氣旋轉(zhuǎn)流線如圖4所示。由圖4可見，進(jìn)入脫硝催化劑前，盡管各煙氣分區(qū)之間NOx質(zhì)量濃度存在偏差，但是每個分區(qū)內(nèi)NOx質(zhì)量濃度分布均勻。

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。

4.2分區(qū)混合技術(shù)應(yīng)用案例

以某300MW單元超低排放改造為例。改裝后該機(jī)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、氨耗大、空預(yù)器堵塞等問題。根據(jù)底部測試，SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx的質(zhì)量濃度平均值為405毫克/立方米，最大偏差為140毫克/立方米。

為了便于區(qū)分混合優(yōu)化前后NOx質(zhì)量濃度分布，引入評價指標(biāo)S，即首層催化劑入口NOx濃度(體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量濃度，與氨濃度相同)的差距。該值定義為SCR脫硝系統(tǒng)理論出口NOx排放質(zhì)量濃度，可直接反應(yīng)NOx排除的完善程度和還原劑是否過剩。為了滿足深度減排標(biāo)準(zhǔn)，出口NOx的質(zhì)量濃度必須在30mg/m3以下。s折算值(NOx排放質(zhì)量濃度)遠(yuǎn)大于30mg/m3時，氨量不足，NOx脫離不完善的s小于0時，氨過度噴射。

圖5在原始結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷的情況下，第一層催化劑的前截面s分布云圖，表1是該截面s的折算值。從圖5和表1可以看出，當(dāng)S折算平均值為30毫克/立方米時，S脫硝的最大值為113.3毫克/立方米，最小值為-120.0毫克/立方米，此時模擬的氨空混合氣流量為0.79公斤/立方米(氨體積分?jǐn)?shù)為5%，相同)。

圖5原始結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷初級催化劑入口s分布云圖

表1原始結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷初級催化劑入口s折算值

對該300MW單元脫硝系統(tǒng)進(jìn)行CFD數(shù)值建模和分區(qū)混合優(yōu)化設(shè)計，模型范圍從省煤器出口到空預(yù)器入口之間的煙道。除噴射氨格柵、混合器采用非結(jié)構(gòu)格柵外，其馀區(qū)域采用結(jié)構(gòu)格柵，加密處理重要部位。該模型的網(wǎng)格數(shù)量為709萬。表2為區(qū)域優(yōu)化后，在滿負(fù)荷下首次催化劑入口s折算值，該情況下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。區(qū)分混合優(yōu)化后，NOx分布均勻性比原結(jié)構(gòu)提高效果顯著，氨空混合氣流量下降到0.56kg/s，理論上區(qū)分混合優(yōu)化后可節(jié)約32.9%的液氨消耗量。

5改造效果

1)本文從安裝氨空混合器、優(yōu)化聯(lián)箱母管尺寸、區(qū)域混合優(yōu)化等氨空混合技術(shù)開始，通過提高噴射均勻性，有效避免局部NOx脫離效率過低、氨脫離量增大的情況，降低單元的氨消耗量。對某300MW機(jī)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，氨耗比改造前明顯下降，單機(jī)平均氨耗從66.75kg/h下降到41.5kg/h，可節(jié)省37.8%，每年單機(jī)可節(jié)省液氨209t，節(jié)省液氨采購費(fèi)68.97萬元。

2)安裝氨空混合器，保證一定的混合距離，保證氨和稀釋風(fēng)的均勻混合，避免氨組分混合不均引起的還原劑噴霧。

3)優(yōu)化聯(lián)箱母管尺寸，兼顧經(jīng)濟(jì)性，同時提高各噴射氨管流量的均勻性，避免氨空混合氣流不均勻引起的還原劑噴射。

4)NOx采用區(qū)域混合優(yōu)化技術(shù)，在各區(qū)域?qū)崿F(xiàn)氨氮摩爾比均勻分布，接近理論值，保證NOx在高效脫離的同時使用的氨量最低，避免入口NOx分布偏差過大引起的還原劑噴霧。