1、SCR脱硝流场仿真优化技术

脱硝流场优化技术主讲人：孙英浩（一）SCR脱硝系统存在的问题（二）SCR脱硝系统的流场优化（三）SCR脱硝系统的喷氨优化调整脱硝流场仿真优化技术SCR脱硝系统存在的问题空预器堵塞（保定）整流格栅磨损（马头）催化剂磨损（马头）喷氨格栅积灰仿真优化在SCR脱硝系统中的应用·解决超低排放下，SCR氨逃逸高、空预器堵塞、积灰、催化剂磨损等问题气固两相流流场深度优化技术高效低阻的大范围混合技术喷氨优化调整技术脱硝流场仿真优化技术·堵灰及磨损·NOx偏差大·氨逃逸高×常规的流场设计为单相流模拟，未考虑灰浓度分布，千篇一律的设计×SCR出口NOx分布不均匀，氨氮掺混效果差，未对喷氨格栅进行调节√彻底的速度场优化√灰浓度场√大范围氨氮掺混√出口氨氮均匀分布仿真优化在SCR脱硝系统中的应用·模型建立Realizablek-ε、dpm、speciestransport、energy反应器及进出口连接烟道、催化剂层、喷氨格栅等（非）均匀边界条件、烟尘粒径、烟尘浓度脱硝流场仿真优化技术·湍流流动、烟尘运动、组分传输、能量方程·尺寸比例1:1、计算区域省煤器出口至空预器入口·现场实测的边界条件、烟尘浓度测试、烟尘粒径检测模型实现：√CAD(SolidWorks)→Gambit（Icem）→AnsysFluent14.5（18.1）√网格总数：897万√处理器：XeonCPUE5265GB√计算时间：单核计算6-7小时/工况实际设备几何模型网格模型计算模型仿真优化在SCR脱硝系统中的应用某300MW机组烟气脱硝改造工程项目背景：·河北某300MW机组烟气脱硝反应器入口整流格栅局部磨损严重，磨损面积占总面积约70%，磨损高度达到了100mm。·脱硝催化剂迎烟气侧局部磨损严重，主要集中于催化剂层中心区域，个别催化剂单片磨损已接近一半。·脱硝效率降低和局部氨逃逸增高，导致空预器硫酸氢铵堵塞，影响锅炉安全稳定运行。现阶段流场仿真优化目标：·验证脱硝进口流场分布·查找催化剂磨损原因·保证烟尘浓度及大粒径烟尘的均匀·缓解催化剂局部磨损·提高烟气流场、氨氮掺混的均匀性整流格栅磨损仿真优化在SCR脱硝系统中的应用某300MW机组烟气脱硝改造工程进行现场改造确定流场优化配置仿真优化计算及物理模型试验工程周期：2~3周工程周期：1周工程周期：2-3周仿真优化在SCR脱硝系统中的应用某300MW机组烟气脱硝改造工程该工程脱硝流场改造目标：·烟尘浓度分布均匀性大幅度改善·烟尘浓度Cv降低20%以上·反应器入口截面大粒径烟尘分布均匀·确保烟气流速Cv值在15%以下·满足系统阻力要求·缓解催化剂局部磨损优化前优化后烟气流速流场情况：·原方案常规导流板时，水平烟道内的气流发生偏斜，高速气流贴附于烟道下壁面流动，上壁面烟气不能再继续沿壁面流动，上壁面附近出现回流区，水平烟道出现二次流动。通过省煤器出口水平烟道内两组烟气/尘抬升板的装设，烟道内气流的死区旋涡现象得到改善，最终催化剂上方截面流场不均匀度由8.42%增加到9.09%。仿真优化在SCR脱硝系统中的应用某300MW机组烟气脱硝改造工程优化前优化后烟尘浓度烟尘浓度场情况：·安装静态混合器后，竖直烟道中烟尘在静态混合器之间以及混合器与远锅炉侧烟道壁之间的通道内形成了烟尘富集的现象。与此同时，静态混合器的背风面出现了大范围的低烟尘浓度区。由于静态混合器的作用，在竖直烟道内产生连续的涡街，随着涡街的逐渐耗散，烟尘浓度逐渐变得均匀。通过SCR脱硝入口流场优化改造，最终催化剂上方截面烟尘浓度不均匀度由87.12%降低到69.19%。仿真优化在SCR脱硝系统中的应用某300MW机组烟气脱硝改造工程烟尘运动轨迹优化前优化后烟尘运动轨迹情况：·上图显示了粒径范围在700μm-1000μm的烟尘运动轨迹，安装静态混合器后，大粒径烟尘竖直烟道中得到强烈的掺混，整个反应器截面大粒径烟尘分布变得均匀。（一）氨氮分布的不均匀性对脱硝系统的影响1.对流场、氨氮比的要求数值模拟&物模试验-催化剂入口流速相对标准偏差系数Cv≤15%烟气速度方向偏角应不大于15°氨氮摩尔比相对标准偏差系数Cv≤5%烟温绝对偏差≤10℃GB/T21509-2008燃煤烟气脱硝技术装备DL/T296-2011火电厂烟气脱硝技术导则JB/T12131-2015燃煤烟气净化SCR脱硝流场模拟试验技术规范（一）氨氮分布的不均匀性对脱硝系统的影响2.不均匀性对催化剂寿命和脱硝效率的影响DennisR等人研究了流场、氨氮比、温度等参数不均匀性对SCR催化剂寿命的影响RogersK等人研究了流场、氨氮比、温度等参数不均匀性对SCR技术脱硝效率的直接影响-50%0%50%0.70.80.91.01.11.21.3不均匀度催化剂相对预计寿命流场氨氮比温度024681012141687.588.088.589.089.590.090.5入口NOx浓度=300ppm氨逃逸率=2ppm摩尔比温度脱硝效率，%Cv,%速度（二）喷氨格栅优化调整试验1.喷氨格栅及分区理念喷氨格栅管路图喷氨格栅分区图（烟道俯视）喷氨格栅三维图29191828121122211929281812222111两层喷氨口上方催化剂截面喷氨分区的对应关系（二）喷氨格栅优化调整试验2.现场试验仪器及测量方法自动烟尘（气）测试仪烟气采集与分析系统优胜抽取式氨逃逸分析仪便携式烟气分析仪在烟气流量的测试上，我们使用3012H型自动烟尘（气）测试仪，采用网格布点法在SCR反应器出、入口烟道测量，根据测量结果计算出动压、静压、烟气流量、烟气流速等参数。（评价流场、判断故障）关于NO与O2浓度分布的测试，烟气采集与分析系统如图所示，在SCR反应器的进口和出口烟道截面，利用网格法进行烟气取样，烟气经不锈钢管引出至烟道外，再经过除尘、除湿、冷却等处理后，最后接入MRUOPTIMA7型烟气分析仪分析烟气中的NO与O2含量，可获得烟道截面的NOx浓度分布（干基、标态、6%O2）。（评价入口NOx均匀性、校对仪表）烟道中各测孔内的氨浓度值，采用优胜抽取式氨逃逸分析仪逐点测量，采用校验合格的II级精度K型铠装热电偶测量反应器进口烟气温度，最终热偶信号由校验合格的K型补偿导线接入Fluke点温度计。（摸底试验）热电偶氨逃逸采样（二）喷氨格栅优化调整试验3.试验内容摸底试验：保持负荷稳定，测量SCR进出口NOx浓度分布状况以及SCR出口氨逃逸浓度，初步评估脱硝装置喷氨分配状况。喷氨优化调整：在稳定负荷下，根据SCR反应器出口截面的NOx浓度分布，对反应器入口烟道上的AIG喷氨格栅的手动阀门开度进行调节，最大限度提高反应器出口的NOx分布均匀性。校核试验：测量反应器进出口的NOx浓度分布和氨逃逸，评估优化结果，并根据需要对AIG手动调阀进行微调。（要点：1.联系运行2.负荷3.自动4.供氨量衰减）（三）喷氨格栅优化调整试验过程中的几点心得1.试验过程中的心得体会1.流场变化对喷氨格栅优化调整试验的影响600MW下优化后SCR出口NOx浓度A侧NOx浓度Cv为16.2%，B侧NOx浓度Cv为14.6%300MW下校核SCR出口NOx浓度A侧NOx浓度Cv为31.9%，B侧NOx浓度Cv为33.0%600MWA侧流场Cv为16.1%，B侧流场Cv为9.5%300MWA侧流场Cv为20.2%，B侧流场Cv为19.8%锅炉负荷降低，反应器入口流场均匀性变差，影响反应器不同部位的脱硝效果，导致反应器出口不同位置NOx出现偏差。仿真优化在SCR脱硝系统中的应用SCR脱硝系统的喷氨优化仿真喷氨优化调整前喷氨优化调整后现场试验、数值计算结果速度修正系数=（子区域氨氮比-催化剂入口平均氨氮比）/催化剂入口平均氨氮比修正后速度=（1-速度修正数）×修正前速度催化剂上方截面氨氮比偏差系数＜5%结束是否优化前催化剂上方截面氨氮比偏差系数5.1%优化后催化剂上方截面氨氮比偏差系数3.392%喷氨优化调整试验马头分公司9号炉脱硝喷氨优化调整试验优化调整前：·空预器压差2.9kpa，影响机组带负荷的能力·A/B侧供氨量不平衡，检修时发现A侧堵塞严重·瞬时供氨量较高，单侧最高可达170Nm3/h·A/B侧反应器出口NOx值与脱硫出口相差约20mg/Nm3·A/B侧反应器出口NOx值Cv值分别为73.45%、31.72%优化调整后：·空预器压差增加明显降低·供氨量显著降低，两侧供氨量平衡·A/B侧反应器出口NOx值与脱硫出口差距在5mg/N3之内·A/B侧反应器出口NOx值Cv值分别为14.63%、13.75%·9/10号炉空预器压差分别为1.8kPa、2.4kPa反应器出口、脱硫出口NOx浓度变化曲线喷氨优化调整后脱硝系统运行画面A/B侧供氨量分别为137.8Nm3/h、135.4Nm3/hA/B侧、脱硫出口NOx值分别为43.7mg/m3、47.1mg/m3脱硫出口NOx值为43.3mg/m3滨州公司1、2号炉脱硝喷氨优化调整试验喷氨格栅优化调整效果：滨州公司1、2号机组长期存在SCR系统出口NOx浓度分布不均、氨逃逸浓度高、空预器冷端结垢等问题，环保专业技术人员分析喷氨格栅布置方式及烟道流场情况，进行多次精细化调整，确定最优阀门位置。1号机组反应器出口与脱硫出口NOx浓度差距由12mg/Nm3降低至6mg/Nm3，1、2号机组反应器出口NOx浓度分布标准偏差系数分别由40.62%降低至11.16%、35.89%降低至11.66%，氨气进给流量平均降低3kg/h，喷氨自动调节系统跟踪性能显著提高。优化前：功率：269.79MWA/B侧脱硝入口NOx值分别为236.79mg/m3、171.04mg/m3A/B侧供氨量分别为32.051kg/h、29.121kg/h优化后：功率：263.45MWA/B侧脱硝入口NOx值分别为234.61mg/m3、163.82mg/m3A/B侧供氨量分别为29.731kg/h、26.801kg/h喷氨优化调整试验仿真优化在SCR脱硝系统中的应用某300MW机组烟气脱硝改造现场烟道导流板施工喷氨格栅优化调整试验静态混合器脱硝流场优化工程业绩：·近20台次的脱硝流场优化、喷氨格栅优化调整业绩·解决SCR系统出口NOx浓度分布不均，总排口与脱硝出口NOx浓度偏差大等问题·大幅度缓解了空预器堵塞、催化剂磨损等技术难题·显著改善了脱硝系统及反应效果技术成果：·显著的社会、经济效益，国内领先水平·吉林省科技进步三等奖·中国大唐集团集团公司科技进步二等奖·第九届全国电力职工技术成果奖三等奖·吉林省电机工程学会电力科学技术奖三等奖