某2×300MW机组选择性催化还原（SCR）烟气脱硝装置，自2013年运行以来，一直存在喷氨格栅、水平烟道和导流板等位置积灰严重，氨逃逸量明显超标，空气预热器差压高等问题。通过计算流体动力学（CFD）流场校核分析产生问题的原因，最终确定优化方案为：更换防积灰能力强、混合特性好的花瓣型喷氨格栅，优化导流板布置，并加大导流板和烟道壁面处流速以减轻积灰。优化后，喷氨格栅分区可调性能明显好转，SCR脱硝装置出口NOx质量浓度分布更为均匀，氨逃逸量显著降低，运行8个月后停炉检修时发现喷氨格栅、烟道和导流板异常堵灰的情况得到了根本解决。
［关键词］高沾污性煤质；超低排放；SCR；脱硝装置；流场优化；喷氨格栅；导流板；堵灰
选择性催化还原（SCR）技术是目前燃煤电厂烟气脱硝中应用最广、成熟度最高的技术。在国家火电行业全面执行超低排放限制的背景下，SCR技术将日益受到关注。流场技术是SCR脱硝工艺的关键技术之一，对超低排放标准的实施尤为关键。均匀、强健的流场，为NOx与还原剂在催化剂表面发生氧化还原反应创造必要的条件。对脱硝流场进行计算流体动力学（CFD）流场模拟与模型试验的目的是得到烟道、导流板、氨喷射系统、整流格栅等烟道内装置的最优设计，以取得较好的烟气流动分布，并使得脱硝系统阻力保持最低，且各类结构不出现异常堵灰。
国内SCR脱硝装置运行过程中，普遍存在积灰、磨损、氨逃逸量高等问题，本文以某燃用高黏结性灰分煤质机组SCR脱硝装置的流场优化为例，详细分析了问题原因，并制定了优化方案。
1研究对象
1.1机组概况
研究对象为某2×300MW机组SCR脱硝装置。该机组锅炉为哈尔滨锅炉厂设计制造的HG-1025/17.5-YM11型亚临界压力一次中间再热自然循环汽包炉，于2007年投入商业运行。SCR脱硝装置自2013年运行以来，一直存在喷氨格栅、水平烟道和导流板等位置堵灰，氨逃逸量明显超标，空气预热器压差高等问题。
1.2设计条件
锅炉设计燃用神华集团煤矿烟煤，并掺烧部分地方煤矿烟煤，设计煤种为易结渣煤种。设计煤种煤质分析见表1，SCR脱硝装置入口烟气参数见表2，飞灰成分分析见表3.
表1设计煤种煤质分析
飞灰平均粒径为40.34μm，中位径为14.06μm，峰值11.29μm；粒径小于3.50μm的颗粒含量约占25%，小于54.70μm的颗粒占75%，小于125.7μm的颗粒占90%。飞灰粒度较细。
表2SCR脱硝装置入口烟气参数
表3飞灰成分分析 w/%
1.3存在问题
图1为原喷氨格栅积灰前、后照片，图2为原反应器顶部导流板积灰照片。
图1原喷氨格栅积灰前、后照片
由图1、图2可见：原喷氨格栅积灰严重，喷嘴大范围堵塞，使其失去分区调节喷氨量的功能；原导流板及水平烟道积灰严重，且在宽度方向上积灰高度不同。
图2原导流板积灰照片
2原因分析
2.1煤质情况
积灰与煤灰化学成分密切相关，因此，可通过煤灰的化学成分来判断积灰程度。表4为灰沾污性的两种判定准则及其对该厂煤质的判定结果。由表4可见，该厂煤灰具有严重的沾污性，在条件合适的情况下，极易造成积灰。
表4煤灰沾污性判定情况
2.2喷氨格栅结构
原喷氨格栅将单侧烟道分为2×8共16个分区，每分区对应1.62m2烟道截面。每个分区结构为一根喷氨母管(φ133mm×5mm)分出8根喷氨支管(φ57mm×3.5mm)，每根支管上向上伸出2根高度为130mm的喷嘴(φ21.3mm×3.5mm)。单侧烟道原喷氨格栅结构如图3所示。
图3原喷氨格栅结构
由于燃用了高沾污性灰分的煤种，易在低速区积灰。竖直烟道中，烟气向上流动，灰堆积在喷氨格栅母管、支管等背面的低速区，形状类似于刀片。烟道越粗，形成的积灰越高。当积灰高度超过喷嘴后，极易因积灰垮塌而堵塞喷嘴，从而造成大面积的喷嘴堵塞。
2.3流速分布特点
对原脱硝装置进行了CFD流场校核计算。图4为原流场三维结构模型。图5为满负荷时喷氨格栅前速度分布。由图5可知：该截面靠后墙及图中右侧区域（在图中标明）速度明显偏高；速度分布偏差较大，平均流速为14.2m/s，最大流速为20.7m/s，最小流速为2.2m/s，相对标准偏差Cv值为24.5%。因烟气中烟尘密度大于气体，因此竖直烟道后墙区域也是高尘区；在脱硝装置入口NOx分布均匀的情况下，高速区烟气流量较大，对应喷氨量也较大；低速区烟气流量小，对应喷氨量小，喷嘴流速低，易堵灰；且高速及高尘区叠加，对喷氨格栅部件的磨损加剧。
图4原流场三维结构模型
图5原流场满负荷时喷氨格栅前速度分布
图6为原流场满负荷时顶部水平烟道速度分布。由图6可见，顶部水平烟道平均流速为14.2m/s，最大流速为19.2m/s，最小流速为9.7m/s，Cv值为13.9%，速度分布偏差较大。高速区分布在截面下部分，低速区位于截面顶部。弯头导流板靠近壁面区域流速偏低，易造成堆灰；高速区易造成导流板和内撑杆磨损。
图6原流场满负荷时顶部水平烟道速度分布
图7为原流场满负荷时第1层催化剂前速度分布。由图7可见：第1层催化剂前平均流速为4.0m/s，最大流速为4.7m/s，最小流速为1.8m/s，Cv值为15.4%，速度分布偏差较大。低速区将导致催化剂积灰，高速区和高尘区将导致催化剂磨损。速度分布不均，将造成流线入射催化剂的角度偏斜，导致催化剂层上部硬化段失去保护作用，直接磨损催化剂孔内壁。
图7原流场满负荷时第1层催化剂前速度分布
3优化方案
3.1优化方案
造成上述问题的原因包括煤质、喷氨格栅和导流板设计。煤质受煤炭市场因素影响，不易改变；喷氨格栅可更改为不易堵灰的结构类型；可对导流板做优化改造，既需提高流速分布均匀性，又需考虑减轻堵灰的措施。
3.1.1喷氨格栅改造
采用西安西热锅炉环保工程有限公司专利技术“一种局部涡流和整体旋流相结合的花瓣型喷氨格栅”替换原喷氨格栅。图8为喷氨格栅单元三维图，图9为单侧烟道喷氨格栅布置。本喷氨格栅将竖直烟道截面分为3×12=36个分区，共144个喷嘴，每个分区对应烟道截面积为0.72m2。
图8花瓣型喷氨格栅单元
图9单侧烟道花瓣型喷氨格栅布置
优化后的喷氨喷嘴为从喷氨支管分出4根管径φ45mm的圆管，喷嘴高度为145mm。喷嘴附近无管径较大的圆管，无造成大量积灰的条件，积灰最大高度低于喷嘴高度，喷嘴堵塞概率大幅降低。
喷氨格栅上布置混合器圆盘均与竖直方向夹角呈45°，倾角较大，圆盘上不易积灰。上游烟气在流经每组圆盘时，圆盘背部会产生局部低压区，从而使烟气和喷口喷出的氨气-空气混合气卷吸进此低压区内，产生强烈的混合；同时由于每个单元上的4个圆盘都以一定的角度布置，烟气流经此圆盘后产生整体旋转，与在负压区初步混合的氨气-空气混合气产生进一步的剧烈混合；在烟道中，相邻2组喷氨格栅单元上圆盘布置的旋向相异，烟气通过相邻2组喷氨格栅后产生旋向相异的旋转，2个旋转产生交互作用，更进一步增加了湍流强度，大大缩短了氨气-烟气混合均匀所需要的距离。
3.1.2导流板改造
本次流场优化中导流板改造包括：调整1号及2号弯头导流板位置和角度（图10），以改善喷氨格栅前沿烟道深度方向的烟气流速不均；拆除了原1号扩口导流板，采用了三角形导流板，以改善喷氨格栅前左右方向的速度分布不均；调整3号弯头导流板结构型式，改善顶部水平烟道截面上下分布不均的情况，并在直段导流板下方加装了向下压的导流板，以提高水平烟道壁面和靠近导流板壁板位置的烟气流速，缓解积灰情况；调整4号弯头导流板角度及位置，改善催化剂层入口前后墙速度分布，使入射催化剂的流线竖直进入催化剂。
图10优化后流场结构
3.2模拟计算结果
优化方案的CFD计算结果显示，优化方案显著改善了速度分布不均，防堵灰性能显著提高，氨气与烟气的混合指标也明显提升。图11为优化后满负荷时喷氨格栅前速度分布。
图11优化后满负荷时喷氨格栅前速度分布
由图11可知，该截面前后左右方向流速分布基本均匀，平均流速为14.2m/s，最大流速为16.58m/s，最小流速为10.0m/s，Cv值为7.8%，流速分布偏差明显降低。喷氨格栅前速度分布均匀，这为喷氨格栅的分区调节提供了良好的流场条件，大大减轻了喷氨格栅高速区的磨损速度。
图12为优化后满负荷时顶部水平烟道速度分布。由图12可见：顶部水平烟道平均流速为14.2m/s，最大流速为16.9m/s，最小流速为9.3m/s，Cv值为12.4%，顶部水平烟道流速分布偏差降低；左右方向速度均匀，上下方向呈高速区与低速区交错布置的特点，高速区分布在靠近烟道壁及导流板壁面附近，将有效加强烟气携带灰分的能力，减轻积灰。
图12优化后满负荷时顶部水平烟道速度分布
图13为优化后满负荷时第1层催化剂前速度分布。由图13可见，第1层催化剂前平均流速为3.9m/s，最大流速为4.2m/s，最小流速为2.9m/s，Cv值为6.2%，速度分布偏差明显减小。这将显著减轻第1层催化剂高速区磨损及低速区积灰情况。
图13优化后满负荷时第1层催化剂前速度分布
图14为优化后满负荷下第1层催化剂入口截面的氨体积分数分布，该分布为假设喷嘴均匀喷氨时的计算结果。由图14可见，氨体积分数分布Cv值为4.1%。如喷嘴根据催化剂入口NOx分布情况调整分区喷氨量，氨体积分数分布偏差仍将下降。表5为流场优化前后脱硝装置中速度分布情况对比。
图14优化后满负荷时第1层催化剂前氨体积分数分布
表5流场优化前后脱硝装置中速度分布情况对比
4优化改造效果
4.1实际测试
2016年9月和2017年7月，电厂分别完成了该2×300MW机组2号和1号燃煤锅炉的脱硝装置流场及氨喷射系统改造。西安热工研究院有限公司于2016年10月和2017年8月分别对这2台锅炉进行了流场优化调整及性能考核试验。
2号锅炉在流场优化调整后，250MW负荷（带供热）下：脱硝装置A反应器出口NOx质量浓度最大值为36.7mg/m3，最小值为17.9mg/m3，平均值为26.3mg/m3，相对标准偏差为28.3%，氨逃逸量平均值为1.96μL/L；B反应器出口NOx质量浓度最大值为43.9mg/m3，最小值为18.9mg/m3，平均值为31.5mg/m3，相对标准偏差为32.1%，氨逃逸量平均值为1.56μL/L。可见，NOx质量浓度分布及氨逃逸较流场优化调整前有了改善。
1号锅炉在流场优化调整后300MW负荷下，脱硝装置A、B侧出口的相对标准偏差分别为15.8%、15.4%，A、B侧脱硝装置出口NOx质量浓度平均值分别为30、30.6mg/m3，脱硝效率分别为86%、85%，氨逃逸量平均值分别为1.58、2.03μL/L。
4.2积灰情况
2号机组于2017年4月停炉，专业技术人员进入脱硝烟道及反应器进行了查勘。图15为喷氨格栅和导流板积灰情况照片。由图15可见，经过了8个月的运行，喷氨格栅喷嘴堵塞问题明显改善，除个别喷嘴堵塞外其余喷嘴均保持良好的通畅性，导流板上积灰情况明显好转，除浮灰外未发现严重的积灰情况。
图15优化后喷氨格栅及导流板积灰情况照片
5结论
1）CFD计算结果显示，原流场喷氨格栅前、顶部水平烟道、第1层催化剂入口速度分布Cv值分别为24.5%、13.9%和15.4%。流场优化后，相应位置的Cv值分别为7.8%、12.4%和6.2%。
2）在2×300MW机组2号和1号燃煤锅炉脱硝装置上实施流场优化方案后，2号锅炉脱硝装置A、B侧反应器出口NOx分布Cv值分别为28.3%、32.1%，氨逃逸量平均值分别为1.96、1.56μL/L。1号锅炉脱硝装置A、B侧反应器出口NOx质量浓度分布Cv值分别为15.8%、15.4%，氨逃逸量平均值分别为1.58、2.03μL/L。
3）流场优化后，机组连续运行8个月后停炉检查发现，喷氨格栅、导流板及烟道积灰情况得到显著改善，大部分喷嘴保持良好的通畅性，导流板上仅有一些浮灰。
原标题：燃用高沾污性煤质锅炉SCR脱硝流场优化
