热力发电

项目	设计煤质	校核煤质
工业分析	收到基全水分w_ar(M)/%	6.55	5.98
收到基灰分w_ar(A)/%	21.18	20.56
收到基挥发分w_ar(V)/%	9.58	6.15
干燥无灰基挥发分w_daf(V)/%	13.25	8.37
收到基低位发热量Q_net.ar/(MJ·kg^–1)	23.53	24.45
元素分析	收到基碳分w_ar(C)/%	64.14	68.27
收到基氢分w_ar(H)/%	2.15	1.46
收到基氧分w_ar(O)/%	4.45	2.36
收到基氮分w_ar(N)/%	0.94	0.91
收到基硫分w_ar(S)/%	0.52	0.46

项目	设计煤质	校核煤质
工业分析	收到基全水分w_ar(M)/%	6.55	5.98
收到基灰分w_ar(A)/%	21.18	20.56
收到基挥发分w_ar(V)/%	9.58	6.15
干燥无灰基挥发分w_daf(V)/%	13.25	8.37
收到基低位发热量Q_net.ar/(MJ·kg^–1)	23.53	24.45
元素分析	收到基碳分w_ar(C)/%	64.14	68.27
收到基氢分w_ar(H)/%	2.15	1.46
收到基氧分w_ar(O)/%	4.45	2.36
收到基氮分w_ar(N)/%	0.94	0.91
收到基硫分w_ar(S)/%	0.52	0.46

项目	数值	备注
烟气流量/(m³·h^–1)	1 869 261	标态，湿基，实际氧
O₂体积分数/%	1.83	湿基
CO₂体积分数/%	15.48	湿基
N₂体积分数/%	74.11	湿基
烟气湿度/%	8.59	湿基
烟气温度/℃	410.00	100%BMCR
飞灰质量浓度/(g·m^–3)	44.00	φ(O₂)=6%
SO₂质量浓度/(mg·m^–3)	2 146.00	φ(O₂)=6%
氮氧化物质量浓度/(mg·m^–3)	1 000.00	φ(O₂)=6%
省煤器出口烟静压/Pa	–700.00

项目	数值	备注
烟气流量/(m³·h^–1)	1 869 261	标态，湿基，实际氧
O₂体积分数/%	1.83	湿基
CO₂体积分数/%	15.48	湿基
N₂体积分数/%	74.11	湿基
烟气湿度/%	8.59	湿基
烟气温度/℃	410.00	100%BMCR
飞灰质量浓度/(g·m^–3)	44.00	φ(O₂)=6%
SO₂质量浓度/(mg·m^–3)	2 146.00	φ(O₂)=6%
氮氧化物质量浓度/(mg·m^–3)	1 000.00	φ(O₂)=6%
省煤器出口烟静压/Pa	–700.00

项目	孔1	孔2	孔3	孔4	孔5	孔6	孔7	孔8
深1	1 132	1 196	1 107	1 033	966	878	860	758
深2	1 152	1 216	1 127	1 053	986	898	880	778
深3	1 122	1 186	1 097	1 023	956	868	850	748
深4	1 082	1 146	1 057	983	916	828	810	708

项目	孔1	孔2	孔3	孔4	孔5	孔6	孔7	孔8
深1	1 132	1 196	1 107	1 033	966	878	860	758
深2	1 152	1 216	1 127	1 053	986	898	880	778
深3	1 122	1 186	1 097	1 023	956	868	850	748
深4	1 082	1 146	1 057	983	916	828	810	708

项目	孔1	孔2	孔3	孔4	孔5	孔6	孔7	孔8
深1	916	975	912	946	864	872	948	1 006
深2	936	995	932	966	884	892	968	1 026
深3	906	965	902	936	854	862	938	996
深4	866	925	862	896	814	822	898	956

项目	孔1	孔2	孔3	孔4	孔5	孔6	孔7	孔8
深1	916	975	912	946	864	872	948	1 006
深2	936	995	932	966	884	892	968	1 026
深3	906	965	902	936	854	862	938	996
深4	866	925	862	896	814	822	898	956

序号	名称	模型
1	Viscous Model	K-epsilon(2 eqn)
2	K-epsilon Model	Standard
3	Near-Wall treatment	Standard wall Functions
4	Species Model	Species Transport
5	催化剂层	Porous Zone/Laminar Zone

序号	名称	模型
1	Viscous Model	K-epsilon(2 eqn)
2	K-epsilon Model	Standard
3	Near-Wall treatment	Standard wall Functions
4	Species Model	Species Transport
5	催化剂层	Porous Zone/Laminar Zone

序号	项目
1	入口类型	Velocity Inlet
2	出口类型	Outflow
3	速度值/(m·s^–1)	4.5
4	当地静压/Pa	–700
5	温度/K	683
6	成分	见表2—表4
7	催化剂总量/m³	891
8	催化剂比表面积/(m²·m^–3)	314
9	催化剂活性/(m·h^–1)	36

序号	项目
1	入口类型	Velocity Inlet
2	出口类型	Outflow
3	速度值/(m·s^–1)	4.5
4	当地静压/Pa	–700
5	温度/K	683
6	成分	见表2—表4
7	催化剂总量/m³	891
8	催化剂比表面积/(m²·m^–3)	314
9	催化剂活性/(m·h^–1)	36

技术	方案内容
SCR分区混合动态调平技术	导流板及SCR反应器顶部改造；喷氨格栅移位至省煤器出口水平烟道；喷氨格栅前加装了全烟道断面烟气混合器；将其后烟道分为4个分区，分区内部加装分区烟气混合器；在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；控制逻辑升级改造
全烟道断面烟气混合技术	导流板及SCR反应器顶部改造；喷氨格栅前加装了一级全烟道断面烟气混合器；斜段烟道入口加装了二级全烟道断面烟气混合器；在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；控制逻辑升级改造
常规精准喷氨技术	导流板及SCR反应器顶部改造；在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；控制逻辑升级改造

技术	方案内容
SCR分区混合动态调平技术	导流板及SCR反应器顶部改造；喷氨格栅移位至省煤器出口水平烟道；喷氨格栅前加装了全烟道断面烟气混合器；将其后烟道分为4个分区，分区内部加装分区烟气混合器；在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；控制逻辑升级改造
全烟道断面烟气混合技术	导流板及SCR反应器顶部改造；喷氨格栅前加装了一级全烟道断面烟气混合器；斜段烟道入口加装了二级全烟道断面烟气混合器；在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；控制逻辑升级改造
常规精准喷氨技术	导流板及SCR反应器顶部改造；在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；控制逻辑升级改造

W火焰锅炉SCR脱硝超低排放技术及应用

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罗志 ¹ , 王晓冰 ¹ , 潘栋 ¹ , 何育东 ¹ , 晋中华 ¹ , 尚桐 ¹ , 范玮 ² , 邓彪 ³ , 任建永 ⁴ , 兰永胜 ⁴ , 杨小金 ³ , 杨晓刚 ¹ , 李淑宏 ¹

热力发电 | 热能科学研究 2024,53(3): 99-109

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热力发电 | 热能科学研究 2024, 53(3): 99-109

W火焰锅炉SCR脱硝超低排放技术及应用

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罗志¹, 王晓冰¹, 潘栋¹, 何育东¹, 晋中华¹, 尚桐¹, 范玮², 邓彪³, 任建永⁴, 兰永胜⁴, 杨小金³, 杨晓刚¹, 李淑宏¹

作者信息

^1.西安热工研究院有限公司，陕西　西安　710054

^2.西北工业大学动力能源学院，陕西　西安　710129

^3.华能海南发电股份有限公司，海南　海口　572631

^4.华能山东发电有限公司，山东　济南　250013

罗志（1986），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为烟气脱硝技术开发及应用，luozhi@tpri.com.cn。

Ultra low emission technology of SCR flue gas denitration in W-flame boiler and the application

Zhi LUO¹, Xiaobing WANG¹, Dong PAN¹, Yudong HE¹, Zhonghua JIN¹, Tong SHANG¹, Wei FAN², Biao DENG³, Jianyong REN⁴, Yongsheng LAN⁴, Xiaojin YANG³, Xiaogang YANG¹, Shuhong LI¹

Affiliations

^1.Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China

^2.Department of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China

^3.Huaneng Hainan Power Generation Co., Ltd., Haikou 572631, China

^4.Huaneng Shandong Power Generation Co., Ltd., Jinan 250013, China

出版时间: 2024-03-25 doi: 10.19666/j.rlfd.202310160

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摘要

收起

截至2021年底，全国已有超过95%的燃煤火电机组实现了氮氧化物超低排放，剩余均为燃用无烟煤的W火焰锅炉，其产生的氮氧化物质量浓度高达750~1 200 mg/m³，实现超低排放难度大，是我国实现超低排放政策的“最后一公里”。目前，选择性催化还原（SCR）脱硝流场技术主要有“SCR分区混合动态调平技术”“全烟道断面混合流场技术”“常规精准喷氨技术”等。以某设计脱硝效率需高达95%的W火焰锅炉为例，通过计算流体力学（CFD）模拟的方式对比3种技术的性能指标，“SCR分区混合动态调平技术”的各项指标明显优于其他技术。工程改造后，在脱硝系统入口氮氧化物质量浓度为1 000 mg/m³，出口低于50 mg/m³时，可实时保持氨逃逸量小于3 μL/L，远超常规SCR脱硝系统最高设计效率（93%），为W火焰锅炉氮氧化物超低排放提供了新的技术路线。

关键词

W火焰锅炉 / 脱硝 / SCR / 流场技术 / 氨逃逸 / 分区混合

Abstract

收起

By the end of 2021, over 95% of coal-fired thermal power units in China have achieved ultra-low emission of nitrogen oxides, with the remaining being W-flame boilers that burn anthracite. Due to the high mass concentration of nitrogen oxides generated, which often reaches 750~1 200 mg/m³, achieving ultra-low emissions is difficult, making it the “last mile” for China to achieve ultra-low emission policies. At present, selective catalyst reduction (SCR) denitration flow field technology mainly includes “SCR partition hybrid dynamic leveling technology”, “full flue section mixing flow field technology”, and “conventional accurate ammonia injection technology”, etc. Taking a W-flame boiler of which the design denitration efficiency needs to be up to 95% as an example, this paper compares the performance indicators of various technologies through CFD simulation, and the indicators of the “SCR partition hybrid dynamic leveling technology” are significantly superior to other technologies. After the project transformation, when the mass concentration of nitrogen oxides at the denitration system inlet is 1 000 mg/m³ and that at the system outlet is lower than 50 mg/m³, the ammonia escape can be kept less than 3 μL/L, far exceeding the maximum design efficiency of the conventional SCR denitration system. The research provides a new technical route for ultra-low NO_x emission of W-flame boilers.

Key words

W-flame boiler / denitration / SCR / flow field optimization / ammonia escape / zone mixing

引用本文

罗志, 王晓冰, 潘栋, 何育东, 晋中华, 尚桐, 范玮, 邓彪, 任建永, 兰永胜, 杨小金, 杨晓刚, 李淑宏. W火焰锅炉SCR脱硝超低排放技术及应用. 热力发电, 2024 , 53 (3) : 99 -109 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202310160

Zhi LUO, Xiaobing WANG, Dong PAN, Yudong HE, Zhonghua JIN, Tong SHANG, Wei FAN, Biao DENG, Jianyong REN, Yongsheng LAN, Xiaojin YANG, Xiaogang YANG, Shuhong LI. Ultra low emission technology of SCR flue gas denitration in W-flame boiler and the application[J]. Thermal Power Generation, 2024 , 53 (3) : 99 -109 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202310160

正文

收起

截至2021年底，达到超低排放限值的煤电机组容量已超10亿kW，占全国煤电总装机容量95%以上^[1-2]。超低排放改造后，脱硝系统普遍出现了氨逃逸浓度超标，空气预热器（空预器）出现硫酸氢铵堵塞的问题。究其原因，无法实时保持催化剂入口截面氨氮摩尔比分布的高度均匀性是最为普遍和关键的因素^[3-6]。

SCR脱硝流场模拟与物理模型试验可以得到烟道、导流板、喷氨系统、烟气混合器和整流格栅等烟道内构件的最优设计，以取得在系统阻力及积灰程度最低的条件下最优的烟气速度和烟气成分分布^[7-15]。目前，用以满足超低排放的SCR流场技术，主要有“SCR分区混合动态调平技术”“全烟道断面混合流场技术”“常规精准喷氨技术”等。不同流场技术的技术理念不同、投资不同、适用条件不同、所取得的效果也不同。本文以国内某脱硝系统初始氮氧化物质量浓度高达1 000 mg/m³的660 MW机组W火焰锅炉脱硝超低排放改造项目为实际案例，分析对比以上各种技术所能达到的性能指标。

1　应用案例条件

收起

1.1　案例设计条件

本案例为某2×660 MW机组W火焰锅炉超低排放改造项目。本次SCR脱硝系统优化提效改造的设计系统入口氮氧化物质量浓度按1 000 mg/m³，系统出口低于50 mg/m³，脱硝效率不低于95%，催化剂化学寿命期内氨逃逸量不高于3 μL/L进行设计，远超出常规SCR脱硝效率90%~93%的设计上限。SCR技术路线可节约SNCR的投资及运行费用，具有广泛的市场前景。图1为该SCR脱硝系统的原流场结构。该案例对SCR脱硝系统流场指标提出了严苛的技术要求，以体现出各类流场技术的优劣。

原SCR脱硝系统入口烟道分为省煤器出口的水平烟道、斜爬升烟道、下弯头、竖直烟道、顶部弯头及反应器顶盖和整流格栅等组成。在弯头处设置了较为粗放的导流板，喷氨格栅位于竖直烟道中部。喷氨格栅将烟道从深度和宽度方向，分为2×6=12个区，可手动调节各分区的喷氨量。

1.2　设计参数

锅炉设计和校核煤质见表1，SCR脱硝系统入口烟气参数见表2。

1.3　测试结果

2018年4月对1号机组660 MW及500 MW负荷SCR反应器入口氮氧化物质量浓度分布测试主要数据见表3和表4^[16]。表3中孔1—孔8表示烟道宽度方向布置的各孔；深1—深4表示同一个测量孔由浅到深的测点。

从测试结果可见：660 MW负荷时，A侧SCR反应器入口平均氮氧化物质量浓度为981 mg/m³，最大质量浓度与最小质量浓度偏差达到了508 mg/m³；500 MW负荷时，A侧SCR反应器入口平均氮氧化物质量浓度为920 mg/m³，最大质量浓度与最小质量浓度偏差达到了212 mg/m³。氮氧化物质量浓度分布规律波动值可采用不同工况时烟道断面同一位置处氮氧化物质量浓度相对平均质量浓度的偏差来描述^[17]。可见，该机组SCR反应器入口质量浓度分布在不同负荷时波动值极大，达到309 mg/m³。这对于SCR脱硝系统出口氮氧化物质量浓度稳定达到50 mg/m³以下，且氨逃逸两不超标的要求，是极大的挑战。这是W火焰锅炉宽炉膛，且各燃烧器可独立投切等特点决定的，是脱硝难度最大的一类机组^[18-24]。

1.4　计算流体力学（CFD）模型及边界条件

为保证网格质量，对规则流通域采用结构化网格划分，喷氨格栅、混合器区域采用非结构化网格，总网格数量为915万。进行网格无关性验证时，当网格数量约500万以上时，计算结果偏差已在1%以内，因此可认为网格数量为915万时，已满足网格无关性要求。建立CFD模型后，模型设置情况见表5。

省煤器出口截面作为流通域边界，将其等分为深度4、宽度8的32个小区域，每个区域为速度入口，其质量浓度分布按照不同工况采用表3和表4中实测数据，其余设置见表6。

1.5　原流场校核模拟结果及分析

对原流场进行CFD建模，并采用660 MW（工况1）和500 MW（工况2）测得的氮氧化物质量浓度分布作为边界条件，烟气量均采用满负荷烟气量。图2为原流场流线图，图3为第一层催化剂入口流速分布。

由图2、图3可见：因顶部弯头、反应器顶盖及整流格栅的布置不合理，催化剂入口截面烟气流速偏差大，其相对标准偏差（CV）值达到25.2%，指标远高于要求；流线入射催化剂时与竖直方向夹角过大，最大达到45°，这将加剧催化剂磨损，以及各区域脱硝出力不均匀的情况^[25]。

为了显示原流场在工况1和工况2时，催化剂入口截面氨氮摩尔比分布所能达到的最高均匀程度，在CFD模拟时，根据SCR反应器出口各分区平均氮氧化物质量浓度分布情况，对喷氨格栅12个小分区的喷嘴流量进行了模拟状态下的“喷氨调平”。

喷氨调平方案有多种^[26-27]。在实际机组运行状态下，手工喷氨优化调平试验，往往采用以喷氨格栅喷氨支管布置情况，将喷氨格栅分为喷氨支管手阀对应的小分区，并假设每分区喷氨后，其以层流方式完全对应流动到脱硝系统出口，因此出口也将存在与其完全对应的测量分区。根据现场SCR脱硝系统出口测孔布置特点，采用网格法测量出NO_x质量浓度分布情况，并折算出各分区NO_x质量浓度。根据各分区NO_x质量浓度与平均质量浓度之间的差异，缓慢调整喷氨格栅各分区对应手阀，最终将出口NO_x质量浓度调整到最均匀状态。实际状态下，难以通过“影响因子法^[26]”将每个项目先进行流场模拟，得出喷氨分区与测量分区之间对应关系。因此，本文模拟喷氨调平的方案，采用与实际手工调平一致的方案，即为，在模拟状态下，可根据脱硝系统出口分区质量浓度分布，定量计算出相对于脱硝系统出口平均NO_x质量浓度，各喷氨分区的喷氨流量，以此将调整后各分区喷氨量作为模拟状态下最优调平状态。

图4为工况1和工况2时按照脱硝系统出口各分区的氮氧化物质量浓度分布，调整喷氨格栅各区域喷氨量后的氨氮摩尔比分布。由图4可见，这2个工况下，氨氮摩尔比分布均匀性差CV值分别为6.74%和6.09%，在催化剂入口截面上最大值分别为1.20和1.22，均远远超出1.00，即相对于氮氧化物质量浓度氨过量，将产生大量氨逃逸^[28]。

2　不同流场技术方案及模拟结果对比

收起

2.1　不同流场技术方案

要使SCR脱硝系统长期稳定运行，具备低氨逃逸浓度条件下的超高脱硝效率，必须具备足够的催化剂活性和用量，且催化剂入口断面长期可靠保持氨氮摩尔比分布均匀^[28]。由于SCR脱硝系统入口氮氧化物质量浓度因锅炉工况变化分布并不均匀且分布规律不稳定，需对SCR系统流场及喷氨系统进行升级，使得SCR系统具备实时调整各分区喷氨量的功能，以应对氮氧化物质量浓度分布的偏差和变化。目前，主流的技术有“SCR分区混合动态调平技术”“全烟道断面混合流场技术”“常规精准喷氨技术”。

原SCR反应器入口流线入射催化剂角度极大，催化剂入口速度偏差大，造成催化剂局部严重冲刷磨损以及催化剂各区域出力不一致。这是由于反应器顶部烟道、导流板以及整流格栅结构形式不合理造成的。对该位置进行速度场优化，是后续进行分区测量及分区控制的前提条件。因此，本文假定各流场技术均对此部分进行优化（本文优化方案采用烟道和导流板“等阻法”），图5和图6分别为SCR反应器顶部优化后，流线及催化剂入口速度分布云图。优化后，烟气入射催化剂与竖直方向最大夹角小于10°，速度分布CV值由优化前的25.2%降至5.8%。

图7—图9为实施“SCR分区混合动态调平技术”“全烟道断面烟气混合技术”“常规精准喷氨技术”后的流场。方案清单见表7。

由图7可见，“SCR分区混合动态调平技术”将喷氨格栅移位至省煤器出口水平烟道，并将其后烟道分为4个分区，每个分区内部加装两级分区烟气混合器，烟气在喷氨格栅后，经过两级分区混合器，烟气在各分区内进行了强烈的旋转交叉混合，分区之间烟气保持良好的独立性。在喷氨格栅前加装了全烟道断面烟气混合器以降低各分区间氮氧化物质量浓度偏差。同时，在SCR反应器出口各分区中心点加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量。

由图8可见，“全烟道断面烟气混合技术”通过在喷氨格栅前布置两级全烟道断面烟气混合器，使烟气通过两级混合器后在全烟道左右方向内大范围进行交叉混合，降低了SCR反应器入口氮氧化物质量浓度分布偏差，从而提高喷氨格栅各小分区喷氨均匀性，减小各小分区阀门开度变化幅度；再对反应器顶盖及导流板进行优化，使催化剂入口速度分布均匀。

由图9可见，“常规精准喷氨技术”对SCR反应器导流板及顶盖进行优化，使烟气速度在进入催化剂前均匀分布。原喷氨格栅小分区数量为2×6=12个，也将烟道按喷氨格栅分为12个小分区，并假定SCR反应器出口各分区内测得的烟气成分与喷氨格栅对应分区喷氨量一一对应。烟气从省煤器出口烟道至催化剂表面，未进行强制烟气混合，成分分布将基本维持初始状况。

2.2　对比工况

为比较以上3种方案的性能指标，在同等条件下分别比较了SCR反应器入口各截面氮氧化物质量浓度最大偏差、催化剂入口氨氮摩尔比分布CV值、氨逃逸量和新增阻力。4种不同边界条件，模拟了4种不同工况时各技术的性能指标，工况及代码分别为：

1）工况1 OPR-1，入口氮氧化物质量浓度分布均匀，进行模拟喷氨调平后；

2）工况2 OPR-2，入口氮氧化物质量浓度按表4分布），进行模拟喷氨调平后；

3）工况3 OPR-3，入口氮氧化物质量浓度按表3分布，进行模拟喷氨调平后；

4）工况4 OPR-4，按工况2喷氨调平的调阀开度，变化为工况1的氮氧化物质量浓度分布，不进行喷氨调平。

OPT表示SCR分区混合动态调平技术；CRO表示全烟道断面混合技术；ORI/T表示常规精准喷氨技术。

2.3　结果分析

图10—图12分别为不同流场技术在工况2时，SCR反应器入口各截面氮氧化物质量浓度分布。

图13为各考察截面位置示意，图14为不同流场技术在工况1和工况2下SCR反应器入口各截面氮氧化物质量浓度最大偏差。由图14可见：常规精准喷氨技术，不对烟气浓度场进行优化，在工况1和工况2下各截面氮氧化物质量浓度最大偏差从SCR反应器入口截面的509、213 mg/m³，分别缓慢降至催化剂入口截面的409、143 mg/m³，减小幅度分别为19.6%和32.8%；SCR分区混合动态调平技术经过3级烟气混合，各截面氮氧化物质量浓度最大偏差分别降至和286.2、26.0 mg/m³，下降幅度分别达到了43.8%和85.7%；全烟道断面烟气混合技术经过两级烟气混合，各截面氮氧化物质量浓度最大偏差，迅速降至274.2、30.4 mg/m³，下降幅度分别达到了46.1%和87.8%。

由此可见，SCR分区混合动态调平技术和全烟道断面烟气混合技术对于提高催化剂入口氮氧化物质量浓度均匀性有明显的促进作用，可有效提高喷氨格栅调平品质，降低各分区喷氨量的变化幅度。

图15为不同流场技术在不同工况下，催化剂入口截面氨氮摩尔比分布CV值。由图15可见：在各种工况下SCR分区混合动态调平技术OPT催化剂入口截面氨氮摩尔比分布均匀性均显著优于另外2种技术；全断面烟气混合技术CRO和常规精准喷氨技术ORI/T，在工况OPR-1、OPR-2、OPR-3即使在喷氨调平的情况下，氨氮摩尔比分布CV值均高达10%左右，而且在假设不能自动调平的情况工况OPR-4下，其CV值显著增加到16.9%和18.4%。与其形成鲜明对比的是，SCR分区混合动态调平技术OPT在工况OPR-4时，各分区内的氨氮摩尔比分布CV平均值仍然维持在2.4%的水平，大大降低了其氨逃逸量。

图16为CFD模拟得到不同流场技术在不同工况时，SCR反应器出口平均氨逃逸量。由图16可知：工况1时仅OPT可在正常调平状态下达到3 μL/L以内的要求；其他2种技术即使进行出口分区测量及喷氨格栅分区调阀对应调节，氨逃逸量平均达到7.5~13.1 μL/L；在工况OPR-4 CRO、ORI/T氨逃逸量显著增至18.9~24.4 μL/L，而OPT对应的氨逃逸量也达到了12.8 μL/L。这说明，在SCR反应器入口氮氧化物质量浓度分布规律不稳定，偏差较大时，若不进行实时分区监测及动态调平，都将导致氨逃逸量超标。

经计算，在600 MW负荷条件下，模拟得到OPT喷氨调平后氨逃逸量分布如图17所示。由图17可知：4分区平均氨逃逸量分别为0.27、0.32、0.22、0.16 μL/L；4分区最大氨逃逸量分别为0.30、0.60、0.48、0.19 μL/L。

经计算，“SCR分区混合动态调平技术”“全烟道断面混合流场技术”“常规精准喷氨技术”，相对于反应器顶部改造后的原始工况，满负荷时，新增阻力分别为183、113、0 Pa。

3　改造效果

收起

该660 MW机组W火焰锅炉仅SCR分区混合动态调平技术可达到脱硝效率超过95%，且氨逃逸量稳定低于3 μL/L的要求。2019年5月1日，1号机组完成了SCR分区混合动态调平技术改造并投运，国网河北能源技术服务有限公司于2019年8月5日—8月10日对其进行了性能考试试验，各指标均优于技术协议要求^[29]。

图18为A/B侧SCR反应器入口性能试验11个测孔氮氧化物质量浓度分布。由图18可知：100%负荷下SCR反应器入口A/B侧断面上氮氧化物质量浓度平均值分别为1 101.02、973.80 mg/m³；氮氧化物质量浓度分布偏差分别达到160、336 mg/m³。出口氮氧化物质量浓度要控制到50 mg/m³以内，难度较大。

图19分别为100%负荷下A/B侧SCR反应器出口11个测孔NO_x质量浓度和氨逃逸量分布。由图19可知：SCR反应器出口A/B侧断面上氮氧化物质量浓度平均值分别为38.57、37.61 mg/m³；氮氧化物质量浓度分布CV值分别为16.1%和11.7%；脱硝效率分别为96.5%和96.15%；氨逃逸量平均值分别为2.07、1.71 μL/L。氨逃逸量实测值比图16中模拟值偏大1.0~1.5 μL/L，处于同一量级。产生偏差的原因主要有：1）模拟时按催化剂理论活性进行计算，而实际机组运行过程中，催化剂存在不同程度的磨损、积灰以及催化剂密封不严造成的漏风；2）氨逃逸量测量时，往往难以彻底排除吸收液中背景氨的影响。因此，认为本模拟可很好地预测和反映各方案的性能。

75%负荷下，SCR反应器入口A/B侧断面上氮氧化物质量浓度平均值分别为974.57、912.75 mg/m³；SCR反应器出口A/B侧断面上氮氧化物质量浓度平均值分别为41.63、36.79 mg/m³；脱硝效率分别为95.73%和95.97%；氮氧化物质量浓度CV值分别为17.5%和18.7%；氨逃逸浓度平均值分别为1.58、1.40 μL/L。50%负荷下，SCR反应器入口A/B侧断面上氮氧化物质量浓度平均值分别为922.61、879.31 mg/m³；SCR反应器出口A/B侧断面上氮氧化物质量浓度平均值分别为40.74、39.86 mg/m³；脱硝效率分别为95.59%和95.47%；氮氧化物质量浓度CV值分别为17.5%和16.2%；氨逃逸浓度平均值分别为0.70、0.51 μL/L。

由以上实际测试结果来看，此次改造效果达到了预期，脱硝系统脱硝效率长期稳定超过95%，且氨逃逸浓度稳定控制在3 μL/L以下。

4　结论

收起

本文针对国内某660 MW机组W火焰锅炉，SCR脱硝系统氮氧化物质量浓度超高（1 000 mg/m³），需控制到50 mg/m³以内，氨逃逸稳定低于3 μL/L的技术要求，采用“SCR分区混合动态调平技术”“全烟道断面混合流场技术”“常规精准喷氨技术”3种方案进行CFD模拟计算，分析对比结果如下。

1）工况1和工况2下，常规精准喷氨技术可使SCR反应器入口各截面氮氧化物质量浓度最大偏差减小19.6%和32.8%，SCR分区混合动态调平技术减小43.8%和85.7%，全断面烟气混合技术减小46.1%和87.8%。

2）各种工况下，SCR分区混合动态调平技术催化剂入口截面氨氮摩尔比分布均匀性均显著优于另外2种技术。工况OPR-1、OPR-2、OPR-3下，即使在喷氨调平的情况下，全烟道断面烟气混合技术和常规精准喷氨技术氨氮摩尔比分布CV值均高达10%左右。在假设不能自动调平的情况下，工况OPR-4时，全断面烟气混合技术和常规精准喷氨技术CV值显著增加到16.9%和18.4%。SCR分区混合动态调平技术在工况OPR-4时，各分区内的氨氮摩尔比分布CV平均值仍然维持在2.4%的水平，大大降低了其氨逃逸量。

3）工况1时，仅SCR分区混合动态调平技术可在正常调平状态下，氨逃逸达到3 μL/L以内的要求；其他2种技术，即使进行出口分区测量及喷氨格栅分区调节，平均氨逃逸也高达7.5~13.1 μL/L。工况OPR-4下其他2种技术氨逃逸分别显著增至18.9~24.4 μL/L，同时SCR分区混合动态调平技术对应的氨逃逸平均值也达到12.8 μL/L。这说明，在SCR入口氮氧化物质量浓度分布规律不稳定，偏差较大时，若不进行实时分区监测及动态调平，都将导致氨逸水平超标。

4）“SCR分区混合动态调平技术”“全烟道断面混合流场技术”“常规精准喷氨技术”，相对于原始状况，满负荷时新增阻力分别为183、113、0 Pa，对系统阻力影响均较小。

5）对1号机组进行SCR分区混合动态调平技术改造后，高、中、低3个负荷下脱硝效率均高于95%，氨逃逸浓度稳定低于3 μL/L，且喷氨自动控制全程投入。经统计，同等条件下，氨耗量相对于改造前下降约9%。

基金

收起

中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ21-H46)
陕西省重点研发计划项目资助(2023-YBGY-289)

参考文献

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文献

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2024年第53卷第3期

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doi: 10.19666/j.rlfd.202310160

接收时间：2023-10-12
首发时间：2025-12-31
出版时间：2024-03-25

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收稿日期：2023-10-12

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Science and Technology Project of China Huaneng Group Co., Ltd.(HNKJ21-H46)

中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ21-H46)

Key Research and Development Program of Shaanxi(2023-YBGY-289)

陕西省重点研发计划项目资助(2023-YBGY-289)

作者信息

^1.西安热工研究院有限公司，陕西　西安　710054

^2.西北工业大学动力能源学院，陕西　西安　710129

^3.华能海南发电股份有限公司，海南　海口　572631

^4.华能山东发电有限公司，山东　济南　250013

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

项目	设计煤质	校核煤质
工业分析	收到基全水分w_ar(M)/%	6.55	5.98
收到基灰分w_ar(A)/%	21.18	20.56
收到基挥发分w_ar(V)/%	9.58	6.15
干燥无灰基挥发分w_daf(V)/%	13.25	8.37
收到基低位发热量Q_net.ar/(MJ·kg^–1)	23.53	24.45
元素分析	收到基碳分w_ar(C)/%	64.14	68.27
收到基氢分w_ar(H)/%	2.15	1.46
收到基氧分w_ar(O)/%	4.45	2.36
收到基氮分w_ar(N)/%	0.94	0.91
收到基硫分w_ar(S)/%	0.52	0.46

项目

设计煤质

校核煤质

工业分析

收到基全水分w_ar(M)/%

6.55

5.98

收到基灰分w_ar(A)/%

21.18

20.56

收到基挥发分w_ar(V)/%

9.58

6.15

干燥无灰基挥发分w_daf(V)/%

13.25

8.37

收到基低位发热量Q_net.ar/(MJ·kg^–1)

23.53

24.45

元素分析

收到基碳分w_ar(C)/%

64.14

68.27

收到基氢分w_ar(H)/%

2.15

1.46

收到基氧分w_ar(O)/%

4.45

2.36

收到基氮分w_ar(N)/%

0.94

0.91

收到基硫分w_ar(S)/%

0.52

0.46

项目	数值	备注
烟气流量/(m³·h^–1)	1 869 261	标态，湿基，实际氧
O₂体积分数/%	1.83	湿基
CO₂体积分数/%	15.48	湿基
N₂体积分数/%	74.11	湿基
烟气湿度/%	8.59	湿基
烟气温度/℃	410.00	100%BMCR
飞灰质量浓度/(g·m^–3)	44.00	φ(O₂)=6%
SO₂质量浓度/(mg·m^–3)	2 146.00	φ(O₂)=6%
氮氧化物质量浓度/(mg·m^–3)	1 000.00	φ(O₂)=6%
省煤器出口烟静压/Pa	–700.00

项目

数值

备注

烟气流量/(m³·h^–1)

1 869 261

标态，湿基，实际氧

O₂体积分数/%

1.83

湿基

CO₂体积分数/%

15.48

湿基

N₂体积分数/%

74.11

湿基

烟气湿度/%

8.59

湿基

烟气温度/℃

410.00

100%BMCR

飞灰质量浓度/(g·m^–3)

44.00

φ(O₂)=6%

SO₂质量浓度/(mg·m^–3)

2 146.00

φ(O₂)=6%

氮氧化物质量浓度/(mg·m^–3)

1 000.00

φ(O₂)=6%

省煤器出口烟静压/Pa

–700.00

项目	孔1	孔2	孔3	孔4	孔5	孔6	孔7	孔8
深1	1 132	1 196	1 107	1 033	966	878	860	758
深2	1 152	1 216	1 127	1 053	986	898	880	778
深3	1 122	1 186	1 097	1 023	956	868	850	748
深4	1 082	1 146	1 057	983	916	828	810	708

项目

孔1

孔2

孔3

孔4

孔5

孔6

孔7

孔8

深1

1 132

1 196

1 107

1 033

966

878

860

758

深2

1 152

1 216

1 127

1 053

986

898

880

778

深3

1 122

1 186

1 097

1 023

956

868

850

748

深4

1 082

1 146

1 057

983

916

828

810

708

项目	孔1	孔2	孔3	孔4	孔5	孔6	孔7	孔8
深1	916	975	912	946	864	872	948	1 006
深2	936	995	932	966	884	892	968	1 026
深3	906	965	902	936	854	862	938	996
深4	866	925	862	896	814	822	898	956

项目

孔1

孔2

孔3

孔4

孔5

孔6

孔7

孔8

深1

916

975

912

946

864

872

948

1 006

深2

936

995

932

966

884

892

968

1 026

深3

906

965

902

936

854

862

938

996

深4

866

925

862

896

814

822

898

956

序号	名称	模型
1	Viscous Model	K-epsilon(2 eqn)
2	K-epsilon Model	Standard
3	Near-Wall treatment	Standard wall Functions
4	Species Model	Species Transport
5	催化剂层	Porous Zone/Laminar Zone

序号

名称

模型

Viscous Model

K-epsilon(2 eqn)

K-epsilon Model

Standard

Near-Wall treatment

Standard wall Functions

Species Model

Species Transport

催化剂层

Porous Zone/Laminar Zone

序号	项目
1	入口类型	Velocity Inlet
2	出口类型	Outflow
3	速度值/(m·s^–1)	4.5
4	当地静压/Pa	–700
5	温度/K	683
6	成分	见表2—表4
7	催化剂总量/m³	891
8	催化剂比表面积/(m²·m^–3)	314
9	催化剂活性/(m·h^–1)	36

序号

项目

入口类型

Velocity Inlet

出口类型

Outflow

速度值/(m·s^–1)

4.5

当地静压/Pa

–700

温度/K

683

成分

见表2—表4

催化剂总量/m³

891

催化剂比表面积/(m²·m^–3)

314

催化剂活性/(m·h^–1)

技术	方案内容
SCR分区混合动态调平技术	导流板及SCR反应器顶部改造；喷氨格栅移位至省煤器出口水平烟道；喷氨格栅前加装了全烟道断面烟气混合器；将其后烟道分为4个分区，分区内部加装分区烟气混合器；在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；控制逻辑升级改造
全烟道断面烟气混合技术	导流板及SCR反应器顶部改造；喷氨格栅前加装了一级全烟道断面烟气混合器；斜段烟道入口加装了二级全烟道断面烟气混合器；在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；控制逻辑升级改造
常规精准喷氨技术	导流板及SCR反应器顶部改造；在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；控制逻辑升级改造

技术

方案内容

SCR分区混合动态调平技术

导流板及SCR反应器顶部改造；
喷氨格栅移位至省煤器出口水平烟道；
喷氨格栅前加装了全烟道断面烟气混合器；
将其后烟道分为4个分区，分区内部加装分区烟气混合器；
在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；
控制逻辑升级改造

全烟道断面烟气混合技术

导流板及SCR反应器顶部改造；
喷氨格栅前加装了一级全烟道断面烟气混合器；
斜段烟道入口加装了二级全烟道断面烟气混合器；
在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；
控制逻辑升级改造

常规精准喷氨技术

导流板及SCR反应器顶部改造；
在SCR反应器出口各分区加装氮氧化物质量浓度在线监测点，并实时调整各分区喷氨量；
控制逻辑升级改造