一种切圆燃烧煤粉锅炉SCR系统脱硝运行优化方法

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一种切圆燃烧煤粉锅炉SCR系统脱硝运行优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于煤粉燃烧脱硝技术领域，具体涉及一种切圆燃烧煤粉锅炉SCR系统脱硝运行优化方法，尤其适用于四角切圆和墙式切圆燃烧煤粉锅炉。
背景技术
[0002] 中国一次能源消费以煤炭为主，煤炭消费约占一次能源消费的70%以上，并且这种以煤为主的能源结构在今后的一段时期内都不会改变。煤燃烧产生的氮氧化物（NO、NO2和N2O，统称NOx）排放是大气污染物主要来源之一。NOx会直接危害人体健康，还会导致酸雨与光化学烟雾的形成和造成大气温室效应。新的《火电厂大气污染物排放标准》
3
(GB13223-2012)，将NOx(以NO2计)浓度由（GB13223-2003）的450-1100mg/m 消减为
3
100-200mg/m，对NOx排放控制提出了更紧迫和更严格的需求。
[0003] 国内外发展了许多控制煤燃烧过程中NOx排放的技术措施，主要可分为两大类：
(1)低NOx燃烧技术，主要有低NOx燃烧器、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、再燃技术和烟气再循环；(2)烟气脱硝技术，主要包括选择性催化还原法（SCR）和选择性非催化还原法（SNCR)。燃烧控制技术基本思想是，通过各种技术手段抑制燃烧过程中NOx的生成反应，或是设法造成缺氧富燃的燃烧区域，使已生成的NOx被部分还原。烟气脱硝技术是向烟气喷射氨、尿素等氨基还原剂，利用其选择性地将NOx转化为N2和H2O的工艺。因为一定温度范围内NH3只和烟气中NOx发生反应，而一般并不与烟气中氧发生反应，这种有选择的化学反应称之为选择性降低NOx法。选择性烟气脱硝方法有分为SNCR法和SCR法。由于现有低氮燃烧技术的限制，仅采用炉内低氮燃烧技术，锅炉NOx排放量达不到新的环保标准，因此采用炉内低氮燃烧技术与烟气选择性还原脱硝技术，是新建和现役大型电站锅炉低氮技术改造的最优选择。SNCR技术在炉膛上部向炉膛烟气中喷氨，由于不采用催化剂，NH3还原NOx反应只能在950～1050℃这一狭窄温度范围内进行，对运行工况变化的适应性较差，实际运行脱硝效率低不到50%；而且未反应NH3会泄漏到锅炉尾部受热面，引起尾部受热面堵塞、结渣和腐蚀，还会造成新的污染。因此，目前烟气脱硝技术主要是SCR技术。
[0004] SCR技术使用NH3和催化剂将NOx还原成N2，反应温度大大降低且范围较宽(100℃-450℃)；SCR技术具有很高的脱硝效率，在NH3/NOx摩尔比为1的条件下，可以达到
90%以上的脱硝效率。在实际运行中，影响SCR系统脱硝运行性能的因素主要有反应器中流动均匀性、NOx分布均匀性、NH3/NOx摩尔比、氨逃逸率、催化剂性能、锅炉运行工况等（汤元强，燃煤电厂SCR烟气脱硝系统优化与飞灰颗粒运动的研究[D].硕士论文，上海：上海交通大学，2012）。
[0005] (1)流动均匀性
[0006] 反应器中流动均匀性对NOx分布均匀性和NH3/NOx的混合效果很重要，是SCR装置设计和运行中的重点和难点。如果流动均匀性不好，NH3与烟气混合不均，即使氨的输入量不大，氨与NOx也不能充分反应，不仅达不到脱硝的目的还会增加氨泄漏。需要采用合理的喷嘴格栅，导流和均流装置设计，改善流动和NOx分布均匀性，使氨和烟气均匀混合的，避免由于氨和烟气的混合不均所引起的一系列问题。
[0007] (2)NOx分布均匀性
[0008] 由于锅炉燃烧条件不当，可能造成炉膛内局部区域NOx生成量和浓度偏高，导致在SCR系统中NOx分布不均；如果不能有针对性进行喷氨的优化调整，会使脱硝效率降低，NOx排放量超标。
[0009] (3)NH3/NOx摩尔比
[0010] 理论上，1摩尔NOx需要1摩尔NH3脱除，NH3量不足会使脱硝效率降低，但NH3过量又会对环境造成二次污染；通常NH3的喷入随着锅炉机组运行工况的变化而变化。还原剂NH3的用量一般根据期望达到的脱硝效率，通过设定NOx与NH3的摩尔比来控制。当其摩尔比较小时，NOx与NH3的反应不完全，NOx转化率低。当摩尔比超过一定范围时，NOx转化率不再增加，造成还原剂NH3的浪费，氨逃逸量增大。
[0011] (4)氨逃逸率
[0012] 若NH3量控制不好，不仅使成本增加，而且将导致两个主要问题：空气预热器换热面的腐蚀和飞灰的污染。由于多余的氨与烟气中的SO3反应生成硫酸氢铵，当后续烟道烟温降低时，硫酸氢铵就会附着在空气预热器表面和飞灰颗粒管板，造成腐蚀和堵塞，影响机组安全稳定运行。
[0013] (5)催化剂性能
[0014] 不同的催化剂有不同的活性和物理性能，这决定了不同的结构和表面积。一般来说，对于选定的催化剂，结构越简单，表面积越大，越有利于催化剂的布置和反应器内反应物的反应。在氨氮摩尔比、反应器尺寸一定的条件下，催化剂活性越大，降低NOx生成量的可能性就越大，SCR反应器中填装的催化剂活性成份一般有V2O5、WO3、MoO3等。
[0015] (6)锅炉运行工况
[0016] 锅炉运行工况的变化对SCR系统的影响一方面体现在氨的喷入量和位置上；当锅炉运行工况，如负荷、过量空气系数、配风方式、磨煤机运行方式等改变时，SCR系统入口流动均匀性和NOx含量也随之改变，为了维持一定的NH3/NOx比，保证脱硝效率，必须及时调整氨的喷入量和位置；另一方面，锅炉运行工况变化时，烟气温度也随之变化，对反应速度和催化剂的活性也将有所影响。
[0017] 但实际运行中，SCR系统运行中存在以下问题：(1)脱硝效率低于设计值，NOx排放量达不到环保标准；(2)反应不完全导致部分NH3逃逸，运行成本升高；(3)NH3逃逸造成二次污染，导致空气预热器等设备腐蚀和堵塞，对锅炉安全稳定运行造成隐患。
[0018] 导致上述问题的原因主要有：(1)目前，我国处于SCR脱硝系统大规模建设时期，系统设备和技术供应方和发电厂都主要关注SCR脱硝系统的建设，还缺乏对SCR系统运行优化技术的发展。(2)在SCR系统设计过程中，主要考虑SCR系统内通过加装导流和均流装置等来改善反应器内流动和NOx分布均匀性。实际上，锅炉燃烧方式、炉膛和尾部烟道结构、锅炉运行工况条件都会对SCR入口烟气流动和NOx分布的均匀性产生很大影响。对于切圆燃烧煤粉锅炉，高温煤粉气流火炬在炉膛中强烈旋转上升，由于旋转残余的影响，在炉膛上部过热器受热面屏区会沿炉膛宽度方向产生烟气速度和流量偏差（Yin C G.Further study of the gas temperature deviation in large-scale tangentially coal-fired boilers[J].Fuel,2003,821127-1137.）；这种偏差经过尾部烟道后，会传递到SCR系统入口截面，导致其流动和NOx分布均匀性产生偏差，进而会降低SCR反应器中流动和NOx分布均匀性。锅炉运行工况变化，SCR系统入口截面和反应器中流动和NOx分布均匀性也会随之改变。针对这些因素影响，运行中如果不及时调整，系统脱硝效率降低，排放超标，氨逃逸率增加，加重二次污染，会严重影响整个锅炉机组系统运行的安全、经济和环保性能。而目前运行调整中，都没有考虑这些因素的影响。(3)针对(2)中所述SCR系统入口截面和反应器中流动和NOx分布不均匀特性和偏差，缺乏有效的NH3喷入控制优化方法和手段，包括NH3喷入的位置和流量的确定方法和简便易行的喷NH3调整控制手段。
[0019] 综上所述，发展SCR脱硝系统运行优化方法和技术，提高脱硝效率，减少氨的喷入量和逃逸率对锅炉机组安全、经济和环保运行都很重要。
发明内容
[0020] 本发明提供一种切圆燃烧煤粉锅炉SCR系统脱硝运行优化方法，其目的在于,综合考虑锅炉和SCR系统结构及运行情况来进行优化调整，提高SCR系统脱硝效率，减少氨的喷入量和逃逸率，提高锅炉机组运行的安全性、经济性和环保性。
[0021] 一种煤粉锅炉SCR系统脱硝运行优化方法，包括以下步骤：
[0022] 步骤S01：根据锅炉实际结构尺寸建立流动、燃烧和传热三维数值模型，以实际运行条件设置锅炉入口和壁面边界条件，在不同运行工况下研究锅炉炉膛和尾部烟道烟气流速和NOx分布特性，获得锅炉出口即SCR系统入口截面的烟气流速和NOx浓度分布均匀性及偏差；
[0023] 步骤S02：根据SCR系统实际结构尺寸建立流动和组分输运三维数值模型，以步骤S01获得的烟气流速和NOx浓度分布均匀性及偏差模型值为入口边界条件，在不同运行工况下研究SCR系统内烟气流速以及NH3与NOx比值分布特性，获得SCR系统反应器中烟气流速以及NH3与NOx摩尔比分布均匀性及偏差；
[0024] 步骤S03：在SCR系统出口布置测量点，采用网格法测量得到SCR系统出口截面的NOx和NH3的排放量和分布均匀性；
[0025] 步骤S04：根据步骤S01和S02中获取的烟气流速和NH3与NOx摩尔比分布均匀性及偏差，并以步骤S03获取的SCR系统出口截面NOx和NH3的排放量达到设计值和均匀分布为目标，优化调整SCR系统烟道上的氨喷嘴的喷氨流量，调整方法为：
[0026] 将SCR系统入口烟气流速偏大的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调大，将烟气流速模型值偏小的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调小；
[0027] 将SCR系统反应器内NH3与NOx摩尔比比偏小的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调大，将NH3与NOx摩尔比偏大的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调小；
[0028] 按照上述方式反复调整和测量，直到SCR系统出口截面的NOx和NH3排放量和分布均匀性满足预定要求。
[0029] 进一步地，在步骤S01中建立锅炉三维模型时考虑水平烟道、过热器受热面、再热器受热面、转向室、尾部烟道低温过、再热器受热面和省煤器受热面、烟气调节挡板对SCR系统入口截面烟气流速和NOx分布均匀性均匀性及偏差的影响。
[0030] 进一步地，在步骤S03中建立SCR系统模型时考虑SCR系统内部导流板、喷氨装置和均流格栅对SCR反应器内烟气流速和NH3与NOx摩尔比分布均匀性及偏差的影响。
[0031] 本发明的技术效果体现在：
[0032] 本发明的切圆燃烧煤粉锅炉SCR系统脱硝运行优化方法，通过数值模拟方法，考虑锅炉内部结构和运行情况获得锅炉出口即SCR系统入口截面的烟气流速和NOx浓度分布均匀性及偏差，在此基础上进一步考虑SCR系统内部结构和运行情况获取SCR反应器内的烟气流速和NH3/NOx分布均匀性及偏差；并根据烟气流速和NH3/NOx，优化调整SCR系统烟道上的氨喷嘴的喷氨流量，将烟气流速偏大的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调大，将烟气流速偏小的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调小，将NH3/NOx偏小的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调大，将NH3/NOx偏大的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调小；采用本方法，经过几次反复反复调整和测量，将NH3/NOx调整至1.0左右，SCR系统出口截面的NOx和NH3排放量和分布均匀性满足预定要求。优化调整后，可获得如下效果：(1)提高SCR系统脱硝效率，降低锅炉NOx排放量，满足环保标准；(2)减少喷氨量和NH3逃逸量，降低SCR系统运行成本；(3)减少NH3逃逸量，降低二次污染程度，可有效缓解空气预热器等设备腐蚀和堵塞，提升锅炉安全稳定运行性能。该方法可用于四角切圆和墙式切圆燃烧煤粉锅炉。
附图说明
[0033] 图1是本发明煤粉锅炉SCR系统脱硝优化运行方法流程示意图；
[0034] 图2是本发明实施实例中的切圆燃烧锅炉和SCR系统结构示意图（正视方向）；
[0035] 图3是本发明实施实例中的切圆燃烧锅炉上炉膛过热器屏区及水平烟道烟气流速偏差示意图（俯视方向）；
[0036] 图4是本发明实施实例中的切圆燃烧锅炉SCR系统烟道上氨喷嘴布置示意图（俯视方向）。
具体实施方式
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0038] 本发明提供了一种用于提高切圆燃烧煤粉锅炉SCR系统脱硝效率，降低其运行成本和提高其锅炉系统运行安全性的SCR系统脱硝运行优化方法。该方法同时考虑锅炉运行工况、锅炉炉膛与烟道结构以及SCR系统结构的影响，实施步骤如图1所示：
[0039] 步骤S01：根据锅炉实际结构尺寸建立流动、燃烧和传热三维数值模型，尤其是对水平烟道、过热器受热面、再热器受热面、转向室、尾部烟道低温过、再热器受热面和省煤器受热面、烟气调节挡板等都要按照实际结构处理；采用实际运行条件设置入口和壁面边界条件，在不同运行工况下研究炉膛和尾部烟道烟气流速和NOx分布特性，获得SCR系统入口截面(锅炉尾部烟道出口截面)烟气流速和NOx分布均匀性及偏差，并将其导出成为数据文件保存，作为步骤S02中SCR系统模拟的入口边界条件。锅炉炉膛、烟道和受热面系统结构示意图见图2，图中1--炉膛、2--过热器、3--再热器、4--转向室、5--低温再热器、6--省煤器。锅炉上炉膛过热器屏区及水平烟道流动偏差示意图见图3。本步骤建模方法可采用本领域常用的方法，例如计算流体力学法CFD(参考：韩才元,徐明厚,周怀春,邱建荣.煤粉燃烧[M].北京:科学出版社,2001.)，上述方法只是示例，不限于此，由于是现有技术在此不再赘述。
[0040] 步骤S02：根据SCR系统实际结构尺寸建立流动和组分输运三维数值模型，对导流、均流和氨喷嘴装置以及反应器按照实际结构处理；将步骤S01中导出的数据文件导入，作为SCR系统入口截面烟气流速和NOx分布特性的入口边界条件，在不同工况下研究SCR系统内流动和NH3/NOx分布特性，获得SCR系统反应器中烟气流速和NH3/NOx分布均匀性及偏差。SCR系统结构示意图见图2，图中7--SCR系统入口、8--导流板、9--喷氨装置、10--整流装置、11--反应器、12--SCR系统出口。本步骤建模方法可采用本领域常用的方法，例如汤元强在燃煤电厂SCR烟气脱硝系统优化与飞灰颗粒运动的研究中（硕士论文,上海:上海交通大学,2012.)提到的方法，上述方法只是示例，不限于此，由于是现有技术在此不再赘述。
[0041] 步骤S03：在SCR系统出口布置测量点，采用网格法(GB10184-88,电站锅炉性能试验规程[S].1989.)测量此出口截面的NOx和NH3的排放量和分布均匀性。
[0042] 步骤S04：根据步骤S01和S02中获取的模型值，并以步骤S03中的SCR系统出口截面NOx和NH3的排放量达到预设值和均匀分布为目标，优化调整SCR系统烟道上的氨喷嘴的喷氨流量（锅炉SCR系统烟道上氨喷嘴布置示意图见图4）；调整方法为：(1)将SCR系统入口烟气流速偏大的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调大，而将烟气流速偏小的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调小；将SCR系统反应器内NH3/NOx偏小的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调大，将NH3/NOx偏大的区域对应的氨喷嘴的喷氨流量调小；(2)经过(1)中的调整后，再次对SCR系统进行数值模拟，考察SCR系统反应器内NH3/NOx分布均匀性和偏差，测量SCR系统出口截面的NOx和NH3的排放量和分布均匀性；并据此再次对不同只喷嘴喷氨流量进行调整，方法同上；(3)经过几次反复反复调整和测量，将SCR系统反应器内NH3/NOx调整至1.0左右，均匀分布，并使SCR系统出口截面NOx和NH3的排放量达到预设值且均匀分布。
[0043] 现以一台700MW四角切圆燃烧煤粉锅炉多工况SCR系统脱硝运行优化为例，对本发明进行进一步详细说明。
[0044] 步骤S01：根据该700MW锅炉实际结构尺寸建立流动、燃烧和传热三维数值模型；
在多工况条件下，采用实际运行条件设置入口和壁面边界条件，研究炉膛和尾部烟道烟气流速和NOx分布特性，获得SCR系统入口(锅炉尾部烟道出口)烟气流速和NOx分布均匀性和偏差。
[0045] 锅炉采用四角切圆燃烧方式，煤粉气流火焰沿逆时针方向旋转；在炉膛上部过热器受热面区域，由于旋转残余的影响，会沿炉膛宽度方向产生烟气速度和流量偏差；导致右侧烟气速度和流量都高于左侧，如图3所示。模拟结果表明，这种偏差特性导致SCR系统入口截面右侧和左侧烟气流速和NOx分布产生偏差，右侧烟气流速和流量、NOx浓度大于左侧。
将这种偏差特性导出成为数据文件保存，作为步骤S02中的SCR系统模拟的入口边界条件。
[0046] 步骤S02：根据SCR系统实际结构尺寸建立流动和组分输运三维数值模型；在多工况条件下，将步骤S01中导出的数据文件导入，作为SCR系统入口截面烟气流速和NOx分布均匀性的入口边界条件，在所有氨喷嘴喷氨流量相同的条件下，研究SCR系统内流动和NH3/NOx分布特性，获得SCR系统反应器中烟气流速和NH3/NOx分布均匀性和偏差。结果表明，NH3/NOx存在偏差，右侧NH3/NOx偏小，而左侧NH3/NOx偏大。
[0047] 步骤S03：在SCR系统出口布置测量点，采用网格法测量此出口截面的NOx和NH3的排放量和分布均匀性。结果表明，右侧NOx浓度偏高，而左侧NH3浓度偏高。这说明右侧脱硝效率偏低，左侧逃逸率NH3偏高。
[0048] 步骤S04：根据步骤S01和S02中的烟气流速、NOx分布和NH3/NOx分布偏差结果，并以步骤S03中的SCR系统出口截面NOx和NH3的排放量达到设计值和均匀分布为目标，对不同氨喷嘴的喷氨流量进行优化调整，将SCR系统反应器内NH3/NOx调整至1.0左右，改善NH3/NOx分布均匀性。结合图4来说明优化调整方法：(1)将12只氨喷嘴喷氨流量由原来均匀设置改为偏差设置，适当增大右侧1～6号喷嘴喷氨流量，适当减小左侧7～12号喷嘴喷氨流量，使12只喷嘴喷氨流量按照1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11与12号的顺序依次递减。
(2)经过(1)中的调整后，再次对SCR系统进行数值模拟，考察SCR系统反应器内NH3/NOx分布均匀性和偏差，测量SCR系统出口截面的NOx和NH3的排放量和分布均匀性；并据此再次对12只喷嘴喷氨流量进行调整，方法同上。(3)经过几次反复调整和测量后，将SCR系统反应器内NH3/NOx调整至1.0左右，均匀分布，并使SCR系统出口截面NOx和NH3的排放量达到预设值且均匀分布。。
[0049] 经本实施例的SCR系统运行优化后，脱硝运行性能提升如下表：
[0050]
[0051] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。