基于氨-空气混合技术的SCR脱硝系统氨耗控制？
因此，本文从氨-空气混合的角度出发，借助计算流体力学(CFD)软件数值模拟，探讨了安装氨-空气混合器、优化总管集箱尺寸、采用流场分区混合对机组SCR脱硝系统氨耗的影响。采用上述技术改造300MW机组后，机组氨耗降低约37.8%，每年节约液氨采购费用68.79万元，经济效果显著。
选择性催化还原SCR技术广泛应用于燃煤机组的烟气脱硝处理。其原理是在催化剂的作用下，氮氧化合物与还原剂反应生成氮气和水，去除氮氧化合物。
过量喷入还原剂会增加氮氧化合物氨逸出量，一方面会增加设备安全隐患，造成空气预热器(空气预热器)堵塞，除尘器糊袋内粉尘悬空。另一方面会增加运行成本，比如引风机电流的增加，液氨的购买成本。实际生产中，部分电厂煤质较差，硫含量过高。空气预热器堵塞已成为普遍现象和亟待解决的难题。因此，优化还原剂的喷射过程，在保证排放标准的前提下，尽可能减少还原剂的喷射量，具有重要的经济意义和应用前景。以往优化喷氨量的研究大多从自动控制入手。本文从喷氨混合系统和流场优化两个方面对喷氨量进行优化。
1理论氨消耗量的计算
理论氨耗是根据脱硝系统的设计边界条件计算出来的，也是本文氨耗优化的最终理想目标。本文采用液氨作为还原剂，被蒸发成气态，通过供氨管道喷入稀释风道，与稀释空气混合，送入总管集箱，再通过喷氨支管经喷嘴进入烟道。
根据方程式(1)，氮氧化合物与NH3的理论当量比(氨氮摩尔比)为1，因此可根据理论烟气量和进出口氮氧化合物质量浓度计算出理论液氨消耗量:
但受反应速率、烟气混合等因素影响，实际运行中氨氮的摩尔比会略高于理论值1:
其中r是氨氮的实际摩尔比，通常为1.05。
2.安装氨空混合器对氨耗的影响
考虑到安全性，要求纯氨气进入稀释空气管道后稀释到体积比5%以下。另外，为了保证各支管注氨调节性能的一致性，希望各支管的氨量尽可能一致。有些机组的设计是将氨管道直接插入稀释空气管道，稀释空气管道中没有氨-空气混合器。
实际上，仅仅依靠管道内气流的自混合和组分扩散是无法实现氨和空气的均匀混合的，需要混合设备。本文采用数值模拟的方法，比较了安装Xi安热电研究院有限公司生产的氨-空气混合器前后稀释空气管道中氨组分的分布特性。CFD模型的计算范围是从喷射口上游1m到氨空混合器下游9m的管道。
为了分析氨的分布，管道上每隔0.5m设置1个监测面，共计18个。CFD模型计算采用基于压力的求解器、标准k-ε方程、压力-速度耦合、SIMPLE算法和质量入口边界条件，选择组分输运模型模拟NH3与其他组分的混合。该模型有32，000个网格，最大失真小于0.85。计算结果与65，000和92，000网格的模型结果一致。
氨-空气混合器及其混合距离对氨质量浓度分布的影响如图1所示。从图1可以看出，随着混合距离的增加，安装氨-空气混合器时，氨在管道中分布的均匀性会逐渐提高；无氨-空气混合器的管道中氨质量浓度的相对标准偏差在距注射口9m处高达58.5%，而有氨-空气混合器的管道中氨质量浓度的相对标准偏差在距注射口5m处降至4.0%。
图1氨-空气混合器及其混合距离对氨质量浓度分布的影响。
图2比较了在有或没有氨-空气混合器的情况下，在距注射口5m处的氨质量浓度分布的云图。
图2距注入口5m处的氨体积分数分布云图。
从图2中可以看出，安装混合器后，全断面氨的质量浓度是均匀的，但未安装氨-空气混合器的断面氨的质量浓度主要集中在靠近喷射口的区域，这意味着远端支管中氨的质量浓度必然过低。
如果喷氨格栅前的氮氧化合物质量浓度分布在联箱内氨-空气混合气流动的方向，则远端喷氨支管内的氨质量浓度过低，即使喷氨支管的手动阀门全开，该区域的氮氧化合物去除量也会受到限制。为了保证出口氮氧化合物质量浓度达标，只能加大喷氨量。从节约氨耗和实现氨质量浓度均匀分布的角度出发，安装氨-空气混合器是必要的。氨和空气经过氨-空气混合器后进入集管，再通过多组并联的喷氨格栅支管进入SCR反应器。
联箱直径对喷氨支管流量的影响
在整个喷氨系统中应考虑局部阻力系数和管道阻力系数的影响，其中前者的影响大于后者。通常喷氨格栅外各支管的尺寸和布置是相同的，所以各支管的阻力系数接近。氨和空气的混合气体从联箱进入各支管，属于大流场到小流场的突变，局部阻力系数与支管截面积与联箱截面积之比成正比。
以300MW机组为例，建立了从集箱到喷嘴的CFD模型。每根联箱引出10根注氨支管，每根支管中间设有1个流量监测面。当模型的网格数分别为110000、14000和17000时，计算结果一致，验证了网格独立性。通过模拟计算得出三种不同直径的联箱对喷氨格栅支管流速的影响，结果如图3所示。其中，联箱A的直径为406mm，联箱B的直径为273mm，联箱C的直径为219 mm..
图3集管尺寸对喷氨格栅支管流量的影响
从图3可以看出，联箱直径越大，氨-空气混合系统的总压差越小，各支管出口的速度和压力分布越均匀，喷氨格栅适应不同负荷和不同氮氧化合物分布的能力越强。如果集管直径过小，近端支管的氨流量将会很低。如果该支管对应的烟道中该区域的氮氧化合物质量浓度过高，而其他喷氨支管的蝶阀开度减小后，无法满足氨流量，则只能增加总喷氨量。但联箱直径不能太大，否则经济性会降低，需要根据现场实际布置空间选择合适的联箱直径。
4流场分区混合对氨消耗的影响
超低排放标准实施后，很多燃煤机组都出现了氨逃逸超标、空气预热器堵塞、粉尘袋糊等现象。原因是SCR脱硝系统入口处氮氧化合物分布偏差过大，脱硝系统流场设计均匀性差，喷氨系统不具备适应多负荷变工况的能力。常规SCR脱硝系统每年至少需要手动喷氨调整1次，但只能适用于1工况。当工况变化时，各支管的喷氨量无法与入口处的实际氮氧化合物质量浓度相匹配，导致喷氨过量或不足。对此，可以采用流场分区混合技术，通过控制喷氨量来优化混合过程，使氨逃逸量最小化，提高SCR脱硝系统的脱硝效率。
4.1分区混合技术原理
首先，在入口烟道中安装大型混合器，以减小入口处氮氧化合物质量浓度的分布偏差；然后根据烟道的大小和截面，将喷氨格栅及其后续烟道分为2~4个区域，每个区域安装一个区域混合器，对烟气进行强烈混合。相邻分区内混合器的旋转方向设置为相反方向，可以实现分区内烟气的独立旋转，而不会造成分区间烟气的串扰。烟气在区域混合器作用下的旋转流线如图4所示。从图4可以看出，在进入脱硝催化剂之前，虽然烟气分区之间氮氧化合物质量浓度存在偏差，但是氮氧化合物质量浓度在各分区的分布是均匀的。
图4区域混合器作用下烟气旋转流线示意图
此外，应在催化剂后的每个烟气区出口安装连续排放检测系统(CEMS)，并根据每个区出口的氮氧化合物质量浓度调整每个区的喷氨量，以实现每个区的氨氮摩尔比均匀并接近理论值，在高效去除氮氧化合物的同时使用最少的氨量。
4.2分区混合技术应用案例
以300MW机组超低排放改造为例。改造后，该机组SCR脱硝系统存在催化剂磨损严重、烟气流速分布不均匀、氨耗量大、空气预热器堵塞等问题。自下而上的测试表明，满载时SCR脱硝系统入口处氮氧化合物的平均质量浓度为405mg/m3，最大偏差为140mg/m3。
为了比较分区混合优化前后氮氧化合物质量浓度的分布，引入了考核指标S，即第一层催化剂入口处氮氧化合物浓度(体积分数或质量浓度，下同)与氨浓度之差。该值定义为SCR脱硝系统理论出口氮氧化合物排放质量浓度，可以直接反映氮氧化合物脱除的完善程度和还原剂是否过量。为了达到深度减排的标准，要求出口处氮氧化合物的质量浓度不超过30mg/m3。如果S换算值(氮氧化合物排放质量浓度)远大于30mg/m3，说明氨量不足，氮氧化合物去除不理想；如果s小于0，则表明氨喷射过量。
图5为原结构满载条件下第一层催化剂前段S分布云图，表1为该段S换算值。从图5和表1可以看出，当S转化平均值为30mg/m3时，S反硝化最大值为113.3mg/m3，最小值为--120.0mg/m3/m3。此时模拟的氨-空气混合气体流量为0.79kg/s(氨体积分数为5%，下同)。
图5原结构满载时第一层催化剂入口S分布云图
表1原结构满负荷时第一层催化剂入口换算值
300MW机组脱硝系统进行CFD数值模拟和区域混合优化设计，模型范围从省煤器出口到空气预热器入口之间的烟道。除喷氨网格和混合器外，其他区域采用结构化网格，关键部位加密。该模型的网格数为709万。表2显示了分区优化后满负荷下第一层催化剂入口S的换算值。这种情况下的S分布云图如图6所示。结果表明，当S转化率平均值为30mg/m3时，S反硝化作用的最大值为41.7mg/m3，最小值为–0.3mg/m3。可以看出，分区混合优化后氮氧化合物的分布均匀性比原结构更加明显，氨-空气混合物的流量降低到0.56kg/s，分区混合优化后理论上可以节省32.9%的液氨消耗。
5转化效应
1)本文从安装氨空混合器、优化母管尺寸、分区混合优化等氨空混合技术入手。通过提高喷氨的均匀性，有效避免了局部氮氧化合物脱除效率过低和氨逃逸量增加的情况，从而降低了机组的氨耗。300MW机组分区优化改造后，氨耗较改造前明显降低，平均单位氨耗由66.75kg/h降至465438±0.5kg/h，可节约37.8%。每年单台可节约液氨209t，节约液氨采购成本68.97万元。
2)安装氨-空气混合器，并保证一定的混合距离，保证氨和稀释空气的均匀混合，避免氨组分混合不均匀造成的还原剂过量喷射。
3)优化联箱主管尺寸，可以在兼顾经济性的同时，提高各喷氨支管流量的均匀性，避免因氨空混合气流量不均匀而造成的还原剂过量喷射。
4)氮氧化合物采用分区混合优化技术，氨氮摩尔比在各分区均匀分布，接近理论值，保证在高效去除氮氧化合物的同时，氨的用量最低，避免因入口处氮氧化合物分布偏差过大而造成还原剂过量喷射。
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