CN103076151B

CN103076151B - 一种scr法烟气脱硝流场冷态测试系统及方法

Info

Publication number: CN103076151B
Application number: CN201310019599.9A
Authority: CN
Inventors: 王志强; 于洲; 马春元
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103076151A

Abstract

本发明涉及一种SCR法烟气脱硝流场冷态测试系统及方法，PDA系统对速度和浓度的测点均设在导流板和整流板之间，在导流板与出口段间设有压力测试点测量系统导流板到出口之间的压力损失，系统出口处有在线烟气分析仪连接点，示踪颗粒/气体在省煤器出口及氨喷射段设有其加入口，观察积灰并通过出口烟气分析仪分析出口气体分布，评估脱硝装置在锅炉实际煤种BMCR、THA、75%THA、35%BMCR和校核煤种1THA、50%THA负荷下的运行状况。对SCR法脱硝工程烟气系统和气体的注入装置的优化设计起到有效的指导作用，从而有效保证脱硝项目设计的各项性能指标，节约建设成本。

Description

一种SCR法烟气脱硝流场冷态测试系统及方法

技术领域

本发明涉及SCR法烟气脱硝工程，特别是一种SCR法烟气脱硝流场冷态测试系统及方法，流场模型试验研究作为SCR法烟气脱硝工程设计的核心部分，直接影响到脱硝工程设计和运行的优劣。

背景技术

近年来随着我国经济的发展，对电的需求大幅度地增加，极大地增加了煤的消耗。大量煤在燃烧过程中释放出的SO₂、NO_X等污染物带来严重的酸雨和其他环境污染问题。与SO₂相比，NO_X不但对酸雨的行程影响很大，而且还是光化学烟雾行程的催化剂，其对大气的污染要远大于SO₂行程的污染。

对于烟气脱硝技术，目前常用的有SCR法、SNCR法和SCR+SNCR法。SCR法脱硫技术与1972年在日本开始正式研究和开发，并于1978年实现了工业化。1979年工业规模的烟气脱硫装置在日本Kudamatsu发电厂率先投入运行，1983年在日本竹原电厂3号机组700MW全负荷应用成功，NO_X脱除率达到80%。继日本之后，德国于1980年代中期引进了SCR法脱硝技术。在1990年空气净化修正案的推动下，美国联邦政府、学术界和工业界也针对SCR法技术的研究、开发和推广增加资金投入和研究力度，1993年美国第一套燃煤系统SCR法脱硝装置在新泽西州的285MW热电厂建成投产，装置运转稳定。我国SCR法烟气脱硝工程是从2005年正式开始启动建设，已取得长足的发展。

在脱硝装置进行装备之前，需要进行必要的冷态物理模型试验，该实验的目的是通过在冷态一定比例的物理模型中对脱硝装置烟道系统内流体的流场进行模拟和模化试验，对系统内包括流体调节装置及导流板、氨喷射系统、飞灰整流器等部件进行优化设计，以保证取得均匀的烟气流动分布，良好的混合并维持脱硝系统低的压降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SCR法烟气脱硝流场冷态测试系统及方法，对SCR法烟气脱硝方法进行冷态数值模拟，在设计新反应器或新反应器投入运行时，可通过模化试验或冷态试验来了解，掌握其流动规律，验证和修改设计及运行方案；对已有运行不正常的设备，可通过模化或冷态试验找出其改正的措施。因此该发明是省时省力、效率高、灵活性强的一种试验方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种SCR法烟气脱硝流场冷态测试系统，包括与省煤器出口相连的转向室，转向室与弯管状的入口段Ⅰ连接，入口段Ⅰ通过竖直管状的氨喷射段与入口段Ⅱ相连，入口段Ⅱ连接SCR反应器的上端，SCR反应器的下端依次连接出口段Ⅰ和出口段Ⅱ，出口段Ⅱ与空气预热器相连，SCR反应器由上而下包括导流段、整流层、催化剂反应室，导流段设导流板，整流层设整流板，整流层的整流板形成的整理格栅下游布置飘带，PDA系统对速度和浓度的测点均设在导流板和整流板之间，在导流板与出口段间设有压力测试点测量系统导流板到出口之间的压力损失，系统出口处有在线烟气分析仪连接点，示踪颗粒/气体在省煤器出口及氨喷射段设有其加入口，观察积灰并通过出口烟气分析仪分析出口气体分布。

所述的整流层设静态混合器，催化剂反应室包括一层预留催化剂层、二层初始催化剂层。

所述的氨喷射段内设有喷氨格栅。

所述的转向室、入口段Ⅰ、氨喷射段、入口段Ⅱ、导流段、整流层、催化剂反应室、出口端Ⅰ和出口段Ⅱ均采用不锈钢结合有机玻璃制作，它们之间采用法兰连接，法兰之间将加装密封垫圈，法兰和烟道之间采用环氧树脂粘结；烟道风机和烟道部分之间加装缓冲段；支架将采用碳钢。

所述的PDA系统对流场气体速度进行测量，该系统采用的激光光源为氩离子激光器，最大输出功率为5W，输出功率持续可调。

所述的压差测量系统压力降在导流板与出口间之间测量。压力测量在模型试验最大流量条件下进行。

所述的在线烟气分析仪器，快速获得装置内气体成分的分布情况，从而获得脱硝过程中氨气的分布规律。

所述的飘带试验，是确定在第一层催化剂前的烟气流动方向满足催化剂入口速度分布的设计要求。

一种SCR法烟气脱硝流场冷态测试方法，包括步骤如下：

（1）通过CFD即计算流体动力学，数值模拟计算工况评估脱硝装置在锅炉实际煤种锅炉最大连续蒸发量BMCR、额定出力工况THA、75%THA、35%BMCR和校核煤种100%THA、50%THA负荷下的运行状况，分别注入根据各工况计算的当量示踪颗粒/气体；

（2）通过PDA系统对速度分布进行测量，得速度分布变化系数，以RMS均方根误差来定义，速度分布变化系数的RMS不超过15%；

（3）在系统入口借助标准DIN/ISO孔或文丘里管测量流量，除低负荷下的灰沉降试验要求流速较低外(灰分输运的相似性要求灰分沉降试验的流速较低)，其余试验中的模型内流速均要求雷诺数达到10⁵数量级；

（4）在各弯头、内部的导流段，整流段入口，第一层催化剂层入口（静压），最后一层催化剂层出口，空气预热器入口的位置借助Testo520差压仪、毕托管进行压力和压差测量，在BMCR（锅炉最大连续蒸发量）工况、安装有催化剂层的条件下，测量省煤器出口与空气预热器之间的烟气总压降，脱硝总压降不超过800pa；

（5）对系统出口处的氨氮浓度分布采用在线烟气分析仪进行测量，得氨/氮摩尔比分布变化系数，以RMS均方根误差来定义，氨/氮摩尔比分布变化系数RMS不超过5%，

（6）热电偶测量催化剂反应室入口温度T，入口测点温度全部在入口所有测点平均温度的±10℃范围内；

（7）通过积灰试验，验证省煤器出口部分的烟道和导流板设计，模型烟道内不出现肉眼可视的积灰现象；

（8）验证烟气均流装置的设计，速度分布变化系数，以RMS均方根误差来定义，不超过15%，烟气入射催化剂角度（与垂直方向的夹角）≤10°，保证各个工况下反应器入口烟气气流流动方向偏差；

（9）验证空气预热器入口部分烟道和导流板的设计，使空气预热器入口烟气速度分布在平均流速的±15%以内，即入口通过PDA所得的所有速度测点数值在所有测点平均值的±15%以内，保证进入空气预热器的气流均匀；

压降高于设置要求时，整体调整系统的导流、整流段（如尺寸、比例）；氨氮比不在设计范围内时，调整入口处的导流板（如尺寸、弧度）使得混合更均匀；系统内出现积灰时，可在前置灰斗与水平烟道相接处布置挡灰板，在上升烟道与水平烟道处设置锁气给粉器或吹灰管。

改进后重复上述步骤直到符合条件。

所述的均方根误差亦称标准误差，其定义为：i=1，2，3，…n，在有限测量次数中，均方根误差常用下式表示：式中:n为测量次数；di为一组测量值与真值的偏差。

系统采用不锈钢结合有机玻璃制作，在测量区域将采用有机玻璃以增加测量窗口的透明度，提高PDA等相关测量的准确度。测试环节主要使用示踪颗粒/气体注入装置、飘带、烟花的手段借助Testo520差压仪、毕托管以及激光相位多普勒测速（PDA）、在线气体分析仪器等测量设备完成。在省煤器出口，AIG上游，每个弯头和内部导流设备，反应器入口，第一层催化剂入口（静压），最后一层催化剂出口，空气预热器入口等位置进行压力和压差测量；在模型的入口处测量流量；在AIG上游截面，催化剂层入口上方的0.5m处（实际尺寸），空气预热器入口等截面上进行流速分布的测量。主要试验内容：评估脱硝装置在锅炉实际煤种BMCR、THA、75%THA、35%BMCR和校核煤种1THA、50%THA负荷下的运行状况；验证省煤器出口部分的烟道和导流板设计；通过积灰试验避免烟道局部出现积灰现象；验证烟气均流装置的设计，保证各个工况下反应器入口烟气气流流动方向偏差；验证空气预热器入口部分烟道和导流板的设计，保证进入空气预热器的气流均匀。

SCR脱硝装置采用高尘布置方式，布置在省煤器出口与空气预热器入口之间，反应器为垂直方向流动反应器。每台锅炉布置两个反应器，每个反应器包括三层催化剂（初装两层、预留一层），来自制氨系统的氨气，经氨空混合器后为SCR系统提供稳定的氨气源。氨气以5%体积浓度经过流量控制阀后进入阀门站组（MVS），经氨喷射格栅（AIG）喷射到烟道内。

省煤器出口的烟气通过SCR进口烟道，与氨喷射格栅（AIG）注入的氨气充分混合后进入反应器。在催化剂的作用下，氨气与烟气中的氮氧化物进行还原反应，最后烟气通过SCR反应器出口烟道到达空气预热器。

SCR烟道、反应器、AIG的具体尺寸等详细布置根据具体情况进行相应的设计。

流场模型试验作为SCR法烟气脱硝工程设计的核心部分，直接影响到脱硝工程设计和运行的优劣。本研究结合数值模拟和冷态系统模型，可使我们对于流场中烟气分布和积灰等情况有更清楚的了解，对SCR法脱硝工程烟气系统和气体的注入装置的优化设计起到有效的指导作用，从而有效保证脱硝项目设计的各项性能指标，节约建设成本。

附图说明

图1烟气脱硝流场冷态测试系统工艺流程图；

图2烟气脱硝流场冷态测试系统设备结构图；

其中，1加灰装置，2示踪颗粒/气体，3空压机（吹灰），4转向室，5喷氨系统，6导流板，7飘带，8整流板，9催化剂层，10流量调节装置，11引风机，12PDA系统，13计算机，14省煤器出口，15入口段Ⅰ，16入口段Ⅱ，17氨喷射段，18导流段，19整流层，20催化剂反应室，21出口段Ⅰ，22出口段Ⅱ，23空气预热器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和实施例进一步说明。

一种SCR法烟气脱硝流场冷态测试系统，包括与省煤器出口14相连的转向室4，转向室4与弯管状的入口段Ⅰ15连接，入口段Ⅰ15通过竖直管状的氨喷射段17与入口段Ⅱ16相连，入口段Ⅱ16连接SCR反应器的上端，SCR反应器的下端依次连接出口段Ⅰ21和出口段Ⅱ22，出口段Ⅱ22与空气预热器23相连，SCR反应器由上而下包括导流段18、整流层19、催化剂反应室20，导流段18设导流板6，整流层19设整流板8，整流层19的整流板8形成的整理格栅下游布置飘带7，PDA系统12对速度和浓度的测点均设在导流板6和整流板8之间，在导流板6与出口段间设有压力测试点测量系统导流板到出口之间的压力损失，系统出口处有在线烟气分析仪连接点，示踪颗粒/气体2在省煤器出口14及氨喷射段17加入系统，观察积灰并通过出口烟气分析仪分析出口气体分布。

整流层19设静态混合器，催化剂反应室20包括一层预留催化剂层、二层初始催化剂层。氨喷射段17内设有喷氨格栅。

转向室4、入口段Ⅰ15、氨喷射段17、入口段Ⅱ16、导流段18、整流层19、催化剂反应室20、出口端Ⅰ21和出口段Ⅱ22均采用不锈钢结合有机玻璃制作，它们之间采用法兰连接，法兰之间将加装密封垫圈，法兰和烟道之间采用环氧树脂粘结；烟道风机和烟道部分之间加装缓冲段；支架将采用碳钢。

实施例1

一种SCR法烟气脱硝流场模型试验研究的方法的实例。承担2x325MW机组脱硝工程，前期进行流场冷态测试，用于试验的物理模型的比例为1:10，采用有机玻璃或碳钢结合有机玻璃制作。合理设置观察孔，观察孔与模型装置的密封采用树脂玻璃或相当的材料。

物理模型试验的边界条件和目标应与CFD模拟相同。考虑由于SCR系统属于高灰布置，在物理模型试验中必须包括飞灰测试，以确定系统中飞灰沉积区域，并对系统进行优化设计，消除飞灰沉积，并确定由于二次飞灰携带造成的灰负荷的增加量。烟道内模拟部件至少包括：导流板、喷射格栅、整流器、至少2层催化剂床层。模型试验的模拟工况：设计负荷35％~100%BMCR工况，模型试验至少应该做BMCR、BRL、75％THA、50％THA、35％BMCR五种工况。

进行如下实验：飞灰测试试验，以确定系统中飞灰沉积区域，对系统进行优化设计，调整导流板角度，已达到无肉眼可视飞灰沉积；飘带试验，以确定在第一层催化剂前和氨喷射格栅前的烟气流动方向满足设计要求，即流动与垂直方向之间的夹角应小于10°；气体示踪实验，以模拟实际烟气流动状态，对系统出口处的氨氮浓度分布采用在线烟气分析仪进行测量，得氨/氮摩尔比分布变化系数，以RMS均方根误差来定义，氨/氮摩尔比分布变化系数RMS不超过5%；通过PDA系统对速度分布进行测量，得速度分布变化系数，以RMS均方根误差来定义，验证空气预热器入口部分烟道和导流板的设计，使空气预热器入口烟气速度分布在平均流速的±15%以内；在各弯头、内部的导流段，整流段入口，第一层催化剂层入口（静压），最后一层催化剂层出口，空气预热器入口的位置借助Testo520差压仪、毕托管进行压力和压差测量，在BMCR（锅炉最大连续蒸发量）工况、安装有催化剂层的条件下，测量省煤器出口与空气预热器之间的烟气总压降，脱硝总压降不超过800pa。

此外在系统入口借助标准DIN/ISO孔或文丘里管测量流量，除低负荷下的灰沉降试验要求流速较低外(灰分输运的相似性要求灰分沉降试验的流速较低)，其余试验中的模型内流速均要求雷诺数达到10⁵数量级；热电偶测量催化剂反应室入口温度T，入口测点温度全部在入口所有测点平均温度的±10℃范围内；通过CFD（Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学，数值模拟计算工况评估脱硝装置在锅炉实际煤种BMCR（锅炉最大连续蒸发量）、THA（额定出力工况）、75%THA、35%BMCR和校核煤种100%THA、50%THA负荷下的运行状况。如不能满足相应测量参数，则需适当的调整相应的系统模型尺寸，如整流板及催化剂层等；各部件之间的比例，如转向室、入口段、氨喷射段、导流段、整流层、催化剂反应室、出口段等；系统各个转角弧度，如导流板的弧度；反复校对，使之达到所需的技术参数，以保证按照该理想模型设计的实际工程系统，能够达到最好的脱硝效果。

Claims

1.一种利用SCR法烟气脱硝流场冷态测试系统进行SCR法烟气脱硝流场冷态测试的方法，其特征是，SCR法烟气脱硝流场冷态测试系统包括与省煤器出口相连的转向室，转向室与弯管状的入口段Ⅰ连接，入口段Ⅰ通过竖直管状的氨喷射段与入口段Ⅱ相连，入口段Ⅱ连接SCR反应器的上端，SCR反应器的下端依次连接出口段Ⅰ和出口段Ⅱ，出口段Ⅱ与空气预热器相连，SCR反应器由上而下包括导流段、整流层、催化剂反应室，导流段设导流板，整流层设整流板，整流层的整流板形成的整理格栅下游布置飘带，PDA系统对速度和浓度的测点均设在导流板和整流板之间，在导流板与出口段间设有压力测试点测量系统导流板到出口之间的压力损失，系统出口处有在线烟气分析仪连接点，示踪颗粒/气体在省煤器出口及氨喷射段设有其加入口，观察积灰并通过出口烟气分析仪分析出口气体分布；测试包括步骤如下：

(1)通过CFD即计算流体动力学，数值模拟计算工况评估脱硝装置在锅炉实际煤种锅炉最大连续蒸发量BMCR、额定出力工况THA、75％THA、35％BMCR和校核煤种100％THA、50％THA负荷下的运行状况，分别注入根据各工况计算的当量示踪颗粒/气体；

(2)通过PDA系统对速度分布进行测量，得速度分布变化系数，以RMS均方根误差来定义，速度分布变化系数的RMS不超过15％；

(3)在系统入口借助标准DIN/ISO孔或文丘里管测量流量，除低负荷下的灰沉降试验要求流速较低外，其余试验中的模型内流速均要求雷诺数达到10⁵数量级；

(4)在各弯头、内部的导流段，整流段入口，第一层催化剂层入口，最后一层催化剂层出口，空气预热器入口的位置借助Testo520差压仪、毕托管进行压力和压差测量，在锅炉最大连续蒸发量工况、安装有催化剂层的条件下，测量省煤器出口与空气预热器之间的烟气总压降，脱硝总压降不超过800pa；

(5)对系统出口处的氨氮浓度分布采用在线烟气分析仪进行测量，得氨/氮摩尔比分布变化系数，以RMS均方根误差来定义，氨/氮摩尔比分布变化系数RMS不超过5％；

(6)热电偶测量催化剂反应室入口温度T，入口测点温度全部在入口所有测点平均温度的±10℃范围内；

(7)通过积灰试验，验证省煤器出口部分的烟道和导流板设计，模型烟道内不出现肉眼可视的积灰现象；

(8)验证烟气均流装置的设计，速度分布变化系数，以RMS均方根误差来定义，不超过15％，烟气入射催化剂角度与垂直方向的夹角≤10°，保证各个工况下反应器入口烟气气流流动方向偏差；

(9)验证空气预热器入口部分烟道和导流板的设计，使空气预热器入口烟气速度分布在平均流速的±15％以内，即入口通过PDA所得的所有速度测点数值在所有测点平均值的±15％以内，保证进入空气预热器的气流均匀；

压降高于设置要求时，整体调整系统的导流整流系统；氨氮比不在设计范围内时，调整入口处的导流板使得混合更均匀；系统内出现积灰时，可在前置灰斗与水平烟道相接处布置挡灰板，在上升烟道与水平烟道处设置锁气给粉器或吹灰管。

2.根据权利要求1所述的SCR法烟气脱硝流场冷态测试的方法，其特征是，所述的整流层设静态混合器，催化剂反应室包括一层预留催化剂层、二层初始催化剂层。

3.根据权利要求1所述的SCR法烟气脱硝流场冷态测试的方法，其特征是，所述的氨喷射段内设有喷氨格栅。

4.根据权利要求1所述的SCR法烟气脱硝流场冷态测试的方法，其特征是，所述的转向室、入口段Ⅰ、氨喷射段、入口段Ⅱ、导流段、整流层、催化剂反应室、出口端Ⅰ和出口段Ⅱ均采用不锈钢结合有机玻璃制作，它们之间采用法兰连接，法兰之间将加装密封垫圈。

5.根据权利要求1所述的SCR法烟气脱硝流场冷态测试的方法，其特征是，所述的均方根误差亦称标准误差，其定义为：i＝1，2，3，…n，在有限测量次数中，均方根误差常用下式表示：式中:n为测量次数；di为一组测量值与真值的偏差。