［摘要］ 部分小型燃煤锅炉尾部竖井烟道采用多级省煤器及多级管式空预器布置，导致SCR脱硝装置烟道无法按常规方式引出。本文提供了一种从锅炉尾部竖井两侧接出，烟气汇合后侧进侧回的SCR脱硝装置烟道布置方式。该布置方式应用于某化肥厂3台240t/h燃煤锅炉，项目对该布置方式流场进行了优化设计，其脱硝效率达到了84%以上，氨逃逸不大于2.5 mg/Nm3，运行效果良好。对国内同类型锅炉SCR脱硝装置的实施具有一定的借鉴意义。
［关键词］ SCR、脱硝装置、流场模拟、引出烟道
SCR脱硝技术因其稳定、脱除效率高等特点为燃煤锅炉的主要脱硝技术［1］，国内大部分电站锅炉都加装了SCR脱硝装置。对于某些中小型锅炉，锅炉尾部受热面采用多级省煤器、多级空预器交叉布置方式，SCR脱硝装置烟气引出位置通常在高温空预器出口的高灰段进行布置，由于空预器通常采用双通道布置，而且建设初期未考虑SCR脱硝装置引出烟道预留空间，SCR脱硝装置无法按常规方式布置。若引出烟道尺寸偏小，结构怪异，转向变径突兀，导致脱硝烟道流速过高（超过15m/s）、烟道磨损严重、烟气偏流、流场不均，造成SCR脱硝装置运行不稳定，脱硝效率不达标、氨逃逸超标等问题。
本文针对该类型锅炉提出一种双通道侧进侧回的布置方式。原烟气分别从锅炉尾部竖井两侧引出，汇合后经SCR反应器脱除氮氧化物后仍分为两路从锅炉尾部竖井两侧返回锅炉下级换热器。并通过流场模拟［2］对某工程进行了具体分析。
1 SCR布置方案的选择
与采用回转式空预器燃煤锅炉的SCR装置布置方式不同，采用多级管式空预器SCR脱硝装置引出烟道需从两侧引出。贾林权等［3］提出了一种由锅炉竖井两侧单侧接出，单侧返回的布置方式，利用隔板将引接口的空间隔离成上、下两个部分，隔板呈大斜角布置，利于烟气转向。该布置方案如图1所示。该布置方式
［关键词］ SCR、脱硝装置、流场模拟、引出烟道
SCR脱硝技术因其稳定、脱除效率高等特点为燃煤锅炉的主要脱硝技术［1］，国内大部分电站锅炉都加装了SCR脱硝装置。对于某些中小型锅炉，锅炉尾部受热面采用多级省煤器、多级空预器交叉布置方式，SCR脱硝装置烟气引出位置通常在高温空预器出口的高灰段进行布置，由于空预器通常采用双通道布置，而且建设初期未考虑SCR脱硝装置引出烟道预留空间，SCR脱硝装置无法按常规方式布置。若引出烟道尺寸偏小，结构怪异，转向变径突兀，导致脱硝烟道流速过高（超过15m/s）、烟道磨损严重、烟气偏流、流场不均，造成SCR脱硝装置运行不稳定，脱硝效率不达标、氨逃逸超标等问题。
本文针对该类型锅炉提出一种双通道侧进侧回的布置方式。原烟气分别从锅炉尾部竖井两侧引出，汇合后经SCR反应器脱除氮氧化物后仍分为两路从锅炉尾部竖井两侧返回锅炉下级换热器。并通过流场模拟［2］对某工程进行了具体分析。
1 SCR布置方案的选择
与采用回转式空预器燃煤锅炉的SCR装置布置方式不同，采用多级管式空预器SCR脱硝装置引出烟道需从两侧引出。贾林权等［3］提出了一种由锅炉竖井两侧单侧接出，单侧返回的布置方式，利用隔板将引接口的空间隔离成上、下两个部分，隔板呈大斜角布置，利于烟气转向。该布置方案如图1所示。该布置方式
需在隔板上下布置较多烟气导流板，使经脱硝后的烟气返回时均匀通过下一级换热器管束或管箱，否则因烟气偏流导致下一级换热器换热不均，甚至磨损换热器管束，造成管束泄漏。
当采用双通道侧进侧回的布置方式时，烟气从竖井两侧分别引出，经汇合后合并为一路烟道，然后烟气经三通进入SCR装置入口垂直上升烟道，在垂直烟道内经喷氨格栅与氨气均匀混合后进入SCR反应器，烟气经整流后垂直通过催化剂床层，氮氧化物与氨在催化剂的作用下发生还原反应生成氮气和水，将氮氧化物进行脱除。脱硝后的净烟气仍分为两路返回锅炉尾部竖井。具体布置方案见图2。该布置方案将烟气从两侧分别引出，大大减少了烟气引出空间，可避免对锅炉尾部受热面移位改造。同时，返回锅炉尾部竖井的烟气由两侧对冲返回，避免了因烟气偏流导致换热器管束换热不均或磨损。
图1 单侧接出，单侧返回烟道接口布置方式
Fig. 1 Unilateral-out, unilateral-return Flue duct layout
图2 两侧接出，两侧返回烟道接口布置方式
Fig. 2 Bilateral-out, bilateral-return Flue duct layout
2 工程实施案例
本文以某化肥厂3台240t/h自备燃煤锅炉SCR脱硝装置为例。脱硝系统设计按100%锅炉负荷设计， SCR装置入口烟气中NOx含量设计值为550mg/Nm3，SCR脱硝装置安装两层催化剂情况下，烟气脱硝效率不小于84%，NOx排放浓度不高于90mg/Nm3。氨逃逸不高于2.5 mg/Nm3，SO2/SO3转化率小于1。主要设计参数见表1。
表1 SCR脱硝系统主要设计参数
Table 1 Design parameters for the SCR denitration system
| 项目 | 单位 | 数值 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 锅炉负荷 | t/h | 240 | |
| 烟气体积流量 | Nm3/h（干基，6%O2） | 267242 | |
| 烟气温度 | ℃ | 367 | 抽烟点 |
| 入口NOX浓度 | mg/Nm3（干基，6%O2） | 550 | |
| NOX排放浓度 | mg/Nm3（干基，6%O2） | ≤90 | |
| 脱硝效率 | % | ≥84 | |
| SO2/SO3转化率 | % | ≤1 | |
| 氨逃逸 | mg/Nm3（干基，6%O2） | ≤2.5 | |
| 催化剂化学使用寿命 | h | 24000 |
该化肥厂自备锅炉240t/h锅炉为武汉锅炉厂制造，锅炉尾部受热面设置两级省煤器和三级空预器，省煤器与空预器交叉设置，烟气在锅炉尾部竖井内依次通过高温省煤器、高温空预器、低温省煤器、中温空预器和低温空预器。空预器采用双级立管管式预热器，热风管道处于前后空预器烟道中间，烟道分为前后两侧。高温空预器出口烟温为320～367℃，为SCR脱硝反应最佳温度范围，所以加装SCR脱硝装置烟气接口位于高温空预器后、低温省煤器前。
为加装SCR脱硝装置，需对原高温空预器与低温省煤器间竖井烟道进行改造。脱硝系统入口烟气需从高温空预器和低温省煤器间的烟道左右两侧接口分为前后引出，经过SCR 脱硝反应器反应后，净烟气返回高温空预器和低温省煤器间的烟道左右两侧。则锅炉尾部竖井进出口烟道均为4个接口。具体SCR布置见图3所示。
图3 某240t/h锅炉SCR脱硝系统平面布置图
Fig. 3 The layout of a 240t/h SCR denitration system
3 流场模拟优化分析
本文对该化肥厂锅炉SCR 脱硝装置烟道及反应器进行CFD 数值模拟，优化脱硝系统整体布置及导流板设置。考虑到抽烟点从锅炉尾部竖井两侧均匀引出，锅炉厂对脱硝烟道接口处流场已进行优化处理，故本文流场模拟范围包括从高温空预器转向烟道出口至低温省煤器转向烟道进口。对锅炉100%BMCR、50%BMCR 工况下流场进行数值模拟，其边界条件见表2。
表2 流场模拟输入边界条件
Table 2 Boundary conditions for the CFD simulation
| 项目 | 单位 | 100%工况 | 50%工况 |
|---|---|---|---|
| 烟气体积流量 | Nm3/h（干基，6%O2） | 267242 | 142657 |
| 烟气温度 | ℃ | 367 | 323 |
| 烟气压力 | Pa | -925 | -925 |
| 催化剂输入压降 | Pa | 200 | 200 |
| 催化剂层数 | 2 | 2 | |
| 氨/空气混合流量 | m3/h | 1700 | 950 |
| 烟气各组分 | |||
| H2O | vol% | 7.56 | 7.56 |
| O2 | vol% | 4.79 | 4.79 |
| N2 | vol% | 74.45 | 74.45 |
| CO2 | vol% | 13.10 | 13.10 |
| SO2 | vol% | 0.09 | 0.09 |
| 飞灰 | g/ Nm3 | 38 | 38 |
经流场优化，SCR脱硝装置进出口烟道转向烟道、变径、三通均设置导流板，SCR反应器入口设置均流装置。具体流场优化布置见附图4。
图4 流场模拟优化布置图
Fig.4 The plants of CFD simulation
图5为SCR脱硝装置在100%BMCR工况下，各考察截面烟气速度分布图。从图中可以看出，烟气在烟道接口及汇合处流速偏差较大，经多组导流板对流场进行调整后，自喷氨格栅前到各层催化剂截面流速已调整均匀。
图5 100%BMCR工况各截面烟气速度分布
Fig.5 The flue gas velocity distribution under 100%BMCR load condition
图6为100%BMCR工况下喷氨格栅截面烟气速度分布图。从图上可以看出，喷氨格栅前烟气流速分布均匀，有利于氨气在烟气中的均匀混合，
图6 100%BMCR工况喷氨格栅截面烟气速度分布
Fig.6 The flue gas velocity distribution of AIG under 100%BMCR load condition
第一层催化剂入口截面速度分布及入射角为流场模拟考察的重要指标，图7为100%BMCR工况下第一层催化剂入口截面速度分布图。入口截面平均流速3.85m/s，相对标准偏差4.18%，小于5%，满足催化剂厂家指标要求。入射角角度为+/-7.8°，满足烟气流线与催化剂垂直夹角小于10°要求，入射角速率分布图见图8所示。
图7 100%BMCR工况第一层催化剂入口截面烟气速度分布
Fig.7 The flue gas velocity distribution of the first catalyst layer under 100%BMCR load condition
图8 100%BMCR工况第一层催化剂入口入射角分布
Fig.8 The flue gas incident angle to catalyst of the first catalyst layer under 100%BMCR load condition
图9、图10%为100%BMCR工况下催化剂第一层截面NH3浓度分布图，经流场优化调整，催化剂第一层截面NH3浓度相对标准偏差为3.94%，相对标准偏差小于5%的技术要求。
图9 100%BMCR工况NH3浓度流线分布
Fig.9 The NH3 mole fraction pathlines under 100%BMCR load condition
图10 100%BMCR工况第一层催化剂入口NH3 浓度分布
Fig.9 The NH3 mole fraction distribution of the first catalyst under 100%BMCR load condition
从上述流场模拟结论可见，该锅炉SCR脱硝装置经过流场分析及优化，在烟道内设置多项导流措施，可将第一层催化剂入口烟气流速分布相对标准偏差控制在5%以内，第一层催化剂入口烟气流线垂直入射角偏差控制在10°以内，将氨气浓度分布相对标准偏差控制在5%以内。满足SCR装置催化剂设计要求。SCR装置（初装2层）整体压降控制在800Pa以内，满足设计要求。
4 SCR装置实际运行情况
该厂3台240t/h锅炉同期建设SCR脱硝装置，均已通过试运行及性能考核试验。目前运行情况良好。还原剂采用液氨，催化剂采用奥地利Ceram公司的蜂窝式催化剂。运行后NOx排放浓度不高于90mg/Nm3。氨逃逸不高于2.5 mg/Nm3，SO2/SO3转化率小于1。表3为性能试验测试各运行参数。
表4 SCR脱硝系统运行参数
Table 4 The operating parameter of the SCR denitrification system
| 锅炉负荷（t/h） | 入口NOX浓度（mg/Nm3） | 出口NOX浓度（mg/Nm3） | 氨逃逸（mg/Nm3） | 脱硝效率（%） | SCR压降（Pa） |
|---|---|---|---|---|---|
| 197 | 476 | 77 | 1.86 | 83.8 | 734 |
| 186 | 437 | 69 | 1.74 | 84.2 | 607 |
| 213 | 512 | 86 | 2.12 | 83.2 | 783 |
| 178 | 389 | 82 | 1.91 | 78.9 | 542 |
| 154 | 403 | 96 | 2.24 | 76.2 | 568 |
5 结论
（1）对于某些中小型锅炉，锅炉尾部受热面采用多级省煤器、多级空预器交叉布置方式，本文提供了一种双通道侧进侧回的SCR装置烟道布置方式。该布置方案将烟气从两侧分别引出，大大减少了烟气引出空间，可避免对锅炉尾部受热面移位改造。同时，返回锅炉尾部竖井的烟气由两侧对冲返回，避免了因烟气偏流导致换热器管束换热不均或磨损。
（2）以某化肥厂240t/h燃煤锅炉为例，通过对加装SCR装置流场分析及优化，使第一层催化剂入口烟气流速分布相对标准偏差控制在5%以内，第一层催化剂入口烟气流线垂直入射角偏差控制在10°以内，氨气浓度分布相对标准偏差控制在5%以内。SCR装置（初装2层）整体压降控制在800Pa以内。
（3）以某化肥厂240t/h燃煤锅炉为例，该厂3台240t/h锅炉SCR装置运行状况良好，各性能指标均已到达设计要求。可为国内同类型锅炉SCR脱硝装置的实施提供参考。
［参考文献］
［1］夏怀祥，段传和.选择性催化剂还原法（SCR）烟气脱硝［M］.北京:中国电力出版社,2012.
［2］俞逾，杨晨，范莉等.电厂SCR烟气脱硝系统流场的数值模拟［J］.计算机仿真,2017,24(12):222-225.
［3］贾林权，韩志杰，任瑞等.SCR脱硝系统新型侧进侧出连接烟道布置及优化［J］.热力发电,2017,46(4):105-109.
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