¿Control del consumo de amoníaco del sistema de desnitrificación SCR basado en tecnología de mezcla de amoníaco y aire?
Por lo tanto, desde la perspectiva de la mezcla de amoníaco y aire, este artículo utiliza la simulación numérica del software de dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar la instalación de un mezclador de amoníaco y aire, la optimización del tamaño del cabezal y el uso de mezcla de zonificación de campo de flujo. Impacto en el consumo de amoníaco del sistema de desnitrificación unitario SCR. Después de utilizar la tecnología anterior para transformar la unidad de 300 MW, el consumo de amoníaco de la unidad se redujo aproximadamente un 37,8%, ahorrando 687.900 yuanes en costos de compra de amoníaco líquido cada año, y el efecto económico fue significativo.
La tecnología SCR de reducción catalítica selectiva se utiliza ampliamente en el tratamiento de desnitrificación de gases de combustión de unidades alimentadas con carbón. El principio es que, bajo la acción de un catalizador, los óxidos de nitrógeno reaccionan con un agente reductor para generar nitrógeno y agua, eliminando así los óxidos de nitrógeno.
La pulverización excesiva de agente reductor aumentará la cantidad de óxidos de nitrógeno y amoníaco que se escapan. Por un lado, aumentará el riesgo para la seguridad del equipo, provocando que se bloquee el precalentador de aire (precalentador de aire). y el polvo en la bolsa de polvo del recolector de polvo que se suspenderá. Por otro lado, aumentará los costos operativos, como el aumento de la corriente de tiro inducido del ventilador y el costo de compra de amoníaco líquido. En la producción real, la calidad del carbón de algunas centrales eléctricas es mala y el contenido de azufre es demasiado alto. El bloqueo del precalentador de aire se ha convertido en un fenómeno común y un problema que debe resolverse con urgencia. Por lo tanto, optimizar el proceso de inyección del reductor y reducir la cantidad de inyección del reductor tanto como sea posible mientras se garantizan los estándares de emisiones tiene una importancia económica y perspectivas de aplicación importantes. Los estudios anteriores sobre la optimización del volumen de inyección de amoníaco comenzaron en su mayoría con el control automático. Este artículo optimiza la cantidad de inyección de amoníaco desde dos aspectos: el sistema de mezcla de inyección de amoníaco y la optimización del campo de flujo.
1 Cálculo del consumo teórico de amoníaco
El consumo teórico de amoníaco se calcula en función de las condiciones límite de diseño del sistema de desnitrificación y también es el objetivo final ideal de la optimización del consumo de amoníaco en este artículo. . Este artículo utiliza amoníaco líquido como agente reductor, que se evapora a estado gaseoso, se rocía en el conducto de aire de dilución a través de la tubería de suministro de amoníaco, se mezcla con el aire de dilución, se envía al cabezal de la tubería principal y luego ingresa al conducto de humos a través del boquilla a través del ramal de pulverización de amoníaco.
Según la ecuación (1), la relación equivalente teórica de óxidos de nitrógeno a NH3 (relación molar de amoníaco a nitrógeno) es 1, por lo que el amoníaco líquido teórico se puede calcular en función del volumen teórico de gases de combustión y la concentración másica de óxidos de nitrógeno en la entrada y salida:
Sin embargo, afectado por factores como la velocidad de reacción y la mezcla de gases de combustión, la proporción molar de nitrógeno amoniacal en la operación real será ligeramente mayor que la. valor teórico 1:
donde r es el valor real del nitrógeno amoniacal. Relación molar, normalmente 1,05.
2. El impacto de la instalación de un mezclador de aire y amoníaco en el consumo de amoníaco.
Por razones de seguridad, se requiere que el amoníaco puro ingrese al tubo de aire de dilución y se diluya a una proporción de volumen menor. del 5%. Además, para garantizar la coherencia del rendimiento del ajuste de la inyección de amoníaco de cada ramal, se espera que la cantidad de amoníaco de cada ramal sea lo más constante posible. Algunas unidades están diseñadas con la línea de amoníaco insertada directamente en la línea de aire de dilución sin un mezclador de amoníaco-aire en la línea de aire de dilución.
De hecho, la mezcla uniforme de amoníaco y aire no se puede lograr únicamente mediante la automezcla y la difusión de componentes del flujo de aire en la tubería, y se requiere equipo de mezcla. Este artículo utiliza métodos de simulación numérica para comparar las características de distribución de los componentes de amoníaco en la tubería de aire de dilución antes y después de instalar un mezclador de amoníaco-aire producido por Xi'an Thermal Power Research Institute Co., Ltd. El rango de cálculo del modelo CFD es la tubería desde 1m aguas arriba del puerto de inyección hasta 9m aguas abajo del mezclador amoniaco-aire.
Para analizar la distribución del amoniaco se habilita una superficie de seguimiento cada 0,5m en la tubería, un total de 18 superficies de seguimiento. El cálculo del modelo CFD utiliza un solucionador basado en la presión, una ecuación k-ε estándar, un acoplamiento presión-velocidad, un algoritmo SIMPLE y condiciones límite de entrada de masa, y selecciona un modelo de transporte de componentes para simular la mezcla de NH3 con otros componentes. El modelo tiene 32.000 mallas y la distorsión máxima es inferior a 0,85. Los resultados del cálculo son consistentes con los resultados del modelo de 65.000 y 92.000 mallas.
La influencia del mezclador de amoníaco-aire y su distancia de mezcla en la distribución de la concentración de masa de amoníaco se muestra en la Figura 1. Se puede ver en la Figura 1 que a medida que aumenta la distancia de mezcla, la uniformidad de la distribución de amoníaco en la tubería aumentará gradualmente cuando se instale un mezclador de amoníaco-aire; mezclador de aire Es tan alto como 58,5% a 9 m del puerto de inyección, mientras que la desviación estándar relativa de la concentración másica de amoníaco en la tubería con un mezclador de amoníaco-aire cae al 4,0% a 5 m del puerto de inyección.
Figura 1 El efecto del mezclador de amoníaco-aire y su distancia de mezcla sobre la distribución de la concentración de masa de amoníaco.
La Figura 2 compara los gráficos de nubes de la distribución de la concentración de masa de amoníaco a 5 m del puerto de inyección con y sin un mezclador de amoníaco-aire.
Figura 2 Diagrama de nubes de distribución de la fracción volumétrica de amoniaco a una distancia de 5m del puerto de inyección.
Como se puede ver en la Figura 2, después de instalar el mezclador, la concentración másica de amoníaco en toda la sección es uniforme, pero la concentración másica de amoníaco en la sección sin el mezclador amoníaco-aire es principalmente concentrado cerca del área del puerto de inyección, lo que significa que la concentración masiva de amoníaco en la rama distal debe ser demasiado baja.
Si la concentración másica de óxidos de nitrógeno delante de la rejilla de pulverización de amoníaco se distribuye en la dirección del flujo de la mezcla de aire y amoníaco en el colector, la concentración másica de amoníaco en el ramal de pulverización de amoníaco remoto también lo será. bajo, incluso si se rocía amoníaco. Cuando la válvula manual del ramal está completamente abierta, la cantidad de eliminación de óxido de nitrógeno en esta área también será limitada. Para garantizar que la concentración másica de óxidos de nitrógeno en la salida alcance el estándar, sólo se puede aumentar la cantidad de pulverización de amoníaco. Desde la perspectiva de ahorrar consumo de amoníaco y lograr una distribución uniforme de la concentración másica de amoníaco, es necesario instalar un mezclador de aire y amoníaco. El amoníaco y el aire ingresan al cabezal después de pasar a través del mezclador de amoníaco-aire y luego ingresan al reactor SCR a través de múltiples conjuntos de ramales paralelos de rejilla de pulverización de amoníaco.
La influencia del diámetro del cabezal en el flujo del ramal de inyección de amoniaco
La influencia del coeficiente de resistencia local y el coeficiente de resistencia de la tubería deben considerarse en todo el sistema de inyección de amoniaco, siendo el primero el que tiene mayor influencia que este último. Por lo general, el tamaño y la disposición de cada ramal fuera de la rejilla de pulverización de amoníaco son los mismos, por lo que los coeficientes de resistencia de cada ramal son cercanos. La mezcla de gas de amoníaco y aire ingresa a cada ramal desde el cabezal, lo que es un cambio repentino de un campo de flujo grande a un campo de flujo pequeño. El coeficiente de resistencia local es proporcional a la relación del área de la sección transversal del. tubo de derivación al área de la sección transversal del cabezal.
Tomando como ejemplo una unidad de 300MW, se estableció un modelo CFD desde el cabezal hasta la boquilla. Cada cabezal conduce a 10 ramales de inyección de amoníaco y hay una superficie de monitoreo de flujo en el medio de cada ramal. Cuando el número de cuadrículas del modelo es 110000, 14000 y 17000 respectivamente, los resultados del cálculo son consistentes, verificando la independencia de la cuadrícula. A través de cálculos de simulación, se obtienen los efectos de tres cabezales de diferentes diámetros sobre la velocidad del flujo de los ramales de la rejilla de pulverización de amoníaco. Los resultados se muestran en la Figura 3. Entre ellos, el diámetro del cabezal A es de 406 mm, el diámetro del cabezal B es de 273 mm y el diámetro del cabezal C es de 219 mm.
Figura 3 La influencia del tamaño del cabezal en el caudal de amoníaco tubo de derivación de rejilla de pulverización
Se puede ver en la Figura 3 que cuanto mayor es el diámetro del cabezal, menor es la diferencia de presión total del sistema de mezcla de amoníaco y aire, más uniforme es la velocidad y la distribución de presión de Cada salida de ramal y la rejilla de pulverización de amoníaco se pueden adaptar a diferentes cargas y cuanto mayor sea la capacidad de distribuir diferentes compuestos de óxido de nitrógeno. Si el diámetro del cabezal es demasiado pequeño, el caudal de amoníaco en la rama proximal será muy bajo. Si la concentración másica de óxidos de nitrógeno en esta área del conducto de humos correspondiente al ramal es demasiado alta, y la apertura de la válvula de mariposa de otros ramales de inyección de amoníaco se reduce y no se puede satisfacer el caudal de amoníaco, la inyección total de amoníaco La cantidad sólo se puede aumentar. Sin embargo, el diámetro del cabezal no puede ser demasiado grande, de lo contrario se reducirá la economía. Es necesario seleccionar un diámetro del cabezal apropiado según el espacio de diseño real en el sitio.
4 Impacto de la mezcla de zonas de flujo en el consumo de amoníaco
Después de la implementación de estándares de emisiones ultrabajas, muchas unidades alimentadas con carbón han experimentado un escape excesivo de amoníaco, bloqueo del precalentador de aire y Bolsas de polvo. Confusión y otros fenómenos. La razón es que la desviación de la distribución de los óxidos de nitrógeno en la entrada del sistema de desnitrificación SCR es demasiado grande, el diseño del campo de flujo del sistema de desnitrificación tiene poca uniformidad y el sistema de inyección de amoníaco no tiene la capacidad de adaptarse a cargas múltiples. condiciones de trabajo cambiantes. El sistema de desnitrificación SCR convencional requiere un ajuste manual de la pulverización de amoníaco al menos una vez al año, pero sólo se puede aplicar en 1 condición de trabajo. Cuando las condiciones de trabajo cambian, el volumen de inyección de amoníaco de cada ramal no puede igualar la concentración másica real de óxido de nitrógeno en la entrada, lo que resulta en una inyección de amoníaco excesiva o insuficiente. En este sentido, la tecnología de mezcla de partición de campo de flujo se puede utilizar para optimizar el proceso de mezcla controlando la cantidad de amoníaco rociado para minimizar la cantidad de escape de amoníaco y mejorar la eficiencia de desnitrificación del sistema de desnitrificación SCR.
4.1 Principio de la tecnología de mezcla por zonas
Primero, instale un mezclador grande en el conducto de entrada para reducir la desviación de distribución de la concentración másica de óxidos de nitrógeno en la entrada; tamaño del conducto de humos y su sección transversal, divida la rejilla de pulverización de amoníaco y su posterior conducto de humos en 2 a 4 áreas e instale un mezclador regional en cada área para mezclar fuertemente los gases de combustión. Las direcciones de rotación de los mezcladores en zonas adyacentes se establecen en direcciones opuestas, lo que puede lograr una rotación independiente de los gases de combustión en las zonas sin causar interferencias de los gases de combustión entre zonas. Las líneas de corriente giratorias de los gases de combustión bajo la acción del mezclador regional se muestran en la Figura 4. Se puede ver en la Figura 4 que antes de ingresar al catalizador de desnitrificación, aunque hay una desviación en la concentración másica de óxidos de nitrógeno entre las zonas de gases de combustión, la concentración másica de óxidos de nitrógeno en cada zona se distribuye uniformemente.
Figura 4 Diagrama esquemático de la corriente de rotación de los gases de combustión bajo la acción del mezclador regional
Además, se debe instalar un sistema de detección continua de emisiones (CEMS) en la salida de cada gas de combustión. zona después del catalizador, y La cantidad de amoníaco rociado en cada zona se ajusta de acuerdo con la concentración másica de óxidos de nitrógeno en la salida de cada zona para lograr una relación molar de amoníaco a nitrógeno uniforme en cada zona y cercana al valor teórico. , y utilizar la cantidad mínima de amoníaco mientras se eliminan eficientemente los óxidos de nitrógeno.
4.2 Casos de aplicación de la tecnología híbrida zonificada
Tomemos como ejemplo la transformación de emisiones ultrabajas de una unidad de 300MW. Después de la transformación, el sistema de desnitrificación SCR de la unidad tuvo problemas como un desgaste grave del catalizador, una distribución desigual del caudal de gases de combustión, un gran consumo de amoníaco y un bloqueo del precalentador de aire. Las pruebas ascendentes muestran que la concentración de masa promedio de óxidos de nitrógeno en la entrada del sistema de desnitrificación SCR es de 405 mg/m3 a plena carga, y la desviación máxima es de 140 mg/m3.
Para comparar la distribución de la concentración másica de óxido de nitrógeno antes y después de la optimización de la mezcla de partición, se introdujo el índice de evaluación S, es decir, la concentración de óxido de nitrógeno (fracción de volumen o concentración de masa, lo mismo a continuación) y amoníaco en la entrada del catalizador de la primera capa La diferencia de concentración. Este valor se define como la concentración másica teórica de emisión de óxido de nitrógeno de salida del sistema de desnitrificación SCR, que puede reflejar directamente la perfección de la eliminación de óxido de nitrógeno y si el agente reductor es excesivo. Para cumplir con el estándar de reducción profunda de emisiones, se requiere que la concentración másica de óxidos de nitrógeno en la salida no exceda los 30 mg/m3. Si el valor de conversión de S (concentración másica de emisión de óxido de nitrógeno) es mucho mayor que 30 mg/m3, significa que la cantidad de amoníaco es insuficiente y la eliminación de óxidos de nitrógeno no es ideal; si s es menor que 0, significa que hay amoníaco; La inyección es excesiva.
La Figura 5 muestra el diagrama de nube de distribución de S de la sección frontal de la primera capa de catalizador bajo la condición de carga completa de la estructura original. La Tabla 1 muestra el valor de conversión de S en esta sección. Se puede ver en la Figura 5 y la Tabla 1 que cuando el valor promedio de conversión de S es 30 mg/m3, el valor máximo de desnitrificación de S es 113,3 mg/m3 y el valor mínimo es -120,0 mg/m3/m3. En este momento, el caudal de gas mixto de amoníaco y aire simulado es de 0,79 kg/s (la fracción de volumen de amoníaco es del 5 %, lo mismo a continuación).
Figura 5 S Diagrama de nubes de distribución de la entrada del catalizador de primera capa cuando la estructura original está completamente cargada
Tabla 1 Valor de conversión de la entrada del catalizador de primera capa cuando la estructura original está completamente cargado
300MW El sistema de desnitrificación de la unidad está sujeto a simulación numérica CFD y diseño de optimización de mezcla regional. El rango del modelo va desde la salida del economizador hasta el conducto de humos entre la entrada del precalentador de aire. A excepción de la rejilla de pulverización de amoníaco y el mezclador, otras áreas adoptan rejillas estructuradas y las partes clave son densas. El número de mallas de este modelo es de 7,09 millones. La Tabla 2 muestra el valor convertido de la entrada S del catalizador de la primera capa a carga completa después de la optimización de la partición. El diagrama de nube de distribución S en este caso se muestra en la Figura 6. Los resultados muestran que cuando la tasa de conversión promedio de S es de 30 mg/m3, el valor máximo de desnitrificación de S es de 41,7 mg/m3 y el valor mínimo es de –0,3 mg/m3. Se puede ver que la uniformidad de la distribución de los óxidos de nitrógeno después de la optimización de la mezcla de zonas es más obvia que la de la estructura original, y el caudal de la mezcla de amoníaco y aire se reduce a 0,56 kg/s después de la optimización de la mezcla de zonas, el 32,9 % de. Teóricamente se puede ahorrar el consumo de amoníaco líquido.
5 Efecto de transformación
1) Este artículo comienza con tecnologías de mezcla de amoníaco y aire, como la instalación de un mezclador de amoníaco y aire, la optimización del tamaño de la tubería principal y la optimización de la mezcla por zonas. Al mejorar la uniformidad de la pulverización de amoníaco, se evita eficazmente la baja eficiencia de eliminación local de óxido de nitrógeno y el aumento del escape de amoníaco, reduciendo así el consumo de amoníaco de la unidad. Después de la optimización de la zonificación y la transformación de la unidad de 300 MW, el consumo de amoníaco se redujo significativamente en comparación con antes de la transformación. El consumo promedio de amoníaco por unidad cayó de 66,75 kg/h a 465438 ± 0,5 kg/h, lo que puede ahorrar un 37,8 %. Una sola unidad puede ahorrar 209 toneladas de amoníaco líquido cada año, ahorrando 689.700 yuanes en costos de compra de amoníaco líquido.
2) Instale un mezclador de amoníaco-aire y asegúrese de una cierta distancia de mezcla para asegurar una mezcla uniforme de amoníaco y aire de dilución para evitar la inyección excesiva de agente reductor causada por una mezcla desigual de los componentes de amoníaco.
3) La optimización del tamaño del tubo colector puede mejorar la uniformidad del flujo de cada ramal de inyección de amoníaco teniendo en cuenta la economía y evitar la inyección excesiva de agente reductor causada por el flujo desigual de la mezcla de amoníaco y aire.
4) Los óxidos de nitrógeno adoptan una tecnología de optimización de la mezcla de zonas. La relación molar amoníaco-nitrógeno se distribuye uniformemente en cada zona, cerca del valor teórico, lo que garantiza que, mientras se eliminan eficientemente los óxidos de nitrógeno, se mantiene la cantidad de amoníaco. al mínimo, evitando el problema de la desviación excesiva en la distribución de óxido de nitrógeno provoca una inyección excesiva de agente reductor.
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