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烟气脱硝核心技术研发及其在国华太仓发电厂的应用

发布日期:2011-07-01  浏览次数:1572

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文章摘要:目前,我国发电装机容量已经突破4亿千瓦,其中绝大多数为燃煤机组,火电厂排放的NOx不断增加。2003年,由火电厂排放的SO2、NOx就

目前,我国发电装机容量已经突破4亿千瓦,其中绝大多数为燃煤机组,火电厂排放的NOx不断增加。2003年,由火电厂排放的SO2、NOx就超过1700万吨,每年损失超过1100多亿元,严重制约了国家经济、社会可持续发展和影响人类健康[1]。据预测,到2010年,至少有2亿千瓦的机组容量需要建设脱硝系统,因此,电站脱硝将成为继脱硫业务后下一个爆发性增长的市场。烟气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少NOx排放的方法,具有很高的脱除效率,应用较多的有选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)。SCR技术的脱硝效率在90%以上,氨的逃逸量较小,欧美和日本等国家和地区的火电厂的烟气脱硝装置中SCR技术大约占95%[2]。在我国,随着环境保护法律、法规和标准的日趋严格及执法力度的加大,各火电厂必须采用烟气脱硝的办法来进一步控制NOx的排放。从长远利益上考虑,SCR应该是我国烟气脱硝的基本技术[3]SCR技术投资成本较高,美国环保局的统计分析表明[4]:对已建机组进行脱硝改造时,投资成本大约50~70美元/kW;而新机组在建设脱硝工程时,投资成本一般少于40美元/kW。因此,为避免重蹈烟气脱硫治理过程中全面依赖国外的技术与设备的覆辙,我国应尽早开发整套烟气脱硝解决方案,实现技术自主、低投资、低消耗的烟气脱硝技术。 1OI2-SCR核心技术研发OI2-SCR核心技术是江苏苏源环保工程股份有限公司按引进技术与自主研发互补、工程实践积累与高科技研发互动的技术能力构造战略,以精准优化(Optimization)、个性化(Individuation)、集成化(Integration)为特点,将数值计算、数值分析引入SCR技术的研发,走了一条“数值模拟辅助和促进工程实践、工程实践验证和完善理论模型”的创新之路。2003年,公司提出脱硝项目预研和策划,充分利用公司以OI2为理念的大型工艺开发、系统集成的技术优势,通过具有前瞻性的《合作开发OI2-SCR烟气脱硝技术协议》;2004年,公司与日本日立造船株式会社合作开发了大型火电机组烟气脱硝的OI2-SCR烟气脱硝技术,以苏源环保烟气脱硝技术研发的成果和大型工艺系统的开发能力整合日立造船既有的烟气脱硝技术和长期实践积累的经验,开发出适合中国国情的烟气脱硝解决方案——OI2-SCR烟气脱硝系统设计包OI2-SCR/D。到2004年底,公司的OI2-SCR技术基本成熟,2004年10月,公司总承包的国华太仓烟气脱硝项目合同正式签署。1.1 研发平台(1)系统配置模型烟气脱硝系统变化因素多(烟气条件、气候条件、环保要求、排烟条件、FGD装置、空气预热器、电除尘器等设备型式);系统投资和运行消耗较大,缺乏直接经济效益。因此,需要引入价值工程理论与系统可靠性理论对SCR系统进行多相关因素、大范围、高精度的系统配置[5]。系统可靠性是指系统在给定的环境和运行条件下,在规定的时间内,完成预定功能的能力。SCR工程投资大、运行费用高,而且不能直接创造经济效益,因此,可靠性是影响SCR系统商业化运行的最重要因素之一。价值工程又称为价值分析是一门新兴的管理技术,是降低成本提高经济效益的有效方法。通过集体智慧和有组织的研究活动对系统关键设备进行功能分析,使目标以最低的总成本,可靠地实现脱硝系统的必要功能,从而有效地降低工程造价。(2)关键参数优化模型与热力发电系统的产成品单一,主机设备系列化不同,SCR系统的影响因素多,系统投资和运行消耗都很大,又缺乏直接经济效益,故对经济性很敏感,要求最大限度降低总费用,此外,SCR防堵、传质等工艺重点在化工/建材行业有较多经验可以加以整合。因此,SCR系统设计时需要对其关键参数进行多相关因素、大范围、高精度的优化,但建立一次性整体数学模型非常困难,可以采取的工作方案是先根据脱硝系统进行总体规划编制建模大纲,在据此将各子系统分别进行建立模型,分别为:SCR反应器、氨/空气喷雾系统、SCR控制系统、SCR的吹灰和灰输送系统等大模块,在各大模块中依据系统关系再派生出次级单元,依次类推直至基元。划分模型单元后着手分析各模块的输入输出参数,找出与目标模块相关的影响因素、制约条件等,以MATLAB软件的建模工具箱Simulink为平台建成单元模块,再连接各模块,组成较大的模块,同时将过程中逐步增加的相关因素纳入数学模型中,得到与实际装置对应的具有较高真实度的模型,最终构成SCR系统总体优化数学模型。(3)系统关键点CAE/CFD分析SCR系统复杂、设备庞大,如采用常规的研究方法进行试验台试验、在已投运的装置上进行实物试验或对大量已投运装置上取得的经验进行深入归纳总结既不经济也不现实。因此利用CAE/CFD技术代替大部分研究中的试验工作,最大限度地将需要大型试验台的复杂试验项目分解为小型简单的试验是非常必要的。在SCR系统中通过对氨/空气喷雾系统、气固催化反应器的流动分析和模拟,为提高工作效率、减少流动阻力、优化流场分布提供依据,并为设计方案提供验证手段。由于SCR系统的化学过程和防止催化剂中毒等都对温度较敏感,在设计中需要对实际过程中各工作点下的温度值有较精确的掌握,同时SCR中的许多大型结构件存在局部受热的情况,因此需要对结构的热应力和热变形进行分析;SCR装置中存在大量、大型薄壳三维钢构架等复杂的结构,并且几何外形、边界条件也很复杂,除简单的恒载、活载外,还有温度荷载、冲击荷载、周期性或非周期性活荷载等,要采用有限分析法得到结构的应力、应变、变形以判断结构的强度和正常使用情况。SCR反应器同常见的过程设备相比有其自身的特点,如设备尺度大、负荷范围宽、杂质含量高、温度要求高等,这对化工过程设备的放大设计而言,是个全新的挑战,传统的SCR反应器设计方法只能给出一些定性的分析结果,而实验研究亦因设备尺度的问题受到限制。随着近代力学及计算机软硬件技术的发展,对SCR反应器进行全尺寸的数值模拟已成为可能。CFD工具的引入将有助于对SCR反应器、喷氨混合段设计优化、进出口烟道的理解,给出一系列的定性定量分析结果,从而完善SCR反应器的设计方法,为SCR工程的国产化奠定理论基础。(4) 系统仿真依据过程机理分别建立SCR反应器、氨/空气喷雾系统、SCR控制系统、SCR的吹灰和灰输送系统等的动态数学模型,再将这些子模型合理连接起来,构成整个脱硝仿真系统的数学模型,并基于Wonderware公司的InTouch系统软件,搭建灵活完善的SCR仿真平台(包括教练员/工程师站、操作员站),通过对操作人员进行仿真培训、对系统的运行情况进行研究来提高SCR研究、设计、调试和运行的效率。 1.2 PDMS工程设计平台针对改造机组通常存在场地条件的限制问题,在SCR装置的设计过程中建立PDMS的工程设计平台。利用我们在烟气脱硫技术开发过程积累的经验,采用三维工厂设计软件VantagePDMS完成整个脱硝系统的全三维布置,并可实现工艺、仪表、设备、土建、热控及电气等专业的并行协同设计,满足客户的个性化需求。对该技术进行工程实证、细化、深化、发现问题、完善工程设计、工程总承包(EPC)项目管理平台、SCR技术解决方案,最终开发完善出一套完整的与国际先进的SCR技术同等的能反映中国特点和时代科技进步的SCR技术。 1.3 P3项目管理平台火电厂SCR烟气脱硝技术研发内容庞大、技术含量高、执行周期长、涉及面宽,以传统的经验性的管理不能适应其要求,P3现代项目管理技术从实用的角度说明了开展科技研发项目管理所需具备的基本条件,进行项目管理所必须建立的工作分解结构(WorkBreakdownStructure,简称WBS)及其建立科技研发项目管理的过程、方法以及科技研发项目管理的特点。通过对WBS、计划进度管理、成本控制、技术状态、项目风险管理等各个管理活动之间关系的描述,为在SCR核心技术研发中建立基于现代项目管理技术的项目管理体制制定了基础,并进行策划和可行性、适用性分析。 2OI2-SCR核心技术在国华太仓发电厂2×600MW机组的应用国华太仓发电有限公司四期2×600MW超临界发电机组烟气脱硝总承包工程,合同工期为1年,一台以于2006年元月投产20日与主机一同通过168小时的考核运行,另一台2006年6月完成。工程选择SCR作为烟气脱硝技术,设计的脱硝效率≥90%,处理100%烟气量,不设烟气旁路装置,脱硝反应剂采用液氨。脱硝系统年运行小时和设计寿命与对应的主机一致,系统可用率≥95%。苏源环保负责烟气脱硝系统完整范围内的设计、设备采购、制造及现场制作、施工安装、调试、人员培训、现场技术服务、指导监督及整套系统的性能保证和售后服务等[6]。国华太仓发电厂2×600MW发电机组为新建机组,但由于在主体工程实施时未考虑烟气脱硝装置的布置细节,现场布置空间十分有限。图1给出了烟道及反应器的立面布置图。图1 烟道及反应器的立面布置图设计的脱硝系统主要由SCR反应器、氨/空气喷雾系统、SCR控制系统、SCR的吹灰和灰输送系统组成。液氨由槽车运送到液氨贮槽,输出的液氨经氨气蒸发器后变成氨气,将之加热到常温后送氨气缓冲槽备用。缓冲槽的氨气经减压后送入氨气/空气混合器中,与来自送风机的空气混合后,通过喷氨隔栅(Ammonia Injection Grid, AIG)之喷嘴喷入烟气中并与之充分混合,继而进入催化反应器。当烟气流经催化反应器的催化层时,氨气和NOx在催化剂的作用下将NO及NO2还原成N2和H2O。2.1 CFD模拟催化反应器   催化反应器是SCR系统最主要的部分,反应器内的工况(温度、NH3/NOx、烟气流场等)直接决定了脱硝效率。与常见的过程设备相比,其尺度大、受烟道布置局限性大等,并对速度、NH3/NOx、温度及飞灰的负载分布提出了相当苛刻的要求,这对化工过程设备的放大设计而言,是个全新的挑战,传统的设计方法只能给出一些定性的分析结果,而实验研究亦因设备尺度的问题受到限制。随着近代力学及计算机软硬件技术的发展,对催化反应器进行全尺寸的数值模拟已成为可能。CFD工具的引入将有助于对催化反应器内的温度场、浓度场、流体浓度压力以及化学反应过程的理解,给出一系列的定性定量分析结果,从而可以完善SCR系统的设计方法。针对太仓发电厂SCR反应器现场布置空间十分有限的问题,充分发挥OI2-SCR核心技术的优势,对连接烟道的流体流动、混合扩散及传热传质过程进行数值模拟,以获取有益的参数为应用于工程。首先建立计算用实体模型,由于结构的对称性,分析中仅对实际模型的一半进行了分析,图2为与催化反应器连接烟道(反应器进、出口段)内流场分布图。在工程中,合理的设置导流板,以期达到最佳的流场分布,为催化反应提供充分的条件。图2 催化反应器内烟气流场分布为提高SCR技术研究、设计、调试和运行的效率,搭建灵活完善的SCR仿真平台,依此构成整个脱硝系统的数学模型,最后建立一套脱硝系统的仿真系统;采用计算流体动力学软件和化学反应动力学软件CHEMKIN的耦合,能实现反应器内及上下游管道的NOx的浓度分布进行比较精确的模拟,为工程提供了准确的技术支持。由于烟气、飞灰及氨在催化剂进出口的分布的好坏直接影响着脱硝效率,因而SCR反应器及其连接烟道、氨/空气混合器(AIG)的布置及设计在整个SCR工程中占据着与催化剂几乎同等重要的位置。借助CFD工具对SCR反应器及其相关的烟道系统对的流体流动、传热传质、飞灰收集等进行预测,将有助于设计更为合理的烟气脱硝系统,并为系统调节建立理论依据,降低工程风险。 2.2 CAE分析设计反应器太仓发电厂烟气脱硝系统为现场改造,在现场重新构建的支承框架不可能有非常充足的承载能力,利用的空间也是有限的。故要求反应器作用在框架上的载荷应尽可能的小,而且反应器的结构也要紧凑。CAE分析反应器的目的是:通过计算反应器结构的温度、应力及变形等物理场量,给出各物理场量在整个反应器上随空间和时间的分布;保证反应器整体结构的安全性和经济性;为结构和工艺参数的优化以及SCR系统的质量评估提供科学依据。CAE分析的步骤先是建立反应器模型,然后对模型进行网格划分,再此基础上进行计算分析。由于反应器结构复杂,几何形状不规则,板壳的厚度多变,所以自己定义单元尺寸的大小,而不完全采用智能网格划分,以便于控制局部的细节。载荷施加是比较复杂的。要依据一定的顺序施加外压、自重、催化剂重量、风载荷、地震载荷、温度载荷,最后按现场条件施加约束。尤其注意的是,催化剂的承重梁与框架之间在水平方向可以相互滑动,在竖直方向则受到约束,二者之间在水平方向上有摩擦力相互作用。因此,在该处施加约束时应特殊处理。求解后可得到任意位置处的各向应力、综合应力、各向变形及综合变形,可以根据各自的准则对反应器进行校核,再通过这些分析来达到反应器的优化设计。图3为反应器的综合应力云图。3  反应器的综合应力云图   同样地,将优化设计理论和系统可靠性理论等应用在空气预热器和引风机的改造过程中。总之,将公司自主研发的OI2-SCR核心技术应用于国华太仓发电厂脱硝工程中,实现了SCR反应器最优化和个性化设计,确保烟气不需要加热即可使催化反应处于最佳反应区,提高了脱硝效率,节约了能源。整个工程的造价低,仅为同行业的60%~70%。简化了工作流程,将工期缩短一倍。 3 结语   将现代科技理论移植到SCR技术研发,将现代管理理论移植到SCR工程,用OI2-SCR核心技术解决项目实施过程中遇到的困难,太仓发电厂烟气脱硝工程实现绝大部分装备的国产化,从而降低了烟气脱硝设备的成本,推动了我国电力环保事业的发展;对于暂时不能完全国产化的设备(比如催化剂),先采用国外的产品,同时开展催化剂的研发工作,待技术成熟后替代国外成品。这为我国大型火力发电厂烟气脱硝技术自主化、装备国产化探索了一条有效途径。
 
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