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SNCR烟气脱硝系统总体设计方案
为便于3&50MW机组工程烟气脱硝装置的安装、调试与运行维护等工作，确保脱硝装置的性能达到合同技术规范和设计文件的要求，特编制本工程烟气脱硝装置设计说明书。
本工程烟气脱硝装置的设计、设备供货、调试及验收督导由阳光环保负责。阳光环保保证提供全新的并有成功业绩和高效可靠的燃煤电厂烟气脱硝产品，同时满足我国有关安全、环保等法规、标准的要求。
本工程烟气脱硝装置配蒸发量为220t/h的高温高压机组燃煤锅炉，脱硝装置采用非选择性催化还原（Selective
Non-Catalytic
Reduction，简称：SNCR）法全烟气脱硝；脱硝装置反应器布置于锅炉内部。脱硝装置采用氨作为还原剂，其制备和供应采用液氨供应系统。在现阶段设计煤种及校核煤种、锅炉最大工况(BMCR)、处理100%烟气量条件下脱硝效率不小于80%实施，脱硝装置结构及相关系统按脱硝效率不小于85%规划设计，在80%和85%脱硝效率两种工况下均进行低氮燃烧系统改造。
机组工程烟气脱硝装置设计的基本信息，脱硝装置的安装、调试与运行维护管理需按照本工程的相关设计图纸、各设备运行维护操作手册及其它相关要求执行，未尽事宜尚需遵照国家和电力行业相关标准、规范和规程的要求执行。
设计符合相关的中国法律及规范、以及最新版的ISO和IEC标准。
与安全、环保、健康、消防等相关的事项严格执行中国国家及地方有关法规、标准。
设计供货范围与分工
设计与供货范围
阳光环保负责脱硝系统的全部基本设计和部分详细设计，消防、暖通的详细设计不在我公司范围内，由我公司提出要求，业主方自理。
采用我公司自主研发的具有国际领先水平的 SNCR
喷射技术，该技术通过先进的数值计算分析与实验室试验相结合。对循环流化床锅炉进行全数值模拟，得到不同运行工况条件下的 NOx
浓度，速度场及温度场的分布规律。利用现有的试验系统，将对喷射系统的雾化特性进行全方位的分析，合理选取最优性能的喷射系统，可在较低的氨氮比条件下实现较高的脱硝效率，在保证氨逃逸的基础上系统脱硝效率可达80%，降低了
SNCR 系统运行过程中的喷氨量。
利用自主开发的循环流化床锅炉热过程数值分析软件、分析锅炉内及旋风分离器内速度场的分布规律，得到适合于不同工况条件下的
SNCR 喷射温度窗口区域，速度场分布规律，设计喷枪的布置位置；根据数值分析计算出的 NOx分布规律，结合实际现场测量数据，布置
SNCR 喷枪数量。
本改造工程设计氨水为还原剂的 SNCR 系统。从液氨储罐来的液氨被送入稀氨器配制成
5%-20%浓度左右的稀氨水，然后被氨水输送泵送入氨水储罐中，使用时，氨水供应泵将氨水储罐中的氨水加压后通过墙式喷射器与长枪喷射器将其喷入到炉膛中，经炉膛中炉膛高温烟气作用，分解出氨气，参与
NOx 的还原反应。
循环泵模块由两个泵并联组成，两个泵可供应循环流化床锅炉满负荷所需的氨水供应量，两台循环泵互为备用。泵入口通过吸入管线和氨水罐连接，出口通过三通连接通往炉内的氨水水供应管线和回流管线。回流管和吸入管在泵和储罐之间建立一个回路，氨水水注射管线在三通下游设置一个气动开关球阀控制氨水向炉内的供应和切断。运行时，氨水泵为定负荷运行，通过设定氨水回流的量来确定喷氨量。稀释水加压泵及其控制系统所含设备与氨水相同。
整个氨水供应系统运行时，压力的平衡点在总管的三通处，回流管流量变化通过回流管线上的调压阀调节。SNCR系统设有一个流量计量模块，包括一个布置在开关阀和流量调节阀之间的流量计构成。计量模块管线上设置现场压力表和压力开关，压力开关的压力信号送往DCS
系统，作为氨水量的反馈信号。装设在炉内出口的NOx 测量信号送到DCS 系统，经过特定算法，通过DCS
向调节阀发送指令信号。
氨水水在计量管线后有一个氨水流量分配模块，在氨水流量分配模块中，每支喷枪前都设置了差压流量计，用于监视每支喷枪的了氨水流量。通过差压流量计后的阀门开度调节，而实现每支喷枪之间流量的均匀分配。
喷枪在炉外设置两路接口，一路为氨水，一路接雾化空气。雾化空气在喷枪前的压力通过空气总管的调压阀实现，枪前压力为4~6Bar，以满足最佳的雾化效果。
系统中氨管线以及阀门全部采用耐腐蚀的 304SS 不锈钢材质。氨水储罐为不锈钢，保证对氨水的耐腐蚀性要求。
喷射器是喷雾系统的核心也是整个 SNCR（喷氨）系统的关键部件。喷射器在旋风分离器入口的两侧壁上各布置 2
根喷枪,以保证整入口雾场的均匀分布。整个喷雾系统都有自反馈和自动调节功能，通过在线监测出口（或烟囱出口）NOx
排放值，利用反馈系统自动调节和控制氨水喷射量，在保证脱硝效率前提下减少系统运行成本。喷射器能适应不同的稀氨水的流量，在流量变化幅度较大时也能保持优良的雾化效果。
喷枪自带气动推进器，在紧急情况下可以自动退出炉内，确保喷枪的安全性，提高系统整体可靠性和使用寿命。
为配合完成烟气脱硝装置技术工作，以下设计工作由其他有关单位完成：
脱硝装置氨供应系统，脱硝工程中SNCR装置本体支撑钢架基础，脱硝氨站区域设备基础、建（构）筑物详细设计（施工图设计）,脱硝项目中供水、供电、供气（汽）等至各设计分界。
主厂房设备布置
本期装设50MW燃煤汽轮发电机组，锅炉为高温高压循环流化床炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。
本工程发电机组同步建设锅炉烟气脱硝装置，位于锅炉尾部，呈露天布置，由阳光环保设计和成套供货。
&多年平均大气压力 1008.1hPa
& & 多年平均大气温度
16.9℃
& & 多年平均相对湿度 81%
& & 多年最热月平均气温
28.9℃
& & 多年最冷月平均气温
4.6℃
& & 历年极端最高气温
39.0℃
& & 历年极端最低气温
-12.0℃
& & 多年平均降水量 1400.6mm
& & 最大一日降水量(24h)
& & 多年最大积雪深度 0.27m
& & 最大冻土深度 0.05m
& & 最冷季主导风向 NNW风
& & 最热季主导风向 NW风
煤质、灰份和点火油资料
煤质分析资料 煤质分析
项 & 目 符 &号 单
&位 设计煤种 校核煤种
析 收到基碳 Car % 60.09 55.4
收到基氢 Har % 2.94 1.89
收到基氧 Oar % 3.59 2.53
收到基氮 Nar % 1.34 0.95
收到基全硫 St,ar % 2.63 2.88
收到基铅 Pb μg/g 7
收到基镍 Ni μg/g 10
收到基锌 Zn μg/g 3
收到基铬 Cr μg/g 16
收到基砷 As μg/g 6
收到基氯 CL % 0.010 0.3355
收到基氟 F % 0.8
析 收到基灰份 Aar % 23.63 29.75
收到基水份 Mt % 7.78 8.6
空气干燥基水份 Mad % 1.37 1.65
干燥无灰基固定碳 Cdaf %
干燥无灰基挥发份 Vdaf % 15.00 11.0
可磨系数 HGI — 61 61
冲刷磨损指数 Ke — 1.18 2.0
综合着火指数*反应指数 Rw/ri —
点 变形温度 DT &# ＞1500
软化温度 ST ℃ ＞1500 ＞1500
熔化温度 FT ℃ ＞1500 ＞1500
三氧化二铝 Al2O3 % 33.75 35.41
三氧化二铁 Fe2O3 % 2.74 4.64
氧化钙 CaO % 4.01 6.10
氧化镁 MgO % 0.91 1.96
氧化钾 K2O % 0.59 1.12
氧化钠 Na2O % 0.38 0.44
三氧化硫 SO3 % 3.91 3.05
二氧化锰 MnO2 %
五氧化二磷 P2O5 % 0.16
五氧化二钒 V2O5 μg/g 281
五氧化二砷 As2O3 μg/g &1
二氧化钛 TiO2 % 1.03 0.21
阻 20℃ &
&500V R20 Ω·cm
12.5℃ &500V R80 Ω·cm
100℃ & 500V R100 Ω·cm
5.70&&1011
120℃ & 500V R120 Ω·cm
150℃ & 500V R150 Ω·cm
3.05&&1011
180℃ & 500V R180 Ω·cm
1.60&&1011
本期锅炉点火及助燃油为0号轻柴油，油质的特性数据见下表2—2。
油质的特性数据表
项 & &目 单 &
&位 平 & 均
粘 &度 °E 1.2～1.67
含硫量S % 0.23
机械杂质 无
低位发热量 kJ/kg 4
水 &份 痕迹
闭口闪点 ℃ ≥65
凝固点 ℃ 0
比 &重 Kg/m 0.817
3.2.4脱硝系统入口参数
项 & &目 单 &
&位 数 & &据
设计煤种 校核煤种
烟尘浓度 g/Nm3 25.96 36.81
NOX (以NO2计) mg/Nm3 400 400
Cl(HCl) mg/Nm3
F(HF) mg/Nm3
脱硝系统用的反应剂为纯氨，其品质符合国家标准GB536—88《液体无水氨》技术指标的要求，如下表：
& & 表2-5 &液
氨 品 质 参 数
指 标 名 称 单 & 位 合 &格
&品 备 & &注
氨含量 % 99.0
残留物含量 % 0.4 重量法
水 &分 % —
油含量 Mg/kg — 重量法
红外光谱法
铁含量 Mg/kg —
密 &度 kg/L 25℃时
沸 &点 ℃ 标准大气压
脱硝装置性能
NOX脱除率、氨的逃逸率、SO2/SO3转化率
在设计煤条件下，对NOX脱除率、氨的逃逸率、SO2/SO3转化率同时进行考核：
脱硝装置在性能考核试验时的NOX脱除率不小于80％，脱硝装置出口NOX含量不大于 100(氨的逃逸率不大于5ppm，SO2/
SO3转化率小于0.9%。（含氧量6％）
1) &锅炉45%BMCR—100%BMCR负荷。
2) &烟气中NOX含量：400mg/Nm3，（干基，含氧量6％）。
3) &脱硝系统入口烟气含尘量不大于24.05g/Nm3(干基，含氧量6％)。
脱硝装置可用率
在质保期内，脱硝整套装置的可用率在最终验收前不低于98%，在燃用校核煤种时，保证脱硝装置安全运行。
系统连续运行温度
在满足NOX脱除率、氨的逃逸率及SO2/ SO3转化率的性能保证条件下，保证SNCR系统具有正常运行能力。
最低连续运行烟温850℃。
最高连续运行烟温;。
在100%BMCR至45%
BMCR负荷，且原烟气中NOX含量为400mg/Nm3时（干基，含氧量6％），保证系统氨耗量。BMCR工况，80%脱硝效率条件下，三台机组最大氨耗量不超过573kg/h。此消耗值为性能考核期间48小时的平均值。
保证在100％BMCR工况，含尘量24.05g/Nm3（干基，含氧量6％）时，以下消耗品的值，此消耗值应为性能考核期间48小时的平均值。
1) 吹堵的单位时间内的蒸汽耗量1.5t/h。
2) 每次吹扫期间的蒸汽耗用总量4.2t。
系统模块功能描述
本SNCR脱硝工艺系统由以下几个模块组成：
（1）氨水制备及储存模块
该脱硝装置经过液氨稀释后的氨水作为还原剂，氨水从氨水槽车经氨水卸载泵送至氨水储存罐，然后经循环系统送至锅炉区域的计量模块。
(2)氨水溶液卸载、存储和循环设备
氨水溶解制备系统主要设备有氨水卸载泵，即时及累计计量装置等组成。
氨水溶液循环系统主要设备包括两台多级离心泵（一运一备），过滤器、
用于远程控制和监测循环系统的压力、温度、流量以及浓度的仪表等。另外还设有一套背压控制阀，背压控制回路用于调节供料泵为计量装置供应尿素所需的稳定流量和压力。循环管路系统应设置保温，减少温降。当氨水循环泵停止运行后，要求对整个管路系统进行冲洗。
同时，氨水储罐预留有氨水溶液接口。在储罐上方安装氨气在线检测及报警装置，并可将检测报警信号传输至
DCS。当检测到的氨气浓度超过设定值时，将自动开启罐区喷淋系统，降低储罐温度并可吸收空气中的氨气。
（3）氨水计量分配模块
喷射区计量模块式一级模块，用于精确计量和独立控制到循环流化床锅炉每个喷射区的反应剂浓度。该模块采用独立的化学剂流量控制，通过区域压力控制阀与就地
PLC 控制器的结合，为复杂的应用情况提供所需的高水平的控制。该模块连接燃烧控制系统、NOx
和氧监视器的控制信号，自动调节反应剂流量，对 NOx
水平、锅炉负荷、燃料或燃烧方式的变化做出响应，打开或关闭喷射区或控制其质量流量。每一个区子模块可相互独立地运行和控制，该特性允许隔离每个子模块进行维修且不会严重影响工艺性能或总体的
NOx 还原效果。
喷射区计量模块是一级模块，根据锅炉负荷、燃料、燃烧方式、NOx
水平、脱硝效率的参数的变化，自动调节每个喷射区的还原剂流量。
（4）氨水喷射模块
每一个喷射组件都具有合适的尺寸和特性，保证达到必须的 NOx
减排所需的流量和压力。设计能适应循环流化床锅炉不同工况的连续安全运行。
喷射器是喷雾系统的核心也是整个 SNCR（喷氨）系统的关键部件。本项目锅炉的旋风筒共布置了 2-4
支氨水喷射器(看完锅炉图纸计算核实后确定)，旋风筒侧壁对称布置。整个喷雾系统都有自反馈和自动调节功能，通过在线监测烟囱出口 NOx
排放值，利用反馈系统自动调节和控制氨水喷射量，在保证脱硝效率前提下减少系统运行成本。喷射器能适应不同的稀氨水的流量，在流量变化幅度较大时也能保持优良的雾化效果，同时避免过量喷氨造成的二次污染。喷枪自带电动推进器，在紧急情况下可以自动退出炉内，确保喷枪的安全性，提高系统整体可靠性和使用寿命。
（6）雾化空气供应及计量分配模块
本装置的雾化空气由厂用压缩空气供给，可满足喷枪入口空气压力0.3~0.7MPa的要求，厂用压缩空气先进入空气缓冲罐再通过空气计量分配模块进入喷枪，以确保系统的稳定可靠运行。
压缩空气总管上的在线流量计对来自厂用气的气体进行流量和压力的测量，将流量信号传至DCS，实现对雾化空气总流量的实时监控。总管以及各个支路上的压力表可以监测空气管路是否畅通，确保雾化空气进入喷枪。
（7）控制模块
本脱硝工程采用DCS控制系统，根据对炉内内烟气负荷及排放烟气中NOx、氨气的在线监测情况，自动控制调节喷射的氨水流量以及压缩空气量，使脱硝系统能够根据负荷变化自动调节工艺参数，以实现脱硝系统的稳定运行，并保证脱硝效率。
整个脱硝系统采用DCS控制系统，并通过操作员在控制室内可对脱硝系统设备进行控制和监测，通过系统配置的各项分析和测量仪表。系统可实现远程自动以及就地手动控制，泵可实现就地启动、停止、紧急停止操作。
3.5 喷枪流量及布置的设计
3.5.1 系统工艺流程计算
还原剂消耗量计算 V0=/h，NOX 含量
XNOX=250mg/Nm3@6%O2 左右。设计采用 SNCR
技术进行烟气脱硝，脱硝率η＝60%，脱硝剂采用氨水，设计基准态下氨的逃逸率γ=7.6mg/Nm3。
采用氨水还原烟气中 NOx，主要发生的反应方程式如下：
NO 4 NH
3→ 4 N
2&#6O &
& & & （1）
NO2 4 NH
3 O2→
3N 2&#6O
& & & （2）
由于锅炉烟气中 NO 约占 NOx 总量的 95%，N2O 含量很小，计算中忽略不计。
标准状态下含氧量为6%时的干烟气中NOx 的浓度计算
C6%O 2=
CNOx*(21&
6) / (21& CO 2 )
式中：C 6%O2为烟气中NOx 浓度，mg/Nm3；C NOx为烟气中NOx
浓度，mg/Nm3(标准状态，实际含氧量下的干烟气)；CO2为实际干烟气中氧气的体积分率，％；21为空气中氧气的体积分率，％；
CNO= CNOx / 2.05*
CNO2= CNOx* 0.05
& & 式中：C NOx、C NO、C
NO2为烟气中NOx、NO、NO2浓度，mg/Nm3(标准状态，实际含氧量下的干烟气)；0.95、0.05－NO、NO2在炉膛出口烟气中占NOx的体积比例；1.34－NO的体积分率(ppm)转化为质量浓度(mg/Nm3)的系数，即NO的分子量30除以气体摩尔体积22.4；2.05—NO2的体积分率(ppm)转化为质量浓度(mg/Nm3)的系数，即NO2的分子量46除以气体摩尔体积22.4；
氨消耗量计算
Wa
(Vq
CNO17 /
(3010
)
Vq CNO
2
17 2 /
(46
106)) m
& & 式中：Wa为纯氨的小时耗量，kg/h；V
q为反应器进口的烟气流量，Nm3/h(标准状态，实际含氧量下的干烟气)；C NO、C NO2－反应器进口烟气中NO、NO2浓度， m
(标准状态，实际含氧量下的干烟气)；m为氨和SCR进口NOx摩尔比(说明：本文认为m值的物理意义不是氨和SCR进口NOx的摩尔比，而是“考虑实际脱硝效率及氨逃逸后的氨消耗量与100%脱硝效率时理论氨消耗量的比值”)；17，30，46－NH3，NO，NO2
的分子量；
考虑实际脱硝效率及氨逃逸后的氨消耗量与100%脱硝效率时理论氨消耗量的比值的计算：
mNOX
100
/ 22.4 / (CNO / 30 CNO
2 2 / 46)
式中：ηNOx为脱硝效率，％；γa为氨的逃逸率，ppm(标准状态，实际含氧量下的干烟气)
由反应方程式以上反应式可知氨氮比为
1，实际上为了提高脱硝效率，通常选用较大的氨氮比。根据华理设计院的喷射装置特点，喷射装置的氨氮比为1.86,实际则参与 NOx 反应的
NH3 的质量流量为（单台锅炉）：
M NH 3 (M
NO* 60%
 2M NO
2* 60%) *17 *10&3
*1.2= 12.7kg / h
考虑到旋风分离器内雾场的均匀性及墙式喷射器的物化质量、穿透深度，选用5%的氨水，则氨水的用量为（单台锅炉）：
M5%=12.7/0.05=254kg/h
则2台锅炉氨水总的用量为：
M5%t=508kg/h
考虑到旋风分离器内雾场的均匀性，在旋风筒进口两侧壁各布置2个墙式喷射器，单台旋风分离器共布置4个墙式喷射器。
初步设计喷射器的气液比为5%,则喷射的雾化空气质量为（单台锅炉）：
M 空气=0.05&508=25.4 kg/h
3.5.3脱硝喷枪设计
针对循环流化床锅炉旋风分离器内颗粒浓度高、流场分布不均匀的特点，设计出耐腐蚀冲刷的高性能喷射器；为了提高喷雾场在烟气通道中的覆盖范围并增强混合程度，喷枪喷嘴设计成内混式的雾化结构，利用空气和氨水的掺混、建压来提高喷射速度，在提高雾化效果的同时，扩大喷雾场空间分布范围。
在内混式喷嘴中，气、液射流经过强烈的动量和能量交换后形成均匀的泡状两相流，气泡在喷嘴混合室出口处受到限制而挤压、变形并破裂，对附近的液体进一步形成撕裂、破碎，此外，气泡在离开喷口后的二次破碎也能有效提高雾化效果，两相流在离开喷口后最终形成满足雾化要求的喷雾场。
3.5.3.1 喷枪设计的关键技术
喷枪的三个关键技术点：
（1）喷嘴的高效雾化特性。
（2）喷枪的高穿透性及高覆盖性。
（3）喷枪的长时间运行可靠性。
通过前期方案论证，突破上述关键技术的技术路线包括：
（1）在成熟产品的基础上，结合液流雾化模拟实验，优化改进喷嘴结构，合理设计气液比，保证喷嘴雾化的液滴直径分布和射流速度满足高效脱硝要求；
（2）通过合理设计喷雾场结构，保证出口动量分布，提高喷枪在烟气中的穿透能力；结合工程经验和动力学等模拟，设计优化的喷枪布置结构和方式，提高喷雾场的覆盖范围，增强与烟气的混合。
（3）通过双重防护结构来提高喷枪的耐温性及耐磨性：枪体本身的热防结构，表面喷雾高温耐磨涂层；碳化硅套管的耐磨防护，喷枪与碳化硅套管间的冷却吹风，从而保证设备的长时间运行的可靠性。
3.5.3.2脱硝喷嘴结构方案
(1) 雾化原理
脱硝喷枪主要依靠脱硝喷嘴来完成雾化及分布，为了提高喷枪在烟气通道中的雾化特性，脱硝喷嘴设计成120°扇形或空心锥的内混式雾化结构，采用空气辅助雾化的方式提高雾化质量，满足合适的粒径空间分布，并达到合适的穿透深度。
内混式喷嘴在混合室内建压，气液混合物在喷嘴出口处受到整流槽限制而挤压变形，最终被整流成扇形或空心锥喷雾形状，喷嘴的整流槽还设有的导流角，一方面有利于气液混合物的进一步膨胀扩张，另一方面可以限定喷雾的雾化角。
（空心锥） & & &
&脱硝喷枪的喷雾场结
&(2) 液流雾化实验
根据技术要求，选型并加工了喷嘴的模拟试验件，其中喷嘴及喷头各设计多种结构，通过液流雾化实验，准确确定喷嘴的流量系数和雾化特性，对最终产品喷嘴的优化改进提供数据支撑。
试验喷嘴及工装
（空心锥喷雾场） & &
&(扇形喷雾场）
脱硝喷枪的不同喷雾场结构的雾化试验
(3)结构方案
通过模拟实验数据分析，优化和改进了脱硝喷嘴，喷嘴的穿透深度和出口速度均能够满足技术要求。为了防止经常性拆卸导致螺纹咬死，喷嘴材质选用与喷射器不同的材质。
脱硝喷嘴三维效果及实物
脱硝喷枪结构方案
枪体结构采用套筒型设计，不同介质从尾部的接口处连接，结构设计时考虑与推进装置的结构配合，喷射器各个管道的材料均选用316L合金钢，外壁进行超音速电弧喷涂耐磨合金，提高喷射器的耐磨性。枪体采用尿素水溶液走内侧、压缩空气走外侧的方法进行热防护，同时在喷枪外侧加装碳化硅套管，碳化硅套管与喷枪之间流动冷却空气，总体提高设备的热防护和耐磨性。
脱硝喷枪结构示意图传热分析
脱硝喷枪处于煤粉与空气燃烧后的烟气燃烧炉膛中，烟气温度
Tg&#6 ~ 9500 C
，烟气流速约为 ug 15 m
s（按最严格工况计算），烟气压力约为 pg 1atm
。燃烧炉内烟气中的二氧化碳的体积占 20%，水蒸气体积占 6%；喷射器材料为 316L
不锈钢，喷射器采用水冷。烧枪接受的热流有燃气的辐射热流 qr 、对流热流 qcv 。
喷枪传热环境
燃气辐射热流 qr 计算
qr 依据 CO2 占 20%，H2O 占 6%，燃烧室直径
d 14m ，燃烧室压力为
pg 1atm ，燃气温度为
Tg&#6 ~ 9500 C
，计算得到：
qr&#6 ~ 18623W/
燃气对流换热系数计算
当将燃气与喷射器看作自然对流时评估其可能性：
因为 Gr
5&#
，所以烟气与喷射器之间的换热方式为非层流换热，强迫对流换热，换热系数的计算准则关系选取燃气绕流圆柱体的实验关联式。在分析时为了安全起见，将换热系数放大，以提供足够的冷却水来冷却喷射器。
冷却风的换热系数计算
冷却风在环形通道内流动，冷却风的流速取为
ul 10 ~ 15 m s ，冷却水的流通面积为
热平衡计算
依据分析模型，对其列写热平衡方程，
通过联立方程组（1）和（2）得到喷枪冷却结构的热环境参数。
喷枪计算结果
对喷枪进行传热分析后，得到的热流及温度变化曲线见下图。
喷枪热流沿轴向变化曲线
喷枪温度沿轴向变化曲线
从上图可以得到，当氨水溶液从内侧流出时，当短枪伸入长度为150mm时，冷却风的温升约为2.0&C，管道温升约7.1℃，结合喷枪外侧雾化空气的冷却作用，结构设计能够满足控制氨水温升及喷枪长时间工作要求。
&脱硝喷枪布置方案
枪头与套管的相对位置
通过优化布置喷枪伸入碳化硅套管的位置，能够有效防护枪头的磨损，形成无死区喷雾场覆盖。相关布置设计结果如下。
不同缩进长度下枪头附近速度矢量分布缩进长度太短时，在枪头的下半部分会形成逆时针的回流区，逆时针回流区的产生是由于烟气直接冲刷枪头内部所致，缩进长度为5mm
时，回流区冲刷枪头内部的速度达到了10m/s。
将缩进长度增大时，在枪头内部同样会形成回流区。缩进长度为20mm
时，回流区转化为顺时针，顺时针回流区的产生是由于高速射流的引射作用所致，其内部速度为3m/s。
进一步增加缩进长度，枪头内部的回流区保持为顺时针，但是其内部速度持续下降。缩进长度为50mm 时，内部速度几乎可以忽略。
可见，缩进长度的不同，烟气在枪头缩进区的流动特征有所不同，缩进过短时，烟气会直接冲刷到枪头内壁；将缩进长度增加时，烟气直接冲刷的效果消失，其内部回流区是由于射流引射造成的，而且随着缩进长度的增加，内回流的速度会减小。考虑到缩进长度过大，射流喷雾角会受到保护套唇口的影响，因此存在一个最佳的缩进长度。
3.6.2 喷枪插入炉膛深度
通过设计喷枪伸入炉膛深度，一方面能够控制枪体内尿素水溶液的温升，另一方面能够优化喷枪的热防护，充分保证喷雾场的穿透深度。相关模拟设计结果如下。
插入深度0mm
深度400mm 时液滴的分布
深度 200mm 时液滴的分布
深度 300mm 时液滴的分布
深度 400mm 时液滴的分布
深度 500mm 时液滴的分布
从上图可知随着喷枪插入炉膛内深度的增加，喷雾场的穿透能力越大，还原剂更容易覆盖于整个烟气流动区域，结合喷枪的热分析，能够确定满足穿透要求、最佳热防护的插入深度。
3.7 脱硝喷枪强度分析
根据优化的脱硝喷枪及布置方案，进行强度核算和校核。脱硝喷枪为两层套管结构，考虑尿素水溶液及枪体的自重，计算结构在自重作用下的变形和盈利。依据计算目的，采用壳单元建立套管结构的有限元模型，如图所示。
氨水和空气的质量折算到相应套管的材料密度特性中，连接内外二层套管端部的环厚度假定为5mm，喷嘴对套管有连接加强作用，模型中采用Φ10
的钢柱（梁单元）模拟喷嘴刚度，在适当位置连接，如图所示。
计算结果如下图，最大变形：喷枪端部位移0.12mm。
最大综合应力：套管外层根部36MPa，a 层端部47Mpa
壳单元模型强度校核结果表面那个，枪体最大综合应力远小于材料的弹性模量，喷枪能够稳定可靠长期运行。
推进器方案
喷枪推进器采用气动方式。推进器是由推进机构、位置信号元件和安装部件等部分组成。
在脱硝喷枪工作时，推进器根据中控指令将喷枪推进到工作位置，当喷枪因停气或缺水以及正常停止工作时，驱动机构负责将喷枪退出至安全位置，保护喷枪，方便维护及更换。
3.9产品总体结构及特性
3.9.1 产品总体结构
SNCR脱硝喷枪的供应产品外形结构如下图，长度和外径均可根据供货要求调整，主要分布在炉内壁面附近。
产品特点：
􀁺
雾化方式采用气动雾化，并结合外层冷却风进行辅助冷却，能够900~;烟气环境中长期工作；
􀁺 喷雾速度场及横向粒径分布可由喷口结构进行调节；
􀁺 满足雾化要求的前提下，能达到最大的穿透深度；
􀁺 喷嘴采用高温合金材质，枪体喷涂耐磨材料，能够长期可靠运行。
SNCR 脱硝喷枪实物结构图
产品关键性能：
􀀹 变负荷下高效雾化的稳定性能。
􀀹 喷雾场的高穿透性能。
􀀹 长时间运行的可靠性。
3.9.2 雾化特性
以60~120°喷嘴产品为例，进行了激光全息喷雾场粒径测量试验，测量
标准区域1mm&1mm。 测量结果显示，产品喷嘴所形成的喷雾场分布为不规
则的“W”形，最大粒径约350~400μm，百分比小于0.5%，具体结果如下：
不同喷嘴结构雾化粒径分布
喷雾场雾化粒径分布（60°喷雾场）
喷雾场雾化粒径分布（90°喷雾场）
喷雾场雾化粒径分布（120°喷雾场）
不同气液比雾化粒径分布
气液比1% & & &
& & &气液比1.5%
& &气液比2.0%
（D32 = 77.3μm） & &
& （ 32 D = 76.2μm） &
& （ 32 D = 72.0μm）
脱硝喷枪所形成的喷雾场径向分布为不规则的“W”形，100μm以下液滴超过60%，最大粒径约350~400μm，百分比小于0.5%，喷雾场穿透深度超过6.5m。
3.9.3 喷雾场的出口速度
通过优化设计喷雾场的出口速度，能够有效提高喷雾场在高、低负荷下的穿透能力，增加雾化质量的稳定性。工程经验表明，喷雾场出口速度大于70m/s时，脱硝喷枪的穿透能力和雾化质量协调性好。
入口速度为40m/s
入口速度为50m/s
入口速度为60m/s
入口速度为80m/s
入口速度为100m/s
模拟结果显示：当喷射速度低于50m/s
时，喷雾场射流并不能覆盖炉内的中心区域；随着入口压力增大，射流速度相应增加；当射流速度超过60m/s
时，可满足喷雾场覆盖整个烟气流动区域的要求。具体确定喷雾场出口速度时，须结合喷雾质量变负荷的稳定范围来综合考虑。
3.9.4 喷雾场的雾化锥角
雾化锥角直接关系着喷雾场的刚性和覆盖能力，通过优化设计喷雾场的雾化锥角，能够协调射流刚性分布，提高喷雾场的覆盖能力。不同雾化锥角下组合喷雾场的模拟结果如下。
雾化锥角为 20 度
雾化锥角为 60 度
雾化锥角为 80 度
雾化锥角为 120 度
雾化锥角为 150 度
雾化锥角小，则喷射中心刚性强，射流更容易进入炉内的中心，但是在炉内的四周，喷雾场的覆盖性能较差；雾化锥角大，射流的中心刚性降低，但是在炉内的周向覆盖性能较高。因此喷枪的射流应充分协调喷雾场的射流刚性与覆盖边区覆盖性能的关系。
3.9.5 喷雾场的平均粒径
喷雾场的平均粒径直接关系到液滴的蒸发时间和空间分布，进而决定还原剂与烟气的混合程度及脱硝反应的停留时间，直接影响系统脱硝效率。部分模拟优化结果如下所示。
平均粒径为40
平均粒径为60
平均粒径为80
平均粒径为 100
液滴颗粒的直径越大，液滴穿透性越强，液滴更容易覆盖炉内的中心，然而液滴挥发的时间变大，挥发出的NH3 与烟气中的NOx
有效反应的时间变短。因此实际的喷枪应充分衡量中心区液滴的分布及尿素水的挥发时间，在保证NH3
在850℃与NOx 的反应时间超过0.5s 的基础上，充分增强液滴颗粒的穿透性能。
3.9.6 喷雾场穿透深度
喷雾场穿透深度的测量是在产品喷嘴液流试验过程中进行的，喷嘴距地面标高2.0m，环境风速约1.0~3.0m/s，穿透深度与喷嘴结构及出口速度关系见下图。
3.9.7 组合喷雾场的性能优化
组合喷雾场的性能决定于脱硝喷枪布置方式和单喷枪的喷射雾化性能，通过总体模拟优化，能够提高喷雾场的组合性能，从而提高系统脱硝效率，保证喷枪的可靠运行。
温度场 & & &
& O2 浓度 & &
& CO2 浓度 & &
炉内温度及组分分布规律(0-180 度截面)
温度场 & & &
& O2 浓度 & &
& CO2 浓度 & &
& NOx 浓度
炉内温度及组分分布规律(0-180 度截面)
组合喷雾场的脱硝效果
针对炉内内温度场、O2 浓度、NOx
浓度等分布条件，提供的脱硝喷枪进行喷雾场的组合分布和性能优化，喷射10%浓度的氨水后，炉内的NOx
浓度大幅度降低，完全能够满足烟气脱硝工艺的高效率要求。
3.9.8 脱硝装置对锅炉运行的影响分析
喷射为5%的氨水，根据能量平衡方程，氨水喷入烟气中主要有几个吸热和放热环节：液态水由常温升高到100℃的吸热，水蒸发的潜热，氨气吸热，水蒸汽温度升高吸热，辅助雾化空气温度升高的吸热，以及氨气与氮氧化物反应放热。根据以上所述能量平衡方程如下：
mH 2OCpH 2OL (100& T0
) mH 2O *
Qq mH 2O * CpH 2Og
(Te& 100)
mairCpair
(Te& T0
) mNH 3 * CpNH 3
(Te& T0
) mgCpg
(Tg& Te
) Q反应
其中 mH 2O , CpH 2OL ,T0 , CpNH 3 , CpH 2Og ,Te , mair , Cpair ,
Qq , mg , Cpg ,Tg
分别为水的流量，液态水的比热，水的初始温度，氨气的比热，气态水的比热，烟气与氨水混合后的最终温度，辅助雾化空气流量，空气比热，水的蒸发潜热，烟气流量，烟气比热，烟气温度和反应热。20-950℃气氨平均定压比热容2.112kJ/(kg·℃)，100℃一个大气压下饱和水蒸汽焓值
2676.3kJ/kg,20℃液态水焓值 83.86 kJ/kg
；100-950℃水蒸汽平均定压比热容
2.01kJ/(kg·℃)。
将各已知参数代入上式求得热效率损失η= Tg-Te/ Tg=0.279%,炉内温度变
化不超过3℃。
3.10 喷射系统耐磨及防堵性说明
采用设计院最新研发的新一代 SNCR 喷射装置，与前几代技术相比，SNCR
喷射装置的抗磨损性能有了本质的提升。喷枪外层设置碳化硅保护套管，可有效的防止高温的生料颗粒磨蚀。喷枪的易磨损部位采用高硬度的耐磨材料，采用特殊的熔铸工艺与浓缩器本体连接，实现了高的耐磨性能的同时具有很强的抗脉动温度应力的能力，保证能够在复杂脉动高温和气固两相流冲刷条件下长时间稳定运行。同时，采用目前国际上最先进的喷涂施工工艺——超音速电弧喷涂。超音速电弧喷涂是利用两根连接送进的金属丝作为自耗电极，在其端部短接产生电弧作为热源，用压缩气流将熔化了的丝材雾化，并以高速喷向工件形成涂层的一种热喷涂方法。拟采用复合涂层（共计三层），
用HB-FM45（高铬镍基钛合金材料）打底层和过渡涂层，HB-FM45 涂层其Cr
含量大于43%，是目前国内电弧喷涂用镍基合金丝材中Cr 含量最高的一种。喷涂后的涂层表面会形成一层致密的Cr2O3
保护膜，具有非常优秀的抗高温氧化、抗磨损、抗SO2、NH3 腐蚀
；该涂层材料的热膨胀系数与普通低碳钢和低合金钢的热膨胀系数接近，可避免在热循环过程中由热应力造成的涂层剥落。该涂层可作为复合涂层的打底层，也可作为工作层直接使用。它具有良好的粘结性、耐腐蚀性和耐磨性，为提高整个涂层的综合性能起到了加强作用。
在喷枪的实际运行过程中，采用电推进器对喷枪进行控制，在短喷枪工作时，驱动机构根据中控指令将喷枪推进到工作位置，当喷枪因停气或缺水以及正常停止工作时，驱动机构立即将喷枪退出至安全位置，避免喷枪被高温烟气损坏，在喷枪退出过程中，同时保持压缩空气的流量，防止炉内内高浓度颗粒在喷口的堵塞。
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