300MW燃煤鍋爐煙氣SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳冬林，劉 歡，鄒 嬋，陳翠玲，盤(pán)思偉，李 麗，趙 寧

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080）

SCR脫硝反應(yīng)器催化劑入口截面上煙氣流速和氨氣濃度分布的均勻性對(duì)煙氣脫硝效率及氨氣逃逸率具有重要影響［1-7］，因此，對(duì)現(xiàn)役鍋爐進(jìn)行脫硝改造時(shí)需對(duì)脫硝反應(yīng)器本身及相關(guān)連接管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使催化劑層入口截面上的速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15%，氨濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%.為此，筆者利用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)一臺(tái)300 MW燃煤鍋爐SCR脫硝反應(yīng)器的煙道及導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)布置方案進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上確定最佳導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案.

1 脫硝反應(yīng)器原型

湖南某電廠一臺(tái)300MW燃煤鍋爐機(jī)組的煙氣SCR脫硝反應(yīng)器及前后煙道、噴氨格柵、煙氣導(dǎo)流板、催化劑層等的結(jié)構(gòu)與布置如圖1所示.其中，噴氨格柵由2排鋼管組成，每排有24根鋼管，每根鋼管上布置有3個(gè)氨氣噴嘴，噴嘴出口直徑為25mm.

圖1 300MW燃煤鍋爐機(jī)組SCR脫硝反應(yīng)器及煙道布置示意Figure 1 300MW coal-fired boiler SCR deNOxreactor and flue duct arrangement diagram

2 均流方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)役鍋爐機(jī)組進(jìn)行煙氣SCR脫硝改造時(shí)，因脫硝反應(yīng)器及煙道布置受到了空間、成本等方面的限制，煙道的布置優(yōu)化空間較小，目前，主要通過(guò)煙道彎頭處設(shè)置導(dǎo)流板并優(yōu)化導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到均流與均勻氨濃度分布的目的.為此，筆者通過(guò)在煙道不同彎頭以及變徑管道處設(shè)置導(dǎo)流板，擬定4種導(dǎo)流板布置方案，其布置、結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)如圖2和表1所示.

圖2 不同方案彎頭截面尺寸（單位：mm）Figure 2 Sectional size of elbows in different schemes（Unit：mm）

表1 各方案中導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)及布置特點(diǎn)Table 1 Baffle structure parameters and layout features for each schemes

3 CFD模擬

通過(guò)使用Fluent軟件對(duì)上述導(dǎo)流板不同布置方案下煙道流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)導(dǎo)流板不同布置方式對(duì)煙氣流場(chǎng)以及氨氣濃度分布的影響.使用前處理軟件GAMBIT，完成尾部煙氣流動(dòng)和催化劑分布區(qū)域的建模與網(wǎng)格劃分，其中數(shù)值域被分成多塊混合網(wǎng)格格式.

3.1 數(shù)學(xué)模型

反應(yīng)器計(jì)算模型的選取采用模擬湍流流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流雙方程模型；煙氣與氨混合選用多種物質(zhì)的混合輸運(yùn)模型模擬；使用多孔介質(zhì)模型模擬催化劑的蜂窩狀結(jié)構(gòu).各方程的數(shù)學(xué)描述詳見(jiàn)文獻(xiàn)［8-9］.

3.2 邊界條件

該模擬主要研究300MW燃煤鍋爐機(jī)組在BMCR工況下的流動(dòng)與氨濃度分布.BMCR工況下鍋爐的煙氣流量為1 344 203m3·h-1，煙道入口煙氣流速為21m·s-1，噴氨速度為21m·s-1；設(shè)置煙道出口為壓力出口邊界條件，固體壁面和導(dǎo)流板設(shè)為WALL；煙氣成分和計(jì)算邊界條件如表2，3所示.

表2 煙氣各種成分的質(zhì)量百分比Table 2 Mass percentage of various components in flue gas

表3 邊界條件Table 3 Boundary condition

4 模擬結(jié)果與分析

模擬結(jié)果使用Fluent軟件自帶的云圖功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)煙氣SCR脫硝反應(yīng)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用標(biāo)準(zhǔn)偏差（S）對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的速度場(chǎng)與氨濃度場(chǎng)進(jìn)行分析.定義標(biāo)準(zhǔn)差［10-11］：

式中 S為煙氣流速或氨濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；xi為測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為n個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；n為某截面的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù).

優(yōu)化目標(biāo)要求第1層催化劑前的速度分布最大標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15%，速度分布及方向要求與催化劑通道平行，80%煙道的部分偏角小于10°，其余20%煙道的部分偏角小于12°；第1層催化劑前氨的濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%［12］.

4.1 噴氨格柵前的導(dǎo)流板布置對(duì)催化劑層氨濃度場(chǎng)分布的影響

方案1中由于噴氨格柵前段（即省煤器出口至噴氨格柵）沒(méi)有設(shè)置導(dǎo)流板，使得噴氨格柵前端煙氣流場(chǎng)嚴(yán)重不均勻，因而造成第1層催化劑濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)16.05%.方案2，3在方案1基礎(chǔ)上，于噴氨格柵前端的煙道變徑段以及1號(hào)彎頭處布置導(dǎo)流板，從圖3（b）中煙道入口前、后對(duì)稱(chēng)剖面速度分布圖可看出，垂直煙道兩側(cè)煙氣流速明顯得到改善，催化劑層氨濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差從16.05%降到6.09%，說(shuō)明第1層催化劑層氨濃度分布均勻性得到明顯的改善.由此可見(jiàn)，噴氨格柵前的導(dǎo)流板布置對(duì)催化劑層氨濃度分布均勻性影響很大，這種影響尤其體現(xiàn)在彎頭處導(dǎo)流板的布置，比較方案2，3模擬結(jié)果，方案3在噴氨格柵前1號(hào)彎頭處設(shè)置導(dǎo)流板后，催化劑層氨濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差大幅度地降低.

4.2 噴氨格柵后的導(dǎo)流板布置對(duì)催化劑層速度場(chǎng)分布的影響

方案1由于只在噴氨格柵至脫硝反應(yīng)器出口的煙道各彎頭處設(shè)置導(dǎo)流板，其煙道進(jìn)口變徑段前、后兩側(cè)煙氣產(chǎn)生明顯的回流，煙氣流速?lài)?yán)重不均，如圖3（a）所示.同時(shí)，從圖3（b）中還可發(fā)現(xiàn)，方案1噴氨格柵前端流速分布同樣不均勻，靠近左側(cè)的垂直煙道內(nèi)側(cè)流速明顯比外側(cè)流速高.由于在噴氨格柵至脫硝反應(yīng)器出口處設(shè)置了導(dǎo)流板，這對(duì)第1層催化劑層流速均勻性具有很好的效果，經(jīng)計(jì)算得出第1層催化劑層流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.01%，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖3 不同導(dǎo)流板布置方案下數(shù)值模擬云圖Figure 3 Numerical simulation contours of different baffle layouts

4.3 導(dǎo)流板間距及煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)催化劑層度場(chǎng)與氨濃度場(chǎng)分布的影響

在方案3的基礎(chǔ)上，方案4針對(duì)第1個(gè)彎流頭導(dǎo)流板布置間距進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，以達(dá)到催化劑速與氨濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的目的，同時(shí)，該方案中將煙道彎頭2內(nèi)側(cè)的弧形板改為斜切直板，彎頭3處弧形彎頭同樣改為斜切角，為滿足結(jié)構(gòu)要求將最外層的導(dǎo)流片去掉，最后得到第1層催化劑層流速與氨濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.86%，4.92%，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)該次煙氣脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.由此可見(jiàn)，在條件可行的情況下，可通過(guò)調(diào)整1號(hào)彎頭導(dǎo)流板間距，結(jié)合煙道彎頭結(jié)構(gòu)調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化煙道流場(chǎng)分布的目的，從而使催化劑層流速與氨濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差符合設(shè)計(jì)范圍，脫硝反應(yīng)器脫硝效率大大提高.不同導(dǎo)流板布置方案時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如表4所示.

表4 不同導(dǎo)流板布置方案時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of numerical simulation results in different baffle layout schemes

5 結(jié)論

1）導(dǎo)流板布置對(duì)均勻流場(chǎng)及脫硝反應(yīng)器催化劑層氨濃度分布具有明顯的作用，在煙道各彎頭處合理地添加導(dǎo)流板，可大大提高煙道流場(chǎng)分布均勻性，從而有利于脫硝反應(yīng)器脫硝效率的提高.

2）噴氨格柵前、后的導(dǎo)流板布置分別對(duì)第1層催化劑入口的氨濃度分布和速度流場(chǎng)分布的均勻性具有重要影響，其中噴氨格柵前的導(dǎo)流板布置對(duì)第1層催化劑層氨濃度場(chǎng)分布影響較大，而噴氨格柵后的導(dǎo)流板布置對(duì)第1層催化劑層速度流場(chǎng)分布影響較大.

3）經(jīng)過(guò)各方案對(duì)比，最后得出方案4為煙氣脫硝反應(yīng)器的最優(yōu)方案，通過(guò)改善煙道彎頭結(jié)構(gòu)，結(jié)合合理的導(dǎo)流板間距獲得催化劑層最佳的流場(chǎng)與氨濃度場(chǎng)分布均勻度，其進(jìn)入第1層催化劑層處的速度、氨濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.86%和4.92%，符合設(shè)計(jì)要求.從該方案中獲得的脫硝反應(yīng)器內(nèi)合理的煙氣流速與催化劑濃度分布，可為脫硝反應(yīng)器的最佳運(yùn)行提供借鑒，同時(shí)，方案4提出的導(dǎo)流板布置方案對(duì)脫硝反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值.

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