燃煤電廠SCR 煙氣脫硝裝置的冷模實(shí)驗(yàn)和CFD 數(shù)值計(jì)算研究

朱文斌 魏宇 上海電氣石川島電站環(huán)保工程有限公司（201602）

朱文斌 （1973年～），男，碩士，工程師，主要從事燃煤電站環(huán)保工程的設(shè)計(jì)工作。

0 前言

SCR反應(yīng)器是整個(gè)脫硝系統(tǒng)的核心，而在催化劑層之前的煙氣流速和氨濃度分布是否均勻?qū)⒅苯佑绊懴到y(tǒng)的整體性能。通常在設(shè)計(jì)SCR反應(yīng)器及煙道系統(tǒng)時(shí)，均進(jìn)行FMT和CFD數(shù)值計(jì)算研究，以取得煙道布置、噴氨格柵、氨/煙氣混合器、整流器、煙氣導(dǎo)向裝置等機(jī)械部件的流場設(shè)計(jì)方面有關(guān)的具體理論依據(jù)和模擬仿真結(jié)果。

準(zhǔn)確的和有效的FMT和CFD數(shù)值計(jì)算研究，將提供上述部件的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，并最大限度的發(fā)揮催化劑的效力，減少系統(tǒng)阻力，避免系統(tǒng)積灰，延長系統(tǒng)催化劑壽命。

1 冷模實(shí)驗(yàn)

1.1 相似和?；瘻?zhǔn)則

當(dāng)進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，很重要的一點(diǎn)就是要考慮流體力學(xué)的相似和?；瘻?zhǔn)則。任何某一特定原型的按比例?；蟮哪Ｐ停浣Y(jié)論如果能夠精確預(yù)測其原型的制約條件，那么它才是有用的。也就是說模型同實(shí)物之間應(yīng)滿足幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似。

由流體力學(xué)控制方程，即N-S (Navier-Stokes)方程，可以推導(dǎo)出一組無量綱方程，當(dāng)邊界條件和初始條件相似時(shí)，可得出與縮放幾何尺度大小無關(guān)的相似結(jié)論。

對流體密度ρ恒定不變的不可壓縮流體，在應(yīng)力形式的N-S方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出無量綱形式的N-S方程為

相應(yīng)的相似準(zhǔn)則數(shù)有：

式中，Sr為斯特勞哈爾數(shù)，它是非定常流動所需滿足的相似準(zhǔn)則，其物理意義表示遷移加速度慣性力與局部加速度慣性力之比。對于該項(xiàng)目，我們將研究穩(wěn)態(tài)情況下的工況。

另外兩個(gè)無量綱數(shù)就是大家熟知的雷諾數(shù)Re和弗勞德數(shù)Fr。弗勞德數(shù)Fr為重力相似準(zhǔn)則，其物理意義表示慣性力與重力之比。雷諾數(shù)Re是粘性相似準(zhǔn)則，其物理意義為慣性力與粘性力之比。這一分析保證，如果原型與模型的雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)相等，那么原型和模型的無量綱速度場也將是相同的。對于煙氣系統(tǒng)流場問題，最為重要的是雷諾數(shù)相等。

當(dāng)雷諾數(shù)大于8 000，可應(yīng)用高雷諾數(shù)相似理論而無須滿足雷諾數(shù)相等的條件。這就是說，在高雷諾數(shù)下，流體幾乎全部處于湍流區(qū)，粘性的影響僅限于近壁邊界層。這個(gè)邊界層厚度隨雷諾數(shù)的增高幾乎趨向一個(gè)固定值，因此在高雷諾數(shù)條件下，雷諾數(shù)不會影響紊流核心區(qū)的流場分布。這種流動的特性稱為自模化狀態(tài)，在此區(qū)域中，由于阻力系數(shù)幾乎不受Re數(shù)大小的影響，模型中的Re數(shù)不必與實(shí)物中的相等，只要與實(shí)物處于同一自模化區(qū)就能自動保證流動相似。

對于煙道中的阻力可采用如下阻力計(jì)算公式：

則從模型到原型的阻力縮放公式為：

1.2 物理模型

模型的搭建嚴(yán)格按照尺寸相似的要求，包括整個(gè)裝置煙道、反應(yīng)器、注氨格柵（AIG）、氨/煙氣混合器、導(dǎo)向葉片和整流器等。

如圖1，反應(yīng)器物理模型是用有機(jī)玻璃制作，帶有金屬支架，連通管道用鍍鋅板制作。整個(gè)裝置采用1：12幾何相似比例制作。模型入口安裝一臺離心風(fēng)機(jī)，以將環(huán)境中的空氣鼓入到物理模型中。模型中設(shè)置了一個(gè)與AIG幾何相似的示蹤氣體注入格柵，它包括9個(gè)獨(dú)立的可調(diào)節(jié)的控制區(qū)域。一氧化碳被用作示蹤氣體。

圖1 300MW SCR物理流動模型

1.3 實(shí)驗(yàn)要求

模型研究主要包括對以下參數(shù)的測量：壓損、不同位置的流速、氨濃度分布，包括在AIG處、在第一層催化劑表面。參數(shù)的測量按幾個(gè)設(shè)定的設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行。模型研究的目標(biāo)包括：

(1)使在第一層催化劑表面的煙氣速度分布最優(yōu)化；

(2)使在第一層催化劑表面的煙氣中氨氣濃度分布最優(yōu)化；

(3)不同部位積灰的研究；

(4)盡可能將系統(tǒng)壓損減小到最低。

1.4 實(shí)際參數(shù)

圖2 300MW SCR裝置

如圖2，本項(xiàng)目的模型從進(jìn)口到出口，流體為從左向右流動。圖中只顯示了一個(gè)反應(yīng)器的外形，本項(xiàng)目每臺爐共有兩個(gè)反應(yīng)器，以鍋爐中心線為對稱。煙氣從鍋爐省煤器流出后，進(jìn)入一段直的水平煙道直至注氨格柵（AIG）。然后煙氣經(jīng)過內(nèi)部混合器，使得注入的氨氣和煙氣充分均勻混合。煙氣然后垂直向上流動，經(jīng)過一個(gè)不對稱的擴(kuò)張段，再垂直向下進(jìn)入反應(yīng)器床層之前再次轉(zhuǎn)為水平流動。反應(yīng)器采用的是2+1的形式，即2個(gè)安裝好的和一個(gè)預(yù)留的觸媒層，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2。

表1 SCR裝置入口煙氣參數(shù)

表2 SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)

1.5 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)在100%負(fù)荷的條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)至少應(yīng)在彎頭或障礙物的2～3倍的當(dāng)量管徑下游位置，以避免其所產(chǎn)生的不規(guī)則流動。實(shí)驗(yàn)時(shí)參數(shù)的測定采用網(wǎng)格測點(diǎn)法。

圖3表示SCR導(dǎo)流板和導(dǎo)向葉片參考位置。

圖3 導(dǎo)流板和導(dǎo)向葉片參考位置

粉塵模擬和可視化的實(shí)現(xiàn)采用面粉。這一實(shí)驗(yàn)，有助于顯示流型和幫助優(yōu)化設(shè)置導(dǎo)流板及葉片，此外還可以預(yù)測可能的積灰區(qū)域。

2 CFD計(jì)算

2.1 建立模型

對于每個(gè)需要模擬的算例，可在Gambit中繪制一個(gè)三維的模型，如圖4所示。將其轉(zhuǎn)化為Fluent可讀的計(jì)算用流體網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖4 SCR裝置的Gambit模型

圖5 計(jì)算用網(wǎng)格樣圖

一般煙道中的導(dǎo)向葉片厚度僅為6mm左右，和煙道外形尺寸相比很小，在計(jì)算中可以忽略其厚度。只作為剛性表面處理，有一定的邊界層，這樣，在Gambit中就可以很容易地生成六面體網(wǎng)格，提高計(jì)算的收斂速度和準(zhǔn)確性。本項(xiàng)目最終的計(jì)算網(wǎng)格在2×106個(gè)左右，F(xiàn)LUENT在所有控制體積內(nèi)均對控制方程進(jìn)行積分計(jì)算，直到守衡。SIMPLE算法對所有用于積分計(jì)算的變量采用中心差分格式，各相關(guān)變量的收斂誤差為10-3。

2.2 輸入邊界條件

另外，準(zhǔn)確將原型的必要參數(shù)輸入到FLUENT中，是獲得準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果的先決條件，即需要確定計(jì)算模型的邊界條件。為了便于計(jì)算輸入，將計(jì)算涉及到的主要數(shù)據(jù)整理并列于表3。

表3 反應(yīng)器中整流器相關(guān)數(shù)據(jù)

表4 反應(yīng)器煙道相關(guān)數(shù)據(jù)

表5 反應(yīng)器觸媒相關(guān)數(shù)據(jù)

從表3～表5中，我們可以看到在整個(gè)系統(tǒng)中，煙道和反應(yīng)器煙道中煙氣的雷諾數(shù)在105~106數(shù)量級，滿足自模化條件。整流器中煙氣流動的雷諾數(shù)等于4 447，在計(jì)算中選擇紊流和慣性損失項(xiàng)。兩層催化劑床層中煙氣流動的雷諾數(shù)為775，在計(jì)算中選擇層流和粘性損失項(xiàng)。

2.3 不同方案的研究

為了尋找最佳方案，筆者在CFD中分別計(jì)算了不同的煙道設(shè)置結(jié)構(gòu)。以下是完成的實(shí)驗(yàn)方案。

方案1：即1#、2#點(diǎn)處不設(shè)導(dǎo)向葉片，3#點(diǎn)處設(shè)5片導(dǎo)向葉片，3#點(diǎn)處設(shè)7片導(dǎo)向葉片。

方案2：在方案1的基礎(chǔ)之上，1#點(diǎn)位置，設(shè)置3個(gè)導(dǎo)向葉片；2#點(diǎn)位置，設(shè)置5個(gè)擴(kuò)散導(dǎo)向葉片。

方案3：1#點(diǎn)位置，設(shè)置5個(gè)導(dǎo)向葉片；2#點(diǎn)位置，設(shè)置7個(gè)擴(kuò)散導(dǎo)向葉片，3#點(diǎn)處設(shè)5片導(dǎo)向葉片，4#點(diǎn)處設(shè)11片導(dǎo)向葉片（此方案被確定為最終優(yōu)化方案）。

圖6 第一層催化劑表面計(jì)算流速分布 (方案1)

圖7 SCR裝置CFD計(jì)算流速分布 (方案2)

圖9 SCR裝置計(jì)算各斷面流速分布 (方案3)

圖10 第一層催化劑表面實(shí)驗(yàn)流速分布 (方案3)

圖11 第一層催化劑表面CFD流速分布 (方案3)

圖12 第一層催化劑表面實(shí)驗(yàn)氣體分布 (方案3)

表6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 (方案3)

3 SCR工藝設(shè)計(jì)計(jì)算中的要點(diǎn)

3.1 SCR脫硝裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在裝置設(shè)計(jì)中充分考慮煙氣流道的合理性，嚴(yán)格按照DL/T5121-2000《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)，盡量少采用異形件，如不可避免，異形件應(yīng)根據(jù)布置條件選擇最佳形狀，使介質(zhì)流過這些異形件時(shí)局部阻力為最小。

注氨格柵（AIG）的設(shè)置盡可能離反應(yīng)器遠(yuǎn)一點(diǎn)，以使注入的氨氣和煙氣有充分的混合時(shí)間，在流入SCR催化劑層之前其均勻性較好。

在注氨格柵（AIG）之后布置有氨煙氣混合器，需要合理選擇設(shè)計(jì)。

在反應(yīng)器第一層SCR催化劑層之前2m左右，布置有煙氣整流器和防集灰裝置，可以很好地對煙氣進(jìn)行導(dǎo)流和混合。

在煙道的各個(gè)彎頭處需考慮合理設(shè)置導(dǎo)向葉片；在直段變徑處需設(shè)置導(dǎo)向板，以均勻流場、減少系統(tǒng)阻力和防止積灰。

3.2 SCR煙道系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在大型電站鍋爐的煙風(fēng)道系統(tǒng)中，一般很難采用緩轉(zhuǎn)彎頭，而且b遠(yuǎn)大于R，R為轉(zhuǎn)彎半徑，b為入口煙道寬度。在實(shí)際工程中通常取rw=rn=600～800mm，以方便制作和安裝，提高裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

如果不是萬不得已，盡量不要采用外削角急轉(zhuǎn)彎頭，因?yàn)檫@種彎頭增加了較大的系統(tǒng)阻力，而且流速分布極為不均，即使增加了導(dǎo)向葉片使流場分布得到改善，但系統(tǒng)的阻力反而更大了。

裝設(shè)導(dǎo)向葉片或?qū)Я靼鍟r(shí)，進(jìn)口前氣流應(yīng)均勻，否則應(yīng)有一定的直管段。但是在實(shí)際的脫硝裝置煙道布置中，因?yàn)椴贾玫脑?，?jīng)常在變徑后就緊跟著彎頭。所以在彎頭處宜裝設(shè)導(dǎo)向葉片，同時(shí)變徑處也需裝設(shè)導(dǎo)向板，同時(shí)考慮在變徑煙道段后面留有一定的直段。

在省煤器的底部一般均設(shè)置了灰斗，在此處煙氣的流速較低一般在6 m/s左右，且有一個(gè)急轉(zhuǎn)彎，便于飛灰的收集。在此之后一直到反應(yīng)器煙道，煙氣流速一般在15～20 m/s，飛灰不易堆積，故在這段煙道的拐彎處不再設(shè)置灰斗。經(jīng)項(xiàng)目物理模型驗(yàn)證，這個(gè)判斷是正確的，另外，多個(gè)實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目在停爐檢修時(shí)也證實(shí)在省煤器灰斗之后的煙道拐彎處確實(shí)沒有積灰。

導(dǎo)向葉片的設(shè)置，關(guān)系到系統(tǒng)阻力和流場均勻性，同時(shí)也涉及到制作成本。一般隨著導(dǎo)向葉片數(shù)量的增加，系統(tǒng)阻力將增加，但增加一定的數(shù)量后系統(tǒng)阻力則趨于下降；而流速分布則隨著導(dǎo)向葉片的增加趨于均勻。此時(shí)需要根據(jù)系統(tǒng)阻力、流速分布和經(jīng)濟(jì)性來進(jìn)行分析比較。

導(dǎo)向葉片一般均采用圓弧板，前后加直段構(gòu)成，其模擬時(shí)效果相對較好，流場較為均勻。

3.3 FMT仿真的注意要點(diǎn)

近年來，隨著國內(nèi)環(huán)境保護(hù)力度的加大，大量在建和在運(yùn)火力發(fā)電機(jī)組均設(shè)置了SCR煙氣脫硝裝置，SCR反應(yīng)器FMT仿真及CFD計(jì)算的工作也已大量開展，并為各系統(tǒng)供應(yīng)商和科研院校所重視。但是這項(xiàng)工作專業(yè)性較強(qiáng)，可供借鑒的資料少，而且國外有經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商不會將詳細(xì)的SCR反應(yīng)器FMT仿真及CFD計(jì)算過程和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行詳細(xì)說明，一般只給出結(jié)果。

以下總結(jié)了一些需要注意的要點(diǎn)：

(1)冷模裝置的搭建，需要考慮完整性，一般均需要將省煤器煙道、進(jìn)入空氣預(yù)熱器煙道全部做好，以利于進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置的鼓入空氣有一個(gè)較為均勻的初始速度；

(2)噴氨格柵在實(shí)際操作中無法做到同比例縮小，可盡量在模型中設(shè)置分配裝置，做到噴出的示蹤氣體較為均勻；

(3)在實(shí)驗(yàn)之前，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，得到在原型煙氣條件下整流器層和催化劑層的阻力大小，可計(jì)算出在模型空氣條件下它們的阻力大小，以確定模型中阻力件的選擇。一般取原型和模型中流體速度相同，每一層催化劑層的實(shí)際阻力為200Pa，則模型中的催化劑層的模擬阻力為120Pa，因?yàn)榇呋瘎又辛黧w流動為層流，應(yīng)用多孔介質(zhì)模型，阻力與速度V及動力粘度μ成正比。

3.4 CFD計(jì)算過程中的注意要點(diǎn)

(1)盡量生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，即六面體網(wǎng)格，以利于計(jì)算的速度和快速收斂；

(2)通?？珊雎許CR反應(yīng)器中化學(xué)反應(yīng)的熱量和裝置對外的散熱量，可不選能量方程，從而可提高計(jì)算速度；

(3)導(dǎo)向板的網(wǎng)格劃分難度較大，因?yàn)槠渫瑹煹莱叽缦啾群穸瓤珊雎裕@樣可在彎頭處生成六面體網(wǎng)格；

(4)整流器層和催化劑層的網(wǎng)格劃分和模擬較困難，應(yīng)采用FLUENT中自帶的多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬。先計(jì)算它們中流體流動的雷諾數(shù)Re，以確定流動是層流還是湍流。再根據(jù)預(yù)先知道的原型阻力計(jì)算滲透性相關(guān)系數(shù)α和慣性阻力系數(shù)C2，并在FLUENT的Fluid界面中選擇填入；

(5)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)通常采用環(huán)境空氣作為流動介質(zhì)，和煙氣的物理特性存在一定的差異，在CFD計(jì)算中需要進(jìn)行換算和修正。在SCR反應(yīng)器和前后煙道中，煙氣流動處于湍流狀態(tài)，可以應(yīng)用式5、式6進(jìn)行阻力計(jì)算，以匹配原型和模型間的阻力數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

在SCR裝置的設(shè)計(jì)中需要考慮合理地布置煙道、反應(yīng)器、注氨格柵（AIG）、氨煙氣混合器、導(dǎo)向葉片、整流器等。

SCR裝置的FMT及CFD仿真核心就是確保注入氨氣與煙氣的均勻混合及在第一層催化劑前方斷面處的流速分布均勻。燃煤電站中的SCR裝置其布置型式和系統(tǒng)組成均相類似。所以，在SCR裝置的工藝設(shè)計(jì)時(shí)針對不同的異形件，按照技術(shù)規(guī)程和已驗(yàn)證項(xiàng)目設(shè)置導(dǎo)流板和導(dǎo)流葉片，基本可以滿足新項(xiàng)目脫硝系統(tǒng)流場的要求。

需要注意的是，CFD計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)之間有所不同，CFD計(jì)算結(jié)果一般將更為保守。所以，筆者認(rèn)為積累一定經(jīng)驗(yàn)后，新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)可只進(jìn)行CFD計(jì)算，以便對導(dǎo)流板和導(dǎo)流葉片的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

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[4]DLT 5121-2000，火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程，電力工業(yè)出版社.

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[7]FLUENT User’s Guide[Z]. 2001,6 (1).