SCR脫硝系統(tǒng)不均勻噴氨方案的數(shù)值模擬研究

吳學(xué)智，聶會建，鞠付棟，孫永斌

(中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京 100120)

0 引言

選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)法是目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的一種大型燃煤電廠煙氣脫硝技術(shù)［1］。其中，良好的NH3/NOx混合和速度分布的均勻性是保證SCR脫硝效率、降低氨逃逸率、增加催化劑壽命的關(guān)鍵。通過計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法，采取導(dǎo)流裝置等內(nèi)構(gòu)件保證煙氣在反應(yīng)器中流動和混合的均勻性，實現(xiàn)較高的脫硝效率，已成為SCR系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的重要手段［2－6］。不設(shè)混合器的 SCR方案中，噴氨格柵(Ammonia Injection Grid，AIG)的設(shè)計格外重要。AIG的噴氨方式有均勻噴氨和分組調(diào)節(jié)的不均勻噴氨兩種方案。在AIG不均勻噴氨方案中，AIG噴氨的調(diào)節(jié)量是CFD模擬的重要環(huán)節(jié)，也是難點之一［7，8］。本文將迭代法引入 AIG 噴氨調(diào)節(jié)量的數(shù)值計算中，對河北某電廠脫硝改造工程SCR系統(tǒng)進行模擬優(yōu)化，以期對類似工程的脫硝改造設(shè)計提供參考。

1 研究對象

模擬對象為某600MW超臨界一次中間再熱燃煤鍋爐的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)。SCR反應(yīng)器布置在省煤器和空預(yù)器之間的高含塵區(qū)域。每臺鍋爐的SCR系統(tǒng)由兩套對稱的SCR脫硝反應(yīng)器及相應(yīng)的管路煙道系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)對稱性條件，可對1臺鍋爐的1套SCR裝置進行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的邊界為省煤器入口到空預(yù)器入口。

數(shù)值模擬的目標(biāo)［9］為:通過優(yōu)化導(dǎo)流板、整流格柵等內(nèi)構(gòu)件的型式和AIG的噴氨量，使得第一層催化劑上方0.5m處截面:

(1)速度偏差系數(shù)不大于15%;

(2)NH3濃度偏差系數(shù)不大于5%;

(3)速度和鉛垂線夾角平均值小于10°。

本文針對的是一600MW燃煤鍋爐SCR脫硝改造工程。從省煤器出口至第一個膨脹節(jié)前不屬于脫硝改造的設(shè)計范圍，因此在此段煙道無法加導(dǎo)流板使得流場均勻;第一個膨脹節(jié)之后到AIG的安裝位置之間，還存在一個突擴段;這兩個因素使得AIG前煙道即使加上導(dǎo)流板，也難以使得AIG處速度的偏差系數(shù)小于15%，應(yīng)用均勻噴氨方案無法達到模擬目標(biāo)。而利用AIG分組調(diào)節(jié)、不均勻噴氨方案，則可以省去擾流圓柱等內(nèi)構(gòu)件，既可達到模擬目標(biāo)同時又降低了SCR系統(tǒng)壓降。

2 數(shù)理模型

2.1 CFD 模型

以煙氣為流動介質(zhì)，設(shè)流動為定常、不可壓縮流動，以直角坐標(biāo)系下的N－S方程為基本控制方程［10］，如下:

連續(xù)性方程:▽g(ρvr=Sm)

SCR系統(tǒng)邊界條件的設(shè)置見表1。SCR反應(yīng)器出口為壓力邊界條件。煙氣的湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程模型。

控制方程的離散采用控制容積法，壓力－速度耦合采用SIMPLE算法，對流項差分格式采用二階迎風(fēng)格式。數(shù)值模擬采用Fluent軟件。

表1 SCR 系統(tǒng)數(shù)值模擬邊界條件

SCR系統(tǒng)模型網(wǎng)格除噴氨格柵附近用四面體網(wǎng)格外，其余區(qū)域皆為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。其中，噴氨格柵區(qū)域處網(wǎng)格加密，有利于獲得更準(zhǔn)確的計算結(jié)果，網(wǎng)格總數(shù)在370萬左右。

2.2 迭代法調(diào)節(jié)AIG噴氨量

第一步，利用導(dǎo)流板、整流格柵等內(nèi)構(gòu)件，使催化劑上方0.5m處速度偏差系數(shù)小于15%，實現(xiàn)SCR系統(tǒng)流動均勻性。導(dǎo)流板等內(nèi)構(gòu)件設(shè)置如圖1所示。從省煤器出口沿著煙氣方向設(shè)置了兩組導(dǎo)流板、噴氨格柵、兩組導(dǎo)流板和一組整流格柵。整流格柵下方SCR反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)3層催化劑。

圖1 SCR系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)件布置示意

第二步，對AIG噴氨量進行分組調(diào)節(jié)。本文將AIG的240個噴氨口分為30組，每組的8個噴氨口對應(yīng)一個閥門對噴氨量進行定量調(diào)節(jié)。在導(dǎo)流板等內(nèi)構(gòu)件的作用下，流動已趨于均勻，因此，催化劑上方0.5m截面也可以均分為30個小截面(i＇)和30組噴氨組(i)相對應(yīng)，如圖2所示。

圖2 噴氨口和催化劑上方0.5 m截面分組(俯視圖)

迭代法進行噴氨量調(diào)節(jié)的流程如圖3所示。

先根據(jù)總噴氨量和噴氨口個數(shù)計算出每個噴氨口的平均噴氨量v0，并賦給每個噴氨口作為初值，CFD數(shù)值計算后得出小截面i＇與催化劑上方0.5m截面的平均氨濃度的相對偏差λ1i，用相對偏差λ1i對i組的噴氨量進行修正(v1)，其他邊界條件不變重新進行CFD計算，然后再次計算小截面i＇與催化劑上方0.5m截面的平均氨濃度的相對偏差λ2i，如此迭代計算，直到催化劑上方0.5m截面的氨濃度偏差系數(shù)小于5%為止。

圖3 迭代法調(diào)節(jié)噴氨量流程

3 計算結(jié)果與分析

3.1 速度場優(yōu)化

設(shè)置導(dǎo)流板和整流格柵后的SCR系統(tǒng)和不設(shè)內(nèi)構(gòu)件的空塔流場的對比如圖4～6所示。其中，圖4為SCR系統(tǒng)速度立面云圖?？梢钥闯觯诓辉O(shè)導(dǎo)流板和整流格柵的情況下，空塔流場多處出現(xiàn)旋渦流動，流動很不均勻。而導(dǎo)流板等內(nèi)構(gòu)件的設(shè)置使得SCR系統(tǒng)流動均勻性大大改善。

圖4 SCR系統(tǒng)速度立面云圖

圖5為空塔和設(shè)置內(nèi)構(gòu)件的SCR系統(tǒng)催化劑上方0.5m截面速度云圖。圖中可見，在不設(shè)導(dǎo)流板和整流格柵的情況下，第一層催化劑上方0.5m平面的速度分布存在很大的不均勻性，速度偏差系數(shù)為22.2%，不符合SCR脫硝系統(tǒng)對于流場速度均勻性的要求。

圖6為空塔和設(shè)置內(nèi)構(gòu)件的SCR系統(tǒng)催化劑上方0.5m截面速度和鉛垂線夾角云圖。圖中可見，設(shè)置導(dǎo)流板等內(nèi)構(gòu)件后，催化劑上方0.5m截面的速度和鉛垂線夾角平均值小于10°，滿足SCR系統(tǒng)的要求。故導(dǎo)流板和整流格柵的設(shè)置是必要的。

圖5 催化劑上方0.5m截面速度云圖

圖6 催化劑上方0.5m截面速度和鉛垂線夾角云圖

3.2 不均勻噴氨方案濃度場優(yōu)化

圖7為空塔和設(shè)置內(nèi)構(gòu)件的SCR系統(tǒng)AIG截面速度分布云圖。可以看出，由于省煤器出口的漸縮煙道和上升煙道之前突擴段的存在，盡管設(shè)置了導(dǎo)流板使得流場均勻性改善，但AIG截面的速度偏差系數(shù)仍然大于20%。應(yīng)采用不均勻噴氨方案。

圖7 AIG截面速度云圖

首先計算均勻噴氨方案下的催化劑上方0.5m處30個小截面的氨濃度，然后按照圖3所示的流程依次迭代。催化劑上方0.5m截面氨濃度偏差系數(shù)的迭代計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 迭代法計算催化劑上方0.5m截面氨濃度偏差系數(shù)

從圖8中可見，在迭代2次之后，催化劑上方0.5 m截面氨濃度的偏差系數(shù)即小于5%，滿足SCR系統(tǒng)對于氨濃度分布的要求。而且隨著迭代次數(shù)的增加，氨濃度的偏差系數(shù)越來越小，最后可將催化劑上方0.5m截面氨濃度的偏差系數(shù)降低至3.7%左右。在迭代次數(shù)大于4之后，氨濃度偏差系數(shù)的降低幅度也隨著迭代次數(shù)增加而顯著減小。因此，一般迭代次數(shù)為3～4次即可。

通過計算催化劑上方0.5 m各小截面氨濃度和整個截面平均氨濃度的偏差，對相應(yīng)AIG各噴氨組的噴氨量進行類似于負反饋的補償作用，逐漸使得催化劑上方氨速度趨于均勻。同時，由于噴氨口噴出的氨氣/空氣混合氣的量和煙氣量相比很小，調(diào)節(jié)噴氨量后，催化劑上方的速度分布和均勻噴氨方案下的速度分布基本上沒有差別，仍然滿足SCR系統(tǒng)對于速度均勻性的要求。

如果要使用均勻噴氨方案，則不得不在AIG前設(shè)置更多的導(dǎo)流板或者擾流圓柱，使AIG截面速度偏差系數(shù)降至15%以下。對于河北某電廠脫硝改造工程而言，由于改造設(shè)計范圍的限制，AIG上游煙道已經(jīng)沒有太多空間加裝導(dǎo)流板;而如果加裝擾流圓柱，會增加40～50Pa的壓降，同時增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和工程造價。

在迭代5次后，催化劑上方0.5m截面速度和氨濃度分布均勻性指標(biāo)如表2所示?？梢姡ㄟ^內(nèi)構(gòu)件的合理設(shè)置和迭代法確定AIG不均勻噴氨量，催化劑上方0.5m截面速度和氨濃度均勻性指標(biāo)達到了數(shù)值模擬的優(yōu)化目標(biāo)(見第1節(jié))。

表2 催化劑上方0.5m截面速度和氨濃度分布指標(biāo)

4 結(jié)語

本文對一典型的600MW燃煤鍋爐脫硝改造工程SCR系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，并接迭代法計算了AIG噴氨調(diào)節(jié)量，結(jié)論如下:

(1)相比AIG均勻噴氨方案，調(diào)節(jié)噴氨量的不均勻噴氨方案可使催化劑上方氨濃度偏差系數(shù)小于5%，同時省去了擾流圓柱等一些內(nèi)構(gòu)件，有效地減小了壓降和系統(tǒng)復(fù)雜性。

(2)應(yīng)用迭代法進行噴氨調(diào)節(jié)量的計算，大大減小了SCR系統(tǒng)數(shù)值模擬嘗試計算的工作量，簡便易行，可得到滿足SCR系統(tǒng)要求的計算結(jié)果。

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