600 MW 燃煤鍋爐SCR 系統(tǒng)煙道導(dǎo)流板設(shè)計

王為術(shù)，上官閃閃，路 統(tǒng)，楊智峰，鄭春雄，陳 剛

(1．華北水利水電大學(xué) 熱能工程研究中心，河南 鄭州450011;2．大唐安陽發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 安陽455004;3．深圳粵能環(huán)保再生能源有限公司，廣東 深圳518111)

0 引言

火電廠燃煤產(chǎn)生的氮氧化物造成大氣污染的問題日益嚴重，燃煤電站超凈排放NOx最新標準要求低于50 mg/Nm3，控制NOx排放已成為當前電力行業(yè)發(fā)展的重要工作環(huán)節(jié)［1-2］． 為適應(yīng)日益嚴格的氮排放標準，選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術(shù)已成為大型燃煤機組煙氣脫硝的主要選擇．脫硝效率和氨逃逸率是衡量SCR 脫硝系統(tǒng)性能的兩大指標，在SCR 系統(tǒng)設(shè)計完成而且選定催化劑的前提下，SCR 系統(tǒng)煙道內(nèi)的均流特性將是影響脫硝效率和氨逃逸率的重要因素． 因此，在SCR 脫硝煙道內(nèi)加裝導(dǎo)流板，成為保證煙氣分布均勻的主要方式［3］． 毛劍宏等［4-5］通過數(shù)值模擬和冷態(tài)試驗的方法對SCR 脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)流場分布進行研究，并對其進行優(yōu)化． 楊超等［6］針對600 MW 機組3 種方案SCR 脫硝系統(tǒng)流動進行數(shù)值模擬，為導(dǎo)流板的設(shè)計和合理配置提供參考依據(jù)．賈興豪等［7］通過在彎管內(nèi)部加裝不同形式的導(dǎo)流板，模擬彎管內(nèi)流體流動特性，證明在彎管內(nèi)部加裝不同形式的導(dǎo)流板，模擬彎管內(nèi)流體流動特性，證明加裝導(dǎo)流板能顯著改善彎管內(nèi)流體流動．張彥軍等［8］則通過對SCR 入口煙道的模擬計算，指出SCR 入口煙道的設(shè)計布置以及導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響其工作的關(guān)鍵因素． 雷達等［9］對布置有導(dǎo)流板的SCR 煙道流場進行研究，分析了不同導(dǎo)流方案對SCR 系統(tǒng)運行的影響． 筆者基于FLUENT 6．3 軟件，針對某電廠600 MW SCR 煙道流場均化導(dǎo)流方案優(yōu)化設(shè)計進行數(shù)值試驗研究，對工程技術(shù)改造提供參考．

1 數(shù)值模型

1．1 研究對象

研究對象為某電廠燃煤機組的SCR 脫硝系統(tǒng)，每臺機組布置兩臺SCR 反應(yīng)器，采用高塵區(qū)布置，布置在鍋爐省煤器煙道和空氣預(yù)熱器之間．選取省煤器出口到空預(yù)器入口前煙道系統(tǒng)作為模擬對象，由于兩臺反應(yīng)器布置結(jié)構(gòu)對稱，選取一個模擬研究．以100%工況為模擬工況．

1．2 三維幾何模型

三維幾何模型和實際SCR 系統(tǒng)按1∶1 尺寸構(gòu)建．根據(jù)系統(tǒng)實際情況，在建模和模擬中做出簡化如下:將煙氣視為不可壓縮牛頓流體;假設(shè)煙氣入口速度均勻;氨噴射以垂直面射流近似模擬;穩(wěn)流裝置和催化劑層簡化為均勻多孔結(jié)構(gòu);多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)流體壓降采用多孔介質(zhì)模型模擬．

利用GAMBIT 軟件對SCR 系統(tǒng)進行三維建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖1 所示． 應(yīng)用結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格技術(shù)，對管屏與導(dǎo)流板處進行局部加密，在計算過程中通過逐步細化網(wǎng)格得到近似網(wǎng)格無關(guān)解，網(wǎng)格總數(shù)為400 萬．

圖1 SCR 系統(tǒng)網(wǎng)格示意Fig．1 Grid of SCR system

1．3 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

模擬中的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及組分守恒方程可用一個通用微分方程表示為

式中:φ 是通用變量;Γ 是擴散系數(shù);S 是源項． 方程中4 項依次是非穩(wěn)態(tài)項、對流項、擴散項和源項．

多孔介質(zhì)的動量方程具有附加的動量源項．源項由兩部分組成，一部分是黏性損失項(Darcy);另一部分是內(nèi)部損失項，如下式所示．

2 計算結(jié)果與分析

2．1 無導(dǎo)流板時SCR 系統(tǒng)計算結(jié)果

圖2 為無導(dǎo)流板時SCR 系統(tǒng)內(nèi)的速度分布．SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度流線如圖2(a)所示，由于SCR系統(tǒng)煙道截面變化劇烈，而煙氣在寬度方向發(fā)展有限，導(dǎo)致煙氣在擴展面速度分布不均;在彎頭處因離心作用出現(xiàn)低速區(qū)域，而且由于慣性，煙氣無法充滿彎頭整個區(qū)域． 煙氣進入噴氨區(qū)域和反應(yīng)器區(qū)域時，速度分布不均加劇，區(qū)域內(nèi)流體充滿度很差，在催化劑層有效的體積只有近70%． 利用效率低，嚴重影響SCR 系統(tǒng)的脫硝效率．此外，在系統(tǒng)尾部煙道處，煙氣流態(tài)依然紊亂，會影響下游空氣預(yù)熱器的工作效率．

式中:Si是i 向(x，y 或者z)動量源項;D 和C 是規(guī)定的矩陣．在多孔介質(zhì)單元中，動量損失對于壓力梯度有貢獻，壓降和流體速度成比例．

煙氣的流動采用RNG k-ε 雙方程模型來模擬，采用一階迎風(fēng)差分格式，隱式算法求解;選用SIMPLE 算法對壓力速度進行耦合;同時采用壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)域，應(yīng)用組分輸運模型來模擬各組分的混合，計算采用低松弛迭代的變松弛系數(shù)法．模型進口采用速度入口條件，入口流場為斷面平均流速，模擬機組BMCR 工況;出口為自由出流．

為使煙道內(nèi)的流場分布均勻，首先對無導(dǎo)流方案進行數(shù)值模擬，再根據(jù)模擬結(jié)果對導(dǎo)流板進行優(yōu)化設(shè)計，先通過局部模擬得到該處導(dǎo)流板的安裝位置、數(shù)量和形狀，設(shè)計出兩套導(dǎo)流方案，再通過整體模擬得到系統(tǒng)的流場分布．

圖2 無導(dǎo)流板時SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布Fig．2 Velocitydistributionof SCR system without splitters

由圖2(b)可見，在入口的大小頭的上部出現(xiàn)高速區(qū)，速度達20 m/s 左右，在彎頭處由于出現(xiàn)大范圍的低速區(qū)，彎頭內(nèi)側(cè)速度高，且在25 m/s以上，外側(cè)低速區(qū)內(nèi)煙氣速度只有5 m/s 左右;進入豎直煙道后速度仍然分布不均，如圖2(c)所示，近鍋爐側(cè)速度較低，只有1 m/s，近脫硝側(cè)速度則高達16 m/s，這對氨氮的混合十分不利;當煙氣到達反應(yīng)器入口處時，速度分布如圖2(d)所示，反應(yīng)器入口處最大速度為16 m/s，最小速度為11 m/s，速度偏差高達31．25%，這會導(dǎo)致進入反應(yīng)器區(qū)域的煙氣分布不均，降低催化劑利用率，且過高的流速進入反應(yīng)器區(qū)域會降低煙氣與催化劑的接觸時間，影響反應(yīng)效果，進而造成脫硝效率較低和氨逃逸較大．

2．2 導(dǎo)流優(yōu)化方案設(shè)計

根據(jù)無導(dǎo)流板時系統(tǒng)內(nèi)煙氣速度分布不均的結(jié)果，對系統(tǒng)內(nèi)做導(dǎo)流優(yōu)化設(shè)計．先通過局部模擬得到該處導(dǎo)流板的安裝位置、數(shù)量和形狀，再將局部導(dǎo)流設(shè)計整合得到兩種導(dǎo)流優(yōu)化方案，如圖3所示．由于入口大小頭處寬度方向單向擴充段角度為36°，高度方向單向減縮角度為20°，因此方案一在此處分別設(shè)計一排橫向和一排縱向的導(dǎo)流板，方案二則設(shè)計兩排縱向?qū)Я靼?彎頭處導(dǎo)流板均采用變間隔布置，方案二加裝了延伸導(dǎo)流段．

圖3 導(dǎo)流優(yōu)化方案Fig．3 The optimizing schemes of flow guidance

2．3 導(dǎo)流優(yōu)化方案模擬與分析

方案一優(yōu)化后SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布如圖4所示，經(jīng)方案一導(dǎo)流板優(yōu)化后，由于導(dǎo)流板的作用，SCR 系統(tǒng)內(nèi)流體充滿度得到較大改善，在反應(yīng)器區(qū)域內(nèi)，煙氣基本充滿反應(yīng)器空間，煙道彎頭處依然存在低速區(qū)域，尤其在SCR 系統(tǒng)尾部煙道內(nèi)，速度分布嚴重不均．在入口大小頭處分別設(shè)計一排橫向?qū)Я靼搴鸵慌趴v向?qū)Я靼宓姆桨刚餍Ч幻黠@，煙道兩側(cè)仍有10 m/s 左右的速度差;由此導(dǎo)致煙氣在AIG 下游處速度分布不均，最大速度為19 m/s，最小速度只有4 m/s;反應(yīng)器入口處的速度偏差為30%． 由此可見，由于寬度方向的擴充對下游煙道的影響較大，若擴充段速度分配不均，將會對下游煙氣分布產(chǎn)生影響，導(dǎo)致機組脫硝效率降低．

方案二優(yōu)化后SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布如圖5所示，導(dǎo)流優(yōu)化方案二加入后，SCR 系統(tǒng)內(nèi)流場得到明顯改善，煙氣充滿整個反應(yīng)器空間;彎頭處煙氣分布均勻，已無明顯低速區(qū)，煙氣速度在10 m/s 左右．入口大小頭處設(shè)計兩排縱向?qū)Я靼逭餍Ч黠@，速度分布均勻，煙氣流速均在15 m/s 左右;煙氣在AIG 下游處速度分布依然保持均勻，速度偏差為15%;在反應(yīng)器入口處的速度偏差則降為13%． 此外，由于彎頭處的導(dǎo)流板都加裝了延伸導(dǎo)流段，在SCR 系統(tǒng)尾部煙道內(nèi)速度分布依然均勻，從而減小了對下游機組的影響．由此可見．方案二整流優(yōu)化效果明顯高于方案一．

圖4 方案一優(yōu)化后SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布Fig．4 Velocity distribution of optimized SCR system with first scheme

圖5 方案二優(yōu)化后SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布Fig．5 Velocity distribution of optimized SCR system with second scheme

3 結(jié)論

(1)在SCR 系統(tǒng)無導(dǎo)流裝置時，系統(tǒng)內(nèi)煙氣充滿度很差，煙道內(nèi)速度場分布嚴重不均，嚴重影響SCR 系統(tǒng)的運行效率．

(2)采用導(dǎo)流板能有效改變煙道內(nèi)煙氣流動結(jié)構(gòu)，以達到設(shè)計要求;SCR 系統(tǒng)煙道加裝導(dǎo)流板可降低AIG 下游截面和反應(yīng)器入口的速度偏差，改善AIG 下游氨氮混合和反應(yīng)器內(nèi)煙氣速度的均勻性．

(3)系統(tǒng)入口大小頭處應(yīng)從對下游煙氣分布影響較大的方面進行整流優(yōu)化，方案二的設(shè)計，不僅改善了煙氣在大小頭處的速度分布，還對下游AIG 處的氨氮混合和反應(yīng)器的穩(wěn)定高效運行提供了保證．

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