燃煤電廠聯(lián)合脫硝SCR系統(tǒng)流場(chǎng)模擬研究和實(shí)踐

朱晨曦，李葦林，鄭迎九，沈煜暉，楊彭飛

（1.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015；2.中國(guó)華電工程（集團(tuán)）有限公司，北京 100160）

燃煤電廠聯(lián)合脫硝SCR系統(tǒng)流場(chǎng)模擬研究和實(shí)踐

朱晨曦1，李葦林2，鄭迎九1，沈煜暉2，楊彭飛2

（1.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015；2.中國(guó)華電工程（集團(tuán)）有限公司，北京 100160）

針對(duì)聯(lián)合脫硝選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)流體流動(dòng)特性研究，借助數(shù)值模擬和物理冷態(tài)模型試驗(yàn)，計(jì)算和驗(yàn)證不同工況條件下SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣流場(chǎng)、速度、溫度的分布和壓力損失。流場(chǎng)模擬研究成果指導(dǎo)SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使脫硝反應(yīng)器達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，為老機(jī)組煙氣脫硝改造提供借鑒。

燃煤電廠；聯(lián)合脫硝；選擇性催化還原；流體動(dòng)力學(xué)；模型冷態(tài)試驗(yàn)；流場(chǎng)；模擬研究

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)氮氧化物（NOx）排放的控制越來(lái)越嚴(yán)格，選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝作為主要的脫硝技術(shù)在燃煤電廠得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)成為SCR脫硝關(guān)鍵技術(shù)之一，通常在反應(yīng)器前煙道中布置導(dǎo)流板，而最佳的導(dǎo)流板布置方案需通過大量基礎(chǔ)試驗(yàn)獲得。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用高效、便捷的CFD軟件對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，可以為脫硝反應(yīng)器煙道導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供重要參數(shù)［3-4］，節(jié)約時(shí)間和試驗(yàn)成本。因此，很多學(xué)者對(duì)煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器前的流場(chǎng)及煙氣與氨氣混合的均勻性［5-7］進(jìn)行了研究。

目前，針對(duì)聯(lián)合脫硝SCR系統(tǒng)在省煤器下方直接布置催化劑（催化劑下即為灰斗，側(cè)面為煙道出口）這一方式鮮有人進(jìn)行研究，因此，本文利用ANSYS軟件包對(duì)聯(lián)合脫硝SCR系統(tǒng)流體流動(dòng)特性進(jìn)行研究，計(jì)算不同工況條件下系統(tǒng)內(nèi)煙氣流場(chǎng)、速度和壓力損失，通過數(shù)值模擬反復(fù)優(yōu)化導(dǎo)流葉片的形狀及位置。

根據(jù)相似性理論，通過1∶12物理冷態(tài)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。對(duì)物理冷態(tài)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在催化劑高度發(fā)生變化后進(jìn)行數(shù)值模擬校核，最終提出滿足現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)。

本文研究和實(shí)踐以某電廠＃5機(jī)組420 t／h鍋爐聯(lián)合脫硝SCR系統(tǒng)為依托。SCR反應(yīng)器不設(shè)噴氨格柵（AIG），SCR脫硝還原劑為聯(lián)合脫硝選擇性非催化還原法（SNCR）反應(yīng)裝置未反應(yīng)完的還原劑。SCR脫硝系統(tǒng)兩側(cè)結(jié)構(gòu)完全一致，故僅以單側(cè)為研究對(duì)象。CFD數(shù)值模擬和物理冷態(tài)模型試驗(yàn)以機(jī)組100%負(fù)荷、鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）為例。

1 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

SCR脫硝系統(tǒng)范圍從省煤器出口至空氣預(yù)熱器入口煙道，包含煙道、SCR入口導(dǎo)流裝置、吹灰裝置、煙道內(nèi)導(dǎo)流板、反應(yīng)器本體、催化劑、內(nèi)部件及測(cè)量裝置等。SCR反應(yīng)器置于鍋爐尾部豎井煙道內(nèi)，界于主省煤器與省煤器灰斗之間，高溫、高塵布置。設(shè)計(jì)一層板式催化劑，催化劑模塊采用“1／2+1／2”模式兩個(gè)半層上下疊放，催化劑總量107.2m3。

SCR設(shè)計(jì)脫硝效率55%，設(shè)計(jì)邊界條件：入口氮氧化物質(zhì)量濃度200.00mg／m3，出口氮氧化物質(zhì)量濃度90.00mg／m3，出口氨質(zhì)量濃度不大于2.28 mg／m3。

脫硝系統(tǒng)壓力損失在性能考核試驗(yàn)時(shí)不大于450Pa，催化劑初始?jí)毫p失為190Pa。

1.2 脫硝系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)

鍋爐BMCR工況時(shí)主省煤器出口煙氣參數(shù)，見表1。

2 CFD數(shù)值過程

2.1 CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）研究SCR反應(yīng)器及煙道煙氣流動(dòng)情況，確定SCR反應(yīng)器最佳布置方式，優(yōu)化煙道導(dǎo)向板設(shè)計(jì)并獲得均勻流場(chǎng)。

（2）優(yōu)化SCR入口導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)，增強(qiáng)SCR入口煙氣混合均勻性。

（3）檢驗(yàn)不同階段SCR脫硝系統(tǒng)的壓力損失，以獲得最小壓力損失值。

（4）優(yōu)化煙氣溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布。

2.2 CFD模型

CFD模擬研究對(duì)象是從省煤器出口至空氣預(yù)熱器入口的煙道系統(tǒng)，包含入口煙道、吹灰裝置、入口導(dǎo)流裝置、煙道內(nèi)導(dǎo)流板、脫硝反應(yīng)器及其內(nèi)部件等，如圖1所示。

圖1 SCR系統(tǒng)模型

2.3 計(jì)算模型

在進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)過程中，數(shù)學(xué)模型的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果起著至關(guān)重要的作用，此模擬對(duì)數(shù)學(xué)模型做出以下假設(shè)：（1）不考慮煙氣中灰分的影響；（2）不考慮流動(dòng)中的化學(xué)反應(yīng)及影響；（3）流動(dòng)是定常的；（4）流體物性參數(shù)為常數(shù)［8］。涉及的主要計(jì)算模型包括氣相湍流模型及組分輸運(yùn)模型等［9］。

2.4 模擬結(jié)果和分析

流體模型CFD方案是基于使系統(tǒng)壓力損失最小、導(dǎo)流板數(shù)目最少的原則，對(duì)煙道內(nèi)整流部件進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，通過對(duì)SCR裝置壓力損失性能、流場(chǎng)均勻性分布、流線豎直性等模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，完成優(yōu)化和方案設(shè)計(jì)。

2.4.1 流場(chǎng)特性

經(jīng)過反復(fù)的模擬和調(diào)整，獲得的最佳導(dǎo)流板布置方式和技術(shù)指標(biāo)如圖2所示。方案中，系統(tǒng)流線分布均勻，無(wú)明顯渦流，第1層催化劑來(lái)流速度與豎直方向夾角小于10°。

圖2 SCR系統(tǒng)流線分布

第1層催化劑入口優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面速度分布云圖如圖3所示。此截面速度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差7.0%，小于15.0%，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，表中x，z坐標(biāo)與云圖中坐標(biāo)系一致。

圖3 催化劑床層上0.5m速度云圖

表2 催化劑床層上0.5m速度 m／s

續(xù)表 m／s

2.4.2 SCR系統(tǒng)壓力損失

采用設(shè)計(jì)煤種，并考慮附加催化劑層后的阻力，脫硝系統(tǒng)整體壓力損失為440 Pa，小于450 Pa的設(shè)計(jì)要求。其系統(tǒng)各段壓力損失如圖4所示。

圖4 SCR系統(tǒng)壓損曲線

3 物理冷態(tài)模型試驗(yàn)

3.1 冷態(tài)模化原理

冷態(tài)試驗(yàn)是以相似原理為基礎(chǔ)的試驗(yàn)方法。在流動(dòng)相似原理的基礎(chǔ)上，按一定的原則把實(shí)物模型放大或縮小，選取合適的流動(dòng)介質(zhì)制成模型試驗(yàn)裝置。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的參數(shù)，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出模型試驗(yàn)的流體流動(dòng)規(guī)律，然后依據(jù)相似原理將這些結(jié)果推廣到與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨频母鞣N實(shí)際設(shè)備中去。

3.2 試驗(yàn)裝置

搭建1∶12物理冷態(tài)模型試驗(yàn)臺(tái)，其主要由引風(fēng)系統(tǒng)、螺旋式給料系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)本體、數(shù)據(jù)采集和測(cè)試系統(tǒng)及飛灰分離系統(tǒng)等組成。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

模型試驗(yàn)臺(tái)上模擬100%負(fù)荷、鍋爐BMCR時(shí)第1層催化劑來(lái)流速度分布，測(cè)試結(jié)果見表3。統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差14.6%，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

模型試驗(yàn)煙花示蹤如圖5所示，可見系統(tǒng)流線分布均勻，無(wú)明顯回流區(qū)域，第1層催化劑來(lái)流速度于豎直方向夾角小于10°，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 煙花示蹤照片

根據(jù)物理模型測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)量出20℃空氣介質(zhì)條件下的SCR裝置各截面流動(dòng)阻力特性分布結(jié)果（已折算實(shí)際工況），見表4。系統(tǒng)阻力約為438Pa（以1層催化劑約190Pa阻力計(jì)算），滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表4 不同測(cè)試截面全壓 Pa

4 驗(yàn)證和實(shí)踐

4.1 CFD校核驗(yàn)證

為確保SCR脫硝效率，在初步設(shè)計(jì)后將催化劑高度由1550mm調(diào)整到1 880mm，催化劑效率也由55%提高至60%，重新進(jìn)行了流場(chǎng)CFD校核驗(yàn)證。

表3 第1層催化劑來(lái)流速度分布 m／s

實(shí)際高度下催化劑入口截面處的速度分布如圖6所示。由于距梁較近，橫梁下方的速度較原設(shè)計(jì)有所降低，速度約3.0 m／s（截面平均速度4.4 m／s），CFD計(jì)算得此截面速度分布的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差15.8%，速度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差7.1%（見表5），符合技術(shù)指標(biāo)要求。

4.2 實(shí)際運(yùn)行情況

＃5機(jī)組脫硝工程于2013年12月20日投入使用。浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：2014年三、四季度SCR反應(yīng)器出口氮氧化物質(zhì)量濃度分別為77.9mg／m3和72.1mg／m3，低于90.0mg／m3的設(shè)計(jì)要求，氨逃逸和阻力損失均符合設(shè)計(jì)要求。催化劑運(yùn)行1年后，供應(yīng)商例行檢查，結(jié)論為催化劑的外觀無(wú)磨損，處于健全狀態(tài)。

圖6 催化劑增高后床層上0.5m速度云圖

表5 催化劑增高后床層上0.5m速度 m／s

5 結(jié)論

SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器和導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)科學(xué)、布置合理、流場(chǎng)均勻、無(wú)積灰現(xiàn)象；CFD數(shù)值模擬和物理冷態(tài)模型試驗(yàn)結(jié)果正確，校核驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況相符；隨著催化劑層截面與橫梁間的距離縮短，催化劑層截面上方速度分布均勻性有所下降；脫硝催化劑運(yùn)行1年后綜合性能良好?？蔀槿济簷C(jī)組（SNCR+SCR）煙氣聯(lián)合脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

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［2］劉勇，曹京，孟強(qiáng)，等.SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)均勻性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，12（4）：57-58.

［3］張波，張偉，牛國(guó)平.300MW機(jī)組鍋爐SCR裝置流場(chǎng)研究［J］.熱力發(fā)電，2012，41（7）：23-24.

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（本文責(zé)編：白銀雷）

X 71

：A

：1674-1951（2015）06-0001-04

朱晨曦（1966—），男，江蘇南通人，高級(jí)工程師，從事電站鍋爐脫硫、脫硝、除灰技術(shù)管理工作（E-mail：zhucx1966＠126.com）。

2015-03-01；

2015-05-18

李葦林（1972—），男，北京人，高級(jí)工程師，從事脫硫、脫硝除塵技術(shù)及計(jì)經(jīng)管理方面的工作（E-mail：liwl＠chec.com.cn）。

鄭迎九（1969—），男，浙江蘭溪人，高級(jí)工程師，從事電站控制技術(shù)和管理工作（E-mail：yingjiu_zheng＠163.com）。