基于流場(chǎng)診斷的燃煤電站SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

劉國(guó)富 沈德魁 肖 睿

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京210096)

基于流場(chǎng)診斷的燃煤電站SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

劉國(guó)富 沈德魁 肖 睿

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京210096)

為實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行,采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)開展660 MW燃煤電站SCR系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化.根據(jù)噴氨格柵前煙氣流動(dòng)特性解析噴氨支管閥門權(quán)重,基于權(quán)重閥開展噴氨優(yōu)化研究.分析了優(yōu)化前后首層催化劑入口截面煙氣速度/濃度分布特性,搭建冷態(tài)?；囼?yàn)裝置對(duì)數(shù)值模擬研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證．研究結(jié)果表明:導(dǎo)流板合理優(yōu)化布置可有效改善流場(chǎng)分布的均勻性,速度標(biāo)準(zhǔn)偏差可相對(duì)減少約71.30%;基于權(quán)重閥優(yōu)化噴氨使噴氨特性與煙氣流動(dòng)特性匹配良好,改善了濃度分布的均勻性,濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)減少約24.95%;冷態(tài)?；囼?yàn)值與數(shù)值模擬值吻合良好,兩者偏差僅為3.08%;流場(chǎng)/權(quán)重閥噴氨優(yōu)化協(xié)同作用能夠最大限度提升燃煤電站SCR系統(tǒng)的工作性能．

流場(chǎng)診斷;噴氨優(yōu)化;權(quán)重閥;CFD;冷態(tài)模化試驗(yàn)

氮氧化物(NOx)的大量排放是造成光化學(xué)煙霧、酸雨、平流層臭氧層破壞、全球變暖等一系列環(huán)境問題的重要原因[1].燃煤電站NOx排放量在全國(guó)排放總量中占據(jù)了較大的份額,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)燃煤電站裝機(jī)容量逐年增加,因此控制燃煤電站NOx排放水平刻不容緩[2-5]．對(duì)此,國(guó)家頒發(fā)多部法規(guī)保證燃煤電站NOx排放水平在合理范圍內(nèi)[6-9],GB 13223—2003明確規(guī)定燃煤鍋爐第3時(shí)段NOx最高允許排放濃度為450 mg/m3； GB 13223—2011進(jìn)一步要求燃煤鍋爐NOx排放濃度限值為100 mg/m3；2014年和2015年國(guó)家相繼印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》、《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》,嚴(yán)控大氣污染物排放,力求2020年前300 MW以上燃煤電站全面實(shí)現(xiàn)超低排放改造(NOx排放濃度不高于50 mg/m3)及所有新建燃煤電站必須滿足超低排放水平．

選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術(shù)以其技術(shù)成熟、脫硝效率高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)燃煤電站[10]．SCR煙氣脫硝效率受催化劑、煙氣流場(chǎng)、首層催化劑入口截面內(nèi)氨氮混合當(dāng)量比等多種因素的影響[11]．為滿足超低排放形勢(shì)下的排放要求,多采用催化劑3層布置的改造措施,煙氣催化劑接觸時(shí)間的延長(zhǎng)提高了NOx的還原率,但這一定程度上增加了SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率[12-14]．

保證系統(tǒng)內(nèi)煙氣流場(chǎng)/濃度場(chǎng)的均勻分布是實(shí)現(xiàn)改造機(jī)組超低排放安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵[15-19]．煙氣流速過高直接導(dǎo)致催化劑磨損失活、反應(yīng)不充分,反之則導(dǎo)致催化劑堵塞失活等問題;煙氣氨氮混合當(dāng)量比不匹配導(dǎo)致脫硝效率下降，氨逃逸升高,逃逸氨易與SO3生成黏性硫酸氫氨(ABS)[20-21],直接造成下游設(shè)備積灰受損、鍋爐熱效率下降等一系列運(yùn)行問題．

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)基于直觀、便捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究及工程實(shí)踐中．Xu等[22]采用CFD技術(shù)建立某350 MW機(jī)組SCR系統(tǒng)幾何模型,研究表明系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)流板的不合理安裝會(huì)顯著降低催化劑使用壽命;Lei等[23]針對(duì)整體式蜂窩狀催化劑SCR系統(tǒng)建立了三維全尺寸幾何模型,模擬研究表明入口煙氣速度越低、入口煙溫越高、NH3/NOx越高,則脫硝效率越高,這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合;Ogidiama等[24]對(duì)某催化劑雙層布置SCR系統(tǒng)開展了數(shù)值模擬研究,分析了催化劑布置形式對(duì)脫硝性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明雙層催化劑布置時(shí)最佳NH3/NOx摩爾比為0.6,相比催化劑單層布置更有優(yōu)勢(shì);Yao等[25]對(duì)蜂窩狀催化劑SCR系統(tǒng)的流動(dòng)與反應(yīng)特性開展了數(shù)值模擬研究,獲得了用于修正多孔介質(zhì)模型的化學(xué)反應(yīng)修正系數(shù),模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好．

本文從流場(chǎng)診斷與噴氨優(yōu)化角度研究某660 MW燃煤電站SCR系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)．首先基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)分析當(dāng)前SCR系統(tǒng)流場(chǎng)/濃度場(chǎng)分布特性,進(jìn)而優(yōu)化得到滿足工程設(shè)計(jì)要求的導(dǎo)流板布置方案;根據(jù)噴氨格柵前煙氣流動(dòng)特性解析噴氨支管閥門權(quán)重,基于權(quán)重閥開展噴氨優(yōu)化研究,重點(diǎn)分析首層催化劑入口截面煙氣速度/濃度分布特性．最后基于相似準(zhǔn)則搭建冷態(tài)?；?簡(jiǎn)稱冷模)試驗(yàn)裝置,對(duì)數(shù)值模擬研究結(jié)果加以驗(yàn)證．

1 模型對(duì)象

1.1 SCR反應(yīng)機(jī)理與評(píng)價(jià)指標(biāo)

SCR技術(shù)是通過向煙道中噴射還原劑(氨氣、尿素等)后,催化劑在合適煙溫區(qū)間將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為無害的氮?dú)夂退?該過程主要有如下化學(xué)反應(yīng)[10, 26]:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

6NO+4NH3→5N2+6H2O

(2)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

(3)

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(4)

采用標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv評(píng)價(jià)SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能,重點(diǎn)研究首層催化劑入口截面內(nèi)的速度/濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差,確保滿足工程設(shè)計(jì)要求(速度偏差Cv<15%,濃度Cv<5%)．標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv定義式如下:

(5)

在SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面內(nèi),若速度分布偏差較小,一般不會(huì)引起積灰、磨損,且有利于保障有充分的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間;若還原劑濃度分布偏差較小,則可以保證還原劑與NOx按照當(dāng)量比充分反應(yīng),有助于提高脫硝效率,減少氨逃逸,抑制ABS的生成,保障SCR系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行．

1.2 CFD計(jì)算模型

研究對(duì)象為某660 MW超超臨界燃煤電站SCR系統(tǒng),選取液氨作為還原劑．煙氣從省煤器出口進(jìn)入SCR系統(tǒng),依次經(jīng)過多組導(dǎo)流板、噴氨格柵、噴氨格柵(AIG)混合管、整流格柵等進(jìn)入SCR反應(yīng)器發(fā)生脫硝反應(yīng),隨后“潔凈”的煙氣進(jìn)入下游空預(yù)器．超低排放形勢(shì)下,SCR反應(yīng)器采用了3層催化劑滿布置的改造方案．此外,該系統(tǒng)采用分區(qū)控制式噴氨格柵,單側(cè)各有24個(gè)手動(dòng)蝶閥分別調(diào)控24個(gè)H型噴氨格柵子單元,AIG下游布置AIG混合管以加強(qiáng)氨氮混合．

為便于開展CFD計(jì)算研究,將煙氣視為不可壓縮牛頓流體,假設(shè)省煤器出口煙氣速度/NOx濃度分布均勻,忽略SO2,SO3,CO,CO2,H2O等氣體組分的影響,煙氣組分特性如表1所示．雖然本文所涉及的SCR系統(tǒng)采用高塵布置工藝,但據(jù)統(tǒng)計(jì)入口煙氣中飛灰顆粒所占體積分?jǐn)?shù)不足1%,顆粒相對(duì)連續(xù)相的影響程度有限,故忽略顆粒相,僅研究SCR系統(tǒng)內(nèi)氣相場(chǎng)的均勻分布特性．

表1 數(shù)值模擬計(jì)算煙氣參數(shù)

基于Gambit建立SCR系統(tǒng)全尺寸幾何模型(單側(cè)),包括其中內(nèi)部導(dǎo)流板、噴氨格柵、AIG混合管、整流格柵、催化劑層等;對(duì)AIG及混合管、整流格柵、導(dǎo)流板附近流域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,近壁處采用壁面函數(shù)法近似處理,規(guī)則流域采用六面體網(wǎng)格,復(fù)雜流域采用四面體網(wǎng)格,經(jīng)獨(dú)立性檢驗(yàn)最終確定網(wǎng)格劃分總數(shù)約為35×106．

CFD數(shù)值模擬計(jì)算的控制方程(質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒、組分守恒)可表述為如下通用形式:

(6)

式中,φ為通用變量,φ=u,v,w,T,cs,其中u,v,w為速度矢量u在x,y,z方向的分量,T為溫度,cs為組分s的體積濃度;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng);ρ為煙氣密度．對(duì)于不同方程,φ,Γ,S具有特定的形式．

針對(duì)簡(jiǎn)化氣態(tài)連續(xù)相煙氣,采用組分輸運(yùn)模型模擬煙氣組分特性;采用Realizablek-ε模型模擬煙氣湍流運(yùn)動(dòng);選用多孔介質(zhì)模型模擬SCR反應(yīng)器內(nèi)催化劑層的壓降,x,z向黏性阻力系數(shù)設(shè)置為大于y向的10倍;采用速度入口及壓力出口邊界;壁面處采用無滑移邊界條件;采用有限體積法離散控制方程;壓力速度耦合采用SIMPLE算法．為加快收斂,控制方程離散格式首先采用默認(rèn)的一階離散格式,獲得穩(wěn)定解后,采用精度更高的二階迎風(fēng)格式繼續(xù)迭代直至收斂．

2 冷態(tài)模化試驗(yàn)裝置

采用CFD數(shù)值模擬與冷態(tài)?；囼?yàn)相結(jié)合的方法可更加可靠地評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行性能．本文搭建SCR系統(tǒng)冷態(tài)?；囼?yàn)裝置,如圖1所示．基于相似準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)與開展SCR冷態(tài)模化試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證比例相似、動(dòng)力相似．

圖1 冷模試驗(yàn)裝置示意圖

2.1 比例相似

縮放比例過小,影響試驗(yàn)精度,縮放比例過大,試驗(yàn)成本大幅增加,本文將原型SCR系統(tǒng)及其內(nèi)部構(gòu)件按照1∶12等比例縮?。?/p>

2.2 動(dòng)力相似

影響流場(chǎng)分布特性的力有多種類型,要達(dá)到所有的力對(duì)應(yīng)成同一比例難以實(shí)現(xiàn),通常保證主要作用力成比例．本文將流場(chǎng)中牛頓流體基本控制方程及連續(xù)性方程無量綱化,得出影響流動(dòng)特性的主要準(zhǔn)則數(shù)為雷諾數(shù)(Re)、弗勞德數(shù)(Fr)、歐拉數(shù)(Eu)．這表明在原型SCR系統(tǒng)與冷態(tài)?；囼?yàn)裝置Re，F(xiàn)r，Eu保持一致的情況下,可確保兩者流動(dòng)特性的相似性．而實(shí)際?；须y以滿足以上所有的條件,故本文根據(jù)系統(tǒng)自身特性選擇主要準(zhǔn)則數(shù)并保證其相似．

SCR冷態(tài)?；囼?yàn)裝置內(nèi)流動(dòng)以受迫運(yùn)動(dòng)為主,重力運(yùn)動(dòng)為輔,因此模化過程中選擇Re，Eu為主、Fr為輔進(jìn)行動(dòng)力相似．所謂氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入自模化,是指Re大于某一數(shù)值后(一般為105),Eu不再與Re有關(guān)而保持一定值,此時(shí)雷諾準(zhǔn)則已失去判別相似的作用,僅需使用Eu相似判別．經(jīng)計(jì)算SCR系統(tǒng)及冷態(tài)?；囼?yàn)裝置內(nèi)煙氣流動(dòng)最低Re均位于自?；痆27]區(qū)域,這說明需保證SCR系統(tǒng)及冷態(tài)模化試驗(yàn)裝置Eu數(shù)的一致,即

(7)

(8)

式中,V0,ΔP0,ρ0分別為原型SCR系統(tǒng)中的煙氣流速、壓降、煙氣密度;V1,ΔP1,ρ1分別為冷態(tài)?；囼?yàn)裝置中的煙氣流速、壓降、密度．

設(shè)計(jì)冷態(tài)模化試驗(yàn)時(shí),應(yīng)確保冷態(tài)?；b置與原型系統(tǒng)的壓降ΔP保持一致,但存在ρ1≈2ρ0,這就要求V0與V1成一定比例才能確保實(shí)現(xiàn)動(dòng)力相似．故本文取V0/V1≈1.4,采用過濾海綿模擬催化劑以產(chǎn)生等效壓降．

2.3 冷態(tài)?；囼?yàn)方案

SCR冷態(tài)?；囼?yàn)不涉及化學(xué)反應(yīng),而氨氣在空氣中不能穩(wěn)定存在,具有腐蝕性,因此選擇一氧化碳(CO)作為示蹤氣體．

SCR冷態(tài)?；b置經(jīng)密封性和牢固性測(cè)試后按照表2中的設(shè)計(jì)參數(shù)開展驗(yàn)證研究．采用Testo350煙氣分析儀網(wǎng)格布點(diǎn)(間隔不小于100mm)實(shí)現(xiàn)示蹤氣體10-6級(jí)濃度測(cè)量,采用Testo425熱線風(fēng)速儀網(wǎng)格布點(diǎn)測(cè)量煙氣流動(dòng)特性,采用U形管差壓計(jì)修正等效壓降,24路AIG噴氨子單元供氨通道單獨(dú)安裝轉(zhuǎn)子流量計(jì)(1.5級(jí)精度),以實(shí)現(xiàn)供氨流量的精確調(diào)控．

表2 變負(fù)荷工況冷模試驗(yàn)工況

3 結(jié)果與討論

3.1 SCR系統(tǒng)流場(chǎng)診斷與優(yōu)化

原設(shè)計(jì)方案中,AIG上游至省煤器出口煙道轉(zhuǎn)彎及漸擴(kuò)、漸縮位置共計(jì)布置34片導(dǎo)流片(記為導(dǎo)流板群1);AIG下游左、右側(cè)轉(zhuǎn)彎煙道各布置2片弧型導(dǎo)流板(記為導(dǎo)流板群2)．以AIG位置為分界面依次分析首層催化劑入口及AIG前煙道截面內(nèi)的流場(chǎng)分布特性．

3.1.1 導(dǎo)流板布置

圖2(a)、(b)為變負(fù)荷工況下AIG前截面煙氣速度分布特性．盡管省煤器出口至AIG前截面歷經(jīng)煙道漸擴(kuò)、轉(zhuǎn)彎等過程,但變負(fù)荷工況下煙道截面內(nèi)的速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv均小于15%,因此可認(rèn)為,導(dǎo)流板群1的布置能夠使AIG前截面煙道流域內(nèi)的流場(chǎng)均勻分布．同時(shí),對(duì)比圖2(a)和(b)可發(fā)現(xiàn),流場(chǎng)分布均勻性隨負(fù)荷波動(dòng)不大．

基于首層催化劑入口截面內(nèi)的速度分布均勻性分析導(dǎo)流板群2布置的合理性． 圖2(c)為首層催化劑入口截面的速度分布特性．?dāng)?shù)值模擬結(jié)果表明,截面內(nèi)速度分布呈波浪形分布,速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv高達(dá)50.17%,遠(yuǎn)大于工程設(shè)計(jì)要求,說明導(dǎo)流板群2的布置欠合理,不能有效地改善AIG下游轉(zhuǎn)彎煙道流域內(nèi)的速度分布均勻性,因此有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化．

(a) 滿負(fù)荷，AIG前截面(Cv=11.61%)

(b) 75%負(fù)荷，AIG前截面(Cv=11.63%)

3.1.2 導(dǎo)流板優(yōu)化布置方案

對(duì)導(dǎo)流板群2進(jìn)行優(yōu)化布置(見圖3(a)):AIG下游左側(cè)轉(zhuǎn)彎煙道內(nèi)導(dǎo)流板采用3片弧直型結(jié)構(gòu)完全一致的導(dǎo)流板,圖3(a)中導(dǎo)流板①～③采用等距布置的方式,90°弧形段所對(duì)應(yīng)的半徑為1 250 mm,直段長(zhǎng)度為200 mm;由于煙氣流經(jīng)右側(cè)轉(zhuǎn)彎煙道不僅流向發(fā)生偏移,而且流通截面劇烈變化,因而采用4片直弧直型導(dǎo)流板,導(dǎo)流板④～⑦前置段長(zhǎng)度分別為700,500,500,100 mm,弧形段半徑分別為2 000,1 500,1 500,600 mm,弧形段所對(duì)圓心角分別為12°,20°,20°,60°,后置段長(zhǎng)度分別為1 000,1 000,800,0 mm．

(a) 導(dǎo)流板群2優(yōu)化布置方案

(b) 滿負(fù)荷速度分布(Cv=14.4%)

基于導(dǎo)流板群2的優(yōu)化布置方案重建SCR系統(tǒng)幾何模型,重新網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)值計(jì)算,重點(diǎn)分析首層催化劑入口截面內(nèi)的速度分布特性．

由圖3(b)可以看出,首層催化劑入口截面內(nèi)速度波浪形分布特性變得平緩,這表明截面內(nèi)的煙氣速度梯度減小,截面內(nèi)煙速極值較小(約9 m/s),速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv降低至14.4%,相對(duì)減少約71.30%．這說明導(dǎo)流板群2的優(yōu)化布置能夠有效改善該流域內(nèi)的速度分布均勻性,有助于SCR脫硝反應(yīng)的高效進(jìn)行．

3.1.3 基于流場(chǎng)優(yōu)化方案的冷態(tài)?；囼?yàn)

基于表2中的試驗(yàn)工況開展冷態(tài)模化試驗(yàn),解析首層催化劑入口截面內(nèi)的速度分布特性,對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果．

變負(fù)荷工況下的冷態(tài)?；囼?yàn)結(jié)果如圖4(a)、(b)所示,滿負(fù)荷、75%負(fù)荷工況下導(dǎo)流板優(yōu)化后截面內(nèi)的煙氣速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv分別為12.49%,11.40%;與數(shù)值模擬結(jié)果相比,最大Cv偏差約為3%,因而吻合性良好．冷態(tài)?；囼?yàn)所得Cv偏小是由于Cv是通過間隔較大的離散測(cè)點(diǎn)獲得,所用數(shù)據(jù)相對(duì)較少、均勻性較好所致．但從總體趨勢(shì)上而言,數(shù)值模擬與冷態(tài)?；囼?yàn)結(jié)果均滿足工程設(shè)計(jì)要求,這證明了導(dǎo)流板群2優(yōu)化方案的合理性．同時(shí)對(duì)比圖4(a)、(b)可以看出,速度分布均勻性隨負(fù)荷波動(dòng)不大．

(a) 滿負(fù)荷速度分布(Cv=12.49%)

(b) 75%負(fù)荷速度分布(Cv=11.40%)

(c) z向中心線冷模與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

為進(jìn)一步研究CFD數(shù)模結(jié)果與冷態(tài)模化試驗(yàn)結(jié)果的吻合性,取首層催化劑入口截面內(nèi)z向中心線上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．圖4(c)給出了z向中心線上沿x向的速度分布特性,可發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與冷態(tài)模化試驗(yàn)結(jié)果在x向上具有較為相似的分布特性,但數(shù)值模擬方法所得煙氣速度整體偏高,這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)冷態(tài)?；囼?yàn)時(shí)基于相似準(zhǔn)則將原型SCR系統(tǒng)的煙氣速度進(jìn)行了比例縮小(V0/V1≈1.4)所致．由此可得,本文所開展的冷態(tài)?；c數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了所獲導(dǎo)流板群2的優(yōu)化布置方案的可靠性．

3.2 SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化

本文假設(shè)SCR系統(tǒng)入口NOx濃度分布均勻,因此要保證氨氮混合當(dāng)量比匹配良好,必須保證首層催化劑入口截面內(nèi)還原劑NH3的分布均勻．

3.2.1 導(dǎo)流板改善濃度場(chǎng)分布特性分析

圖5(a)給出了基于CFD技術(shù)解析導(dǎo)流板優(yōu)化前滿負(fù)荷首層催化劑入口截面內(nèi)的NH3濃度分布,其分布標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv約為8.2%,高于工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)首層催化劑入口截面內(nèi)最大濃度偏差高達(dá)70×10-6～100×10-6左右,使得首層催化劑入口截面內(nèi)多數(shù)位置難以維持合理的氨氮當(dāng)量比,不利于系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行．

經(jīng)導(dǎo)流板群2的優(yōu)化布置,首層催化劑入口截面內(nèi)NH3濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv降低至4.61%,相對(duì)減少約43.78%,如圖5(b)所示．這表明導(dǎo)流板的優(yōu)化布置對(duì)流場(chǎng)及濃度場(chǎng)分布特性均有較強(qiáng)的改善能力,合理的導(dǎo)流板優(yōu)化布置方案不僅可保證煙氣流速處于合理空速范圍內(nèi),而且有助于維持首層催化劑入口截面內(nèi)良好的氨氮混合當(dāng)量比;相對(duì)而言,導(dǎo)流板優(yōu)化布置對(duì)流場(chǎng)分布特性的改善作用更強(qiáng)．

(a) 原設(shè)計(jì)方案下NH3分布數(shù)模結(jié)果(Cv=8.2%)

(b) 導(dǎo)流板優(yōu)化后NH3分布數(shù)模結(jié)果(Cv=4.61%)

(c) 導(dǎo)流板優(yōu)化后NH3分布冷模結(jié)果(Cv=7.69%)

(d) 權(quán)重閥噴氨/流場(chǎng)優(yōu)化后NH3分布數(shù)模結(jié)果(Cv=3.46%)

(e) 權(quán)重閥噴氨/流場(chǎng)優(yōu)化后NH3分布冷模結(jié)果(Cv=3.54%)

圖5(c)給出了基于冷態(tài)?；囼?yàn)解析導(dǎo)流板優(yōu)化后滿負(fù)荷首層催化劑入口截面內(nèi)NH3濃度分布,其分布標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv約為7.69%,相比相同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果偏高,這是因?yàn)槔鋺B(tài)?；囼?yàn)裝置尺寸較小,氨煙混合距離比實(shí)際過程有所降低,使混合強(qiáng)度減弱．綜合對(duì)比導(dǎo)流板優(yōu)化后的數(shù)值模擬、冷態(tài)?；囼?yàn)結(jié)果,兩者的NH3濃度分布趨勢(shì)相似,且都比導(dǎo)流板優(yōu)化前的NH3濃度分布Cv降低,這一方面驗(yàn)證了CFD模擬方法的可靠性,另一方面也驗(yàn)證了導(dǎo)流板優(yōu)化布置有助于改善濃度場(chǎng)均勻分布特性．

3.2.2 基于權(quán)重閥噴氨優(yōu)化特性

為適應(yīng)超低排放要求,必須進(jìn)一步提高首層催化劑入口截面內(nèi)NH3濃度均勻分布．為此,本文提出基于對(duì)AIG前煙氣流動(dòng)特性的分析開展了SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化,即根據(jù)AIG前煙氣流動(dòng)特性定量解析噴氨支管閥門權(quán)重,并按照預(yù)設(shè)的權(quán)重流量/開度對(duì)應(yīng)關(guān)系,開展基于權(quán)重閥的噴氨優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)精細(xì)噴氨．

噴氨支管閥門權(quán)重φ的確定方法如下:

(9)

通過開展?jié)M負(fù)荷工況下的數(shù)值模擬計(jì)算,獲取AIG前整個(gè)煙道截面內(nèi)的煙氣流動(dòng)特性,根據(jù)AIG分布型式確定各子單元所控制煙道區(qū)域,然后確定各煙道區(qū)域及整個(gè)截面內(nèi)的煙氣速度平均值,最終確定各噴氨支管閥門權(quán)重．

已知均勻噴氨工況下滿負(fù)荷噴氨支管氨空混合氣入射速度為16.75m/s,據(jù)此解析獲得基于權(quán)重閥噴氨優(yōu)化的工藝參數(shù)如表3所示．?dāng)?shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖5(d)所示,可以看出,基于權(quán)重閥噴氨優(yōu)化后,截面內(nèi)最大濃度偏差約為30×10-6～50×10-6左右,整體分布比較均勻,NH3濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv進(jìn)一步降低至3.46%,相對(duì)減少約24.95%,遠(yuǎn)優(yōu)于工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),這表明基于權(quán)重閥噴氨優(yōu)化方法能夠顯著改善濃度場(chǎng)分布特性．

表3 滿負(fù)荷工況基于權(quán)重閥噴氨優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于權(quán)重閥噴氨優(yōu)化的可靠性,設(shè)計(jì)冷態(tài)?；囼?yàn)．均勻噴氨工況下,24路噴氨支管流量均設(shè)定為1.65 m3/h;基于權(quán)重閥噴氨優(yōu)化工況下,示蹤氣體流量及氨空混合氣總流量均保持不變,各噴氨支管實(shí)際流通氨空混合氣流量設(shè)計(jì)參數(shù)見表4．

表4 滿負(fù)荷工況冷態(tài)?；囼?yàn)噴氨支管預(yù)設(shè)流量

圖5(e)給出了滿負(fù)荷工況下基于權(quán)重閥噴氨/流場(chǎng)優(yōu)化后的冷態(tài)?；囼?yàn)結(jié)果,可以看出,截面內(nèi)NH3濃度分布非常均勻,其分布標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv約為3.54%,這與數(shù)值模擬結(jié)果吻合度較好,兩者偏差僅為0.08%,NH3濃度的均勻分布間接反映了氨氮混合當(dāng)量比的良好匹配,這說明基于權(quán)重閥的噴氨優(yōu)化方法可保證SCR系統(tǒng)噴氨特性與煙氣流動(dòng)特性匹配良好,有助于超低排放要求下SCR系統(tǒng)的高效運(yùn)行．

3.3 數(shù)值模擬與冷態(tài)?；囼?yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖6反映了不同設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況下首層催化劑入口截面內(nèi)速度/濃度分布偏差對(duì)比．結(jié)果表明,導(dǎo)流板的合理優(yōu)化布置主要改善流場(chǎng)分布均勻性,速度標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)減少約71.30%,同時(shí)對(duì)濃度分布均勻也有較大的改善,但要進(jìn)一步提高濃度分布均勻性,必須進(jìn)行基于權(quán)重閥的噴氨優(yōu)化．

基于對(duì)AIG前煙氣流動(dòng)特性的分析開展SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化具有顯著優(yōu)勢(shì)．這種優(yōu)化改善了系統(tǒng)內(nèi)濃度分布的均勻性,濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)減少約24.95%,同時(shí)對(duì)流場(chǎng)分布均勻性也有一定改善作用．對(duì)比濃度/速度標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值模擬值與冷態(tài)?；囼?yàn)值,兩者吻合良好,最大偏差僅為3.08%．目前在國(guó)家對(duì)燃煤電廠超低排放要求下,流場(chǎng)/權(quán)重閥噴氨優(yōu)化協(xié)同作用才能最大限度提升燃煤電站SCR系統(tǒng)工作性能,保證系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行．

圖6 不同優(yōu)化設(shè)計(jì)工況下截面內(nèi)速度/濃度分布偏差對(duì)比

4 結(jié)論

1) 導(dǎo)流板的合理優(yōu)化布置能夠有效改善系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)分布均勻性,速度標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)減少約71.30%,同時(shí)對(duì)濃度場(chǎng)均勻分布也有較強(qiáng)改善作用．

2) 基于對(duì)AIG前煙氣流動(dòng)特性的解析開展權(quán)重閥噴氨優(yōu)化,可使噴氨特性與煙氣流動(dòng)特性匹配良好,改善了濃度分布均勻性,濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)減少約24.95%,同時(shí)對(duì)流場(chǎng)的均勻分布具有一定的改善作用．

3) 基于相似準(zhǔn)則搭建冷態(tài)?；囼?yàn)裝置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)CFD數(shù)值模擬結(jié)果的有效驗(yàn)證,冷態(tài)?；囼?yàn)值與數(shù)值模擬值的最大偏差僅為3.08%．

4) 超低排放要求下,流場(chǎng)/權(quán)重閥噴氨優(yōu)化協(xié)同作用可最大限度提升燃煤電站SCR系統(tǒng)工作性能,保證系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行．

References)

[1]Cheng Xingxing, Bi Xiaotao. A review of recent advances in selective catalytic NOxreduction reactor technologies[J].Particuology, 2014, 16: 1-18. DOI:10.1016/j.partic.2014.01.006.

[2]Dong Liang, Liang Hanwei. Spatial analysis on China’s regional air pollutants and CO2emissions: Emission pattern and regional disparity[J].AtmosphericEnvironment, 2014, 92: 280-291. DOI:10.1016/j.atmosenv.2014.04.032.

[3]Zhao Y, Zhang J, Nielsen C P. The effects of recent control policies on trends in emissions of anthropogenic atmospheric pollutants and CO2in China[J].AtmosphericChemistryandPhysics, 2013, 13(2): 487-508. DOI:10.5194/acpd-12-24985-2012.

[4]潘玲穎,麻林巍,周喆,等. 2030年中國(guó)煤電SO2和NOx排放總量的情況研究[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2010, 30(5): 378-383. Pan Lingying, Ma Linwei, Zhou Zhe, et al. Scenario analysis on total SO2and NOxemission of China’s coal-fired power plants in 2030[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2010, 30(5): 378-383. (in Chinese)

[5]楊勇平,楊志平,徐鋼,等 中國(guó)火力發(fā)電能耗狀況及展望[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(23): 1-11. Yang Yongping, Yang Zhiping, Xu Gang, et al. Situation and prospect of energy consumption for China’s thermal power generation[J].ProceedingsoftheCSEE, 2013, 33(23): 1-11. (in Chinese)

[6]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB 13223—2003 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) [S]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2003.

[7]環(huán)境保護(hù)部,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2011.

[8]國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì),環(huán)境保護(hù)部,國(guó)家能源局. 關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》的通知[EB/OL]. (2014-09-12)[2016-04-10]. http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201409/t20140919_626242.html.

[9]環(huán)境保護(hù)部,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì),國(guó)家能源局. 關(guān)于印發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知[EB/OL]. (2015-12-11)[2016-04-10]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201512/t20151215_319170.htm?_sm_au_=iVVR2PCFSksVLj6H.

[10]西安熱工研究院. 火電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2013: 13-19.

[11]毛劍宏. 大型電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué)能源工程學(xué)院, 2011.

[12]Schw?mmle T, Bertsche F, Hartung A, et al. Influence of geometrical parameters of honeycomb commercial SCR-DeNOx-catalysts on DeNOx-activity, mercury oxidation and SO2/SO3-conversion[J].ChemicalEngineeringJournal, 2013, 222: 274-281. DOI:10.1016/j.cej.2013.02.057.

[13]King Matthew J, Davenport William G, Moats Michael S.Sulfuricacidmanufacture[M]. 2nd ed. Holland: Elsevier Ltd, 2013: 73-90.

[14]陳曉露,趙欽新,鮑穎群,等. SO3脫除技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2014, 34(12): 966-971. Chen Xiaolu, Zhao Qinxin, Bao Yingqun, et al. Experimental research on SO3removal[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2014, 34(12): 966-971. (in Chinese)

[15]Xu Yuanyuan, Zhang Yan, Wang Jingcheng, et al. Application of CFD in the optimal design of a SCR-DeNOxsystem for a 300 MW coal-fired power plant[J].Computers&ChemicalEngineering, 2013, 49: 50-60.

[16]Liu Hanqiang, Guo Tingting, Yang Yongping, et al. Optimization and numerical simulation of the flow characteristics in SCR system[J].EnergyProcedia, 2012, 17: 801-812. DOI:10.1016/j.egypro.2012.02.173.

[17]Shah Swati, Abrol Sidharth, Balram Sangeeta, et al. Optimal ammonia injection for emissions control in power plants[J].IFAC-PapersOnLine, 2015, 48(30): 379-384. DOI:10.1016/j.ifacol.2015.12.408.

[18]Chen Chyitsong, Tan Weilun. Mathematical modeling, optimal design and control of an SCR reactor for NOxremoval[J].JournaloftheTaiwanInstituteofChemicalEngineers, 2012, 43(3): 409-419. DOI:10.1016/j.jtice.2011.11.006.

[19]Wang S J, Zhu P, Zhang G, et al. Numerical simulation research of flow field in ammonia-based wet flue gas desulfurization tower[J].JournaloftheEnergyInstitute, 2015, 88(3): 284-291. DOI:10.1016/j.joei.2014.09.002.

[20]馬雙忱,郭蒙,宋卉卉,等. 選擇性催化還原工藝中硫酸氫銨形成機(jī)理及影響因素[J]. 熱力發(fā)電, 2014, 43(2): 75-78,86. DOI:10.3969/j.issn.1002-3364.2014.02.075. Ma Shuangchen, Guo Meng, Song Huihui, et al. Formation mechanism and influencing factors of ammonium bisulfate during the selective catalytic reduction process[J].ThermalPowerGeneration, 2014, 43(2): 75-78,86. DOI:10.3969/j.issn.1002-3364.2014.02.075. (in Chinese)

[21]王海剛. SCR脫硝機(jī)組空氣預(yù)熱器堵塞原因分析和建議[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2015, 31(4): 19-22. Wang Haigang. Analysis and advices of air heater pluggage on SCR denitration unit[J].PowerSystemEngineering, 2015, 31(4): 19-22. (in Chinese)

[22]Xu Yuanyuan, Zhang Yan, Liu Fengna, et al. CFD analysis on the catalyst layer breakage failure of an SCR-DeNOxsystem for a 350 MW coal-fired power plant[J].Computers&ChemicalEngineering, 2014, 69: 119-127. DOI:10.1016/j.compchemeng.2014.07.012.

[23]Lei Zhigang, Liu Xueyi, Jia Meiru. Modeling of selective catalytic reduction (SCR) for NO removal using monolithic honeycomb catalyst[J].Energy&Fuels, 2009, 23(12): 6146-6151. DOI:10.1021/ef900713y.

[24]Ogidiama Ogharevictor, Shamim Tariq. Investigation of dual layered SCR systems for NOxcontrol[J].EnergyProcedia, 2015, 75: 2345-2350. DOI:10.1016/j.egypro.2015.07.484.

[25]Yao Jie, Zhong Zhaoping, Zhu Lin. Porous medium model in computational fluid dynamics simulation of a honeycombed SCR DeNOxcatalyst[J].ChemicalEngineering&Technology, 2015, 38(2): 283-290. DOI:10.1002/ceat.201400127.

[26]Malpartida I, Marie O, Bazin P, et al. The NO/NOxratio effect on the NH3-SCR efficiency of a commercial automotive Fe-zeolite catalyst studied by operando IR-MS[J].AppliedCatalysisB:Environmental, 2012, 113-114: 52-60. DOI:10.1016/j.apcatb.2011.11.023.

[27]王明軒. 某燃煤電廠300 MW機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化和應(yīng)用研究[D]: 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院, 2014.

Optimization and experimental verification of AIG tuning for SCR system of coal-fired power station based on diagnose of flow field

Liu Guofu Shen Dekui Xiao Rui

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversation and Control of Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China)

To realize the operation of SCR(selective catalytic reduction) system safely and efficiently, CFD(computational fluid dynamics) numerical simulation technique is adopted to carry out flow field optimization of SCR system process aimed at the coal-fired power station of 660 MW. The weight of spraying-ammonium branch pipe valve was analyzed based on the flue gas flow characteristics in front of ammonium grid, and the optimization research of AIG(ammonia injection grid) tuning was launched based on the weight-valve. The velocity/concentration distribution characteristics of the flue gas in the first-layer catalyst inlet cross section were analyzed before and after optimization. Meanwhile, the cold mold experiment device was built to verify the conclusion of the simulation research. Experimental results indicate that reasonable optimization of the guide plate improves the uniformity of the flow field distribution,and the relative decrease of velocity is about 71.30%. AIG tuning based on weight-valve realizes the good match of spraying ammonium and flue gas flow characteristic and improves the uniformity of the concentration distribution, and the relative decrease of concentration amounts is about 24.95%. Cold model experimental values are in agreement with that of numerical simulation and the deviation is only about 3.08%. And the cooperation of flow field and weight-valve AIG tuning optimization contributes to a maximum advancement of the SCR system operating performance in the coal-fired power station.

diagnose of flow field; AIG tuning optimization; weight-valve; computational fluid dynamics (CFD); cold mold experiment

第47卷第1期2017年1月 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol．47No．1Jan．2017DOI：10．3969/j．issn．1001-0505．2017．01．018

2016-06-24. 作者簡(jiǎn)介: 劉國(guó)富(1991—),男,博士生;沈德魁(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,101011398@seu.edu.cn．基金項(xiàng)目: 江蘇省科技廳社會(huì)發(fā)展類資助項(xiàng)目(BE2015677)．

劉國(guó)富,沈德魁,肖睿.基于流場(chǎng)診斷的燃煤電站SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(1):98-106.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.01.018.

X701

A

1001-0505(2017)01-0098-09