330MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)飛灰運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬分析

丁皓姝，黃 越

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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330MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)飛灰運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬分析

丁皓姝1，黃 越2

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

煙氣中混雜著大量細(xì)小的飛灰顆粒，易造成SCR脫硝系統(tǒng)催化劑的堵塞和磨損。以某330MW燃煤電廠SCR煙氣脫硝裝置為原型，采用FLUENT軟件對(duì)系統(tǒng)內(nèi)煙氣——飛灰顆粒氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)不同工況下飛灰運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷飛灰顆粒的集中區(qū)域。模擬結(jié)果對(duì)工程實(shí)際中吹灰器的布置及選型、保證脫硝反應(yīng)的高效進(jìn)行提供了一定的理論支持。

SCR脫硝；數(shù)值模擬；氣固兩相流；運(yùn)動(dòng)軌跡

我國(guó)是以煤炭為主要能源的國(guó)家，因此決定電力行業(yè)主要以燃煤電廠為主。煤在鍋爐中并不能徹底燃燒，在煙氣中會(huì)混雜著大量細(xì)小的飛灰顆粒。并且國(guó)內(nèi)多數(shù)SCR脫硝裝置采用高含塵的布置方式，即布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間，煙氣未經(jīng)過ESP除塵。這樣布置的優(yōu)點(diǎn)是煙氣溫度高，能保證催化劑的活性，并且成本低；缺點(diǎn)是飛灰濃度較高，易造成催化劑的堵塞和磨損，降低脫硝效率，縮短催化劑的使用壽命[1]。本文中研究的SCR脫硝裝置采用的就是高含塵布置方式。

通過對(duì)大量脫硝系統(tǒng)運(yùn)行狀況的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：布置在脫硝裝置之后的空氣預(yù)熱器結(jié)渣嚴(yán)重，不利于空氣預(yù)熱器的正常運(yùn)行[2]。因此，對(duì)煙氣中的飛灰顆粒進(jìn)行處理是必要并且重要的。采用數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)飛灰顆粒的集中區(qū)域，能夠?qū)Υ祷移鞯牟贾煤瓦x型提供有力的理論支撐。

本文按照某330 MW機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置的實(shí)際尺寸建立幾何模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對(duì)反應(yīng)器及其連接煙道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬；采用DPM模型，對(duì)煙氣——飛灰顆粒兩相流動(dòng)中飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬。模擬工況為：BMCR、75%MCR、50%MCR。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

幾何模型采用GAMBIT軟件按照實(shí)際尺寸進(jìn)行繪制，脫硝裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由入口煙道、反應(yīng)器本體和出口煙道組成。反應(yīng)器為不規(guī)則的大型薄壁鋼結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器本體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)為9.25 m，寬為11.2 m，高為16.95 m，入口煙道尺寸寬11.2 m，高2.7 m，入口煙道的豎直煙道距離反應(yīng)器2.1 m，出口煙道尺寸長(zhǎng)4 m，寬7.5 m。在該脫硝裝置入口煙道的兩個(gè)拐彎處分別與X軸成45°角等間距布置5片直形曲板式導(dǎo)流板；在煙道與反應(yīng)器的連接處等間距布置6片折板式導(dǎo)流板，折板兩邊分別平行于反應(yīng)器斜頂與XOY面；在反應(yīng)器的入口處等間距54片平行于YOZ面的直板。

根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)，結(jié)構(gòu)規(guī)則的直線段煙道采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，在流場(chǎng)變化較大的區(qū)域，如入口煙道的拐角處、煙道與反應(yīng)器連接的部分及反應(yīng)器入口布置的導(dǎo)流板處，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或混合網(wǎng)格[3]。考慮精度需要，對(duì)流場(chǎng)變化較大區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

2 數(shù)學(xué)模型及算法

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(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，兩相流模型采用DPM模型[4]。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程

k方程：

(1)

ε方程：

(2)

2.2 運(yùn)動(dòng)平衡方程

笛卡爾坐標(biāo)系x方向上的力的平衡方程：

(3)

其中：FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力；Fx為熱泳力[6]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文選取煤粉爐的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，BMCR、75%MCR、50%MCR工況下煙道入口的煙氣流速分別為12m/s、8.78m/s、5.76m/s；反應(yīng)器出口壓力為大氣壓[7]；飛灰顆粒直徑分布如表1所示。

表1 飛灰顆粒分布情況

飛灰粒徑為10 μm～100 μm，中位徑d=51 μm，顆粒尺寸分布指數(shù)n=1.12，飛灰顆粒設(shè)置為由面射流源注入，分布曲線設(shè)置為Rosin-Rammler分布[8]。圖3至圖5分別為BMCR、75%MCR、50%MCR工況下，飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡的正視和俯視圖。

圖3 BMCR工況下飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 75%MCR工況下飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 50%MCR工況下飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

由各工況的正視圖可發(fā)現(xiàn)如下的共同點(diǎn)：飛灰顆粒在流經(jīng)導(dǎo)流板時(shí)的跟隨性較好，不會(huì)在導(dǎo)流裝置上沉積從而造成堵塞；在反應(yīng)器左側(cè)的壁面附近，即X在-4.625 m～-3 m 的區(qū)域內(nèi)，飛灰顆粒跡線較密，說明在該區(qū)域內(nèi)飛灰分布密集，是催化劑磨損或堵塞的易發(fā)生區(qū)域。

三個(gè)工況下的飛灰分布的正視圖X在-3 m～4.625 m的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出了以下不同點(diǎn)：BMCR、75%MCR、50%MCR工況下，飛灰顆粒跡線分布集中的區(qū)域分別為：X在-2 m～4.625 m范圍內(nèi)、X在-0 m～4.625 m范圍內(nèi)、X在-3 m～-0.5 m范圍內(nèi)和X在1 m～4.625 m范圍內(nèi)。隨著負(fù)荷的降低，飛灰顆粒集中的范圍在減小，但是這三個(gè)區(qū)域中跡線分布的均勻程度很接近。三個(gè)工況下的飛灰跡線分布存在不同程度的空白區(qū)域，隨著負(fù)荷的降低，空白區(qū)域的大小在增加。

由各工況的俯視圖可知：飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡線以X軸為對(duì)稱軸，兩側(cè)呈對(duì)稱趨勢(shì)分布；隨著負(fù)荷的減小，飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)跡線越來越向整個(gè)反應(yīng)器的中部聚攏。不同的是BMCR、75%MCR工況下，飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡線分為三個(gè)區(qū)域，雖然各區(qū)域內(nèi)跡線分布較均勻，但更多顆粒集中在反應(yīng)器右側(cè)空間的中心區(qū)域；50%MCR工況下，飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡線均勻地集中在Y在-3.2 m～3.2 m的中心區(qū)域內(nèi)。

綜合上述，該脫硝系統(tǒng)中飛灰顆粒主要集中在反應(yīng)器遠(yuǎn)離入口煙道一側(cè)的壁面和反應(yīng)器偏向入口煙道一側(cè)的中心區(qū)域；并且隨著負(fù)荷的降低，飛灰運(yùn)動(dòng)越來越向反應(yīng)器中部集中。BMCR、75%MCR、50%MCR三種工況下，飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似，在反應(yīng)器遠(yuǎn)離入口煙道一側(cè)的壁面和另外一側(cè)壁面的中間區(qū)域飛灰量較大，飛灰顆粒對(duì)催化劑造成危害最嚴(yán)重的位置應(yīng)集中在這兩處。

本文中的脫硝系統(tǒng)采用的是蒸汽式吹灰設(shè)備，在反應(yīng)器左右側(cè)各等間距布置3臺(tái)吹灰器。通過對(duì)飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬表明：飛灰顆粒呈現(xiàn)出局部集中分布的特性，隨著負(fù)荷的變化，更多地向整個(gè)反應(yīng)器的中部集中。對(duì)于兩側(cè)的一對(duì)吹灰器來說，在低負(fù)荷的情況下，吹灰效率不高。對(duì)于中間的一對(duì)吹灰器來說，吹掃方向固定，吹掃范圍有限，且蒸汽能量損失較大，吹掃效果并不理想。因此，對(duì)于現(xiàn)有的蒸汽吹灰器來說，在條件允許的情況下，可以調(diào)整各個(gè)蒸汽吹灰器的間距或者在飛灰集中的區(qū)域增加吹灰器的數(shù)量，將能改善現(xiàn)有蒸汽吹灰器的吹掃效果。

4 結(jié)論及展望

催化劑積灰和磨損的高危區(qū)域分布在反應(yīng)器遠(yuǎn)離入口煙道一側(cè)的壁面和反應(yīng)器偏向入口煙道一側(cè)的中心區(qū)域。對(duì)于該SCR脫硝系統(tǒng)中已采用的蒸汽吹灰器，可采取調(diào)整各個(gè)吹灰器的間距或在飛灰集中區(qū)域增加吹灰器數(shù)量的措施，來改善改善現(xiàn)有蒸汽吹灰器的吹掃效果[9]。對(duì)于現(xiàn)今新興的聲波吹灰器來說，聲波能夠反射、繞射，從而進(jìn)入到催化劑的每個(gè)通道孔隙中，因此可以覆蓋整個(gè)催化劑表面。聲波在傳播過程中能量損失小，能夠兼顧需要重點(diǎn)吹掃的區(qū)域。并且在SCR系統(tǒng)中煙氣溫度通常為280 ℃-420 ℃，煙氣干燥，灰分不會(huì)發(fā)生板結(jié)，聲波吹灰器也能夠滿足SCR反應(yīng)器的吹灰需要[10]。

[1] 張強(qiáng)，許世森，王志強(qiáng).選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)進(jìn)展及工程應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2004，4(1)：1-6.

[2] 王志軒.我國(guó)燃煤電廠煙氣脫硝產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的思考[J].中國(guó)電力，2009，42(1)：1-6.

[3] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：25-33.

[4] 戴慶輝，解濤.流場(chǎng)數(shù)值模擬在電廠煙氣脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電業(yè)，2013(5)：9-11.

[5] 楊松，丁皓姝，黃越.SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)數(shù)值模擬及優(yōu)化[J].熱力發(fā)電，2014(9)：71-75.

[6] 湯元強(qiáng).燃煤電廠SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化與飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012：33-36.

[7] 楊超，張杰群，郭婷婷.SCR煙氣脫硝裝置煙氣流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(1)：66-69.

[8] H.Zhou，G.Flamant，D.Gauthier，et al.Numerical simulation of the turbulent gas-particle flow in a fluidized bed by an LES-DPM model[J].Chemical Engineering Research and Design，2004，82(7)：918-926.

[9] 黃鶯，曹勇，崔占忠.鍋爐吹灰器使用情況及研究[J].黑龍江電力，2003，25(2)：98-101.

[10] 陳國(guó)金，張?jiān)齐?聲波吹灰器清灰機(jī)理研究及應(yīng)用[J].應(yīng)用聲學(xué)，2002，21(4)：36-40.

Numerical simulation of the Fly ash Movement with the SCR Denitration System in the 330MW Unit

Ding Haoshu1，Huang Yue2

(1.Energy Resources and Power Engineering College,Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Architectural Engineering Institute,Jilin Technology College of Electronic Information，Jilin Jilin 132012)

The flue gas is mixed with a large number of fly ash particles which can bring about the blocking and abrasion to the catalyst in a SCR denitration system.Software FLUENT was used to carry out the numerical simulation of SCR reactors based on a 330MW coal-fired power plant for forecasting the motion trails of the fly ash particles in different conditions.The motion trails are obtained by the numerical simulation for gas-solid dual phase flow in order to determine the concentrations of fly ash particles.The result provides a certain theoretical support in terms of the arrangement of the soot blower and the efficiency of the denitration reaction in the engineering practice.

Selective Catalytic Reduction；Numerical Simulation；Gas-solid dual phase Flow；Motion Trail

2017-03-12

丁皓姝(1988-)，女，碩士，助教，主要研究方向：火力發(fā)電廠節(jié)能減排和多相流理論及應(yīng)用技術(shù)等.

1005-2992(2017)02-0073-04

TK09

A

電子郵箱： 13689882248@163.com(丁皓姝)；550357338@qq.com(黃越)