陸華偉,,, ,科偉
(1.大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院,遼寧 大連 116026;2.北京國電龍源環(huán)保工程有限公司,北京 100039)
近年來,隨著我國環(huán)保標準的提高,對燃煤電廠煙氣脫硝技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)[1-2]。選擇性催化還原技術(shù)(SCR)由于脫硝效率高,適應(yīng)性強等特點被廣泛應(yīng)用在電廠鍋爐中[3-4]。從氣動流場角度考慮,對脫硝效率影響最大的因素是反應(yīng)器內(nèi)煙氣速度場和濃度場的均勻性,其中煙氣速度分布較差不僅會加速催化劑的磨損,降低其壽命,還會影響煙氣和氨的混合效果,從而導(dǎo)致脫硝效率的下降和氨逃逸率的升高[5-6],因此研究煙氣流場的均勻性對整個SCR脫硝系統(tǒng)具有重要的意義。
煙氣脫硝系統(tǒng)在進行設(shè)計或改造時需要對縮比模型進行物理實驗,用以檢驗脫硝煙道的氣動性能是否滿足工程要求,但考慮到數(shù)值模擬具有時間短、經(jīng)濟性好、靈活性強等特點,越來越多的研究人員開始用數(shù)值軟件來完成煙道的設(shè)計。董建勛[7]建立了SCR脫硝反應(yīng)器冷態(tài)流動和混合技術(shù)試驗裝置,對不同均流裝置進行了試驗研究,并分析了煙氣反應(yīng)物濃度分布不均勻?qū)γ撓跣阅艿挠绊?;沈丹[8]等、周健[9]等通過改變反應(yīng)器上游導(dǎo)流板形態(tài)以及陳連芳[10]等通過設(shè)計優(yōu)化入口折轉(zhuǎn)彎道部分的導(dǎo)流部件,分別獲得了各自最佳的導(dǎo)流板布置結(jié)果,減輕了反應(yīng)器入口速度分布不均現(xiàn)象;毛劍宏[11]等分別研究了變截面煙道內(nèi)等角度和變角度兩種導(dǎo)流板布置方式對流場的影響,改善了AIG入口的速度分布;李德波[12]等通過改變整流格柵上游兩個彎轉(zhuǎn)部分的導(dǎo)流板長度和數(shù)量,減小了AIG和催化劑入口的標準偏差系數(shù);汪洋等[13]改變格柵板間距、長度及角度,獲得了格柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣動流場的影響規(guī)律;楊松[14]等以及張志文[15]等通過綜合加裝導(dǎo)流板與格柵的方法,優(yōu)化了煙道流場分布。
由以上可以看出,國內(nèi)各高校及工程人員主要針對導(dǎo)流板、整流格柵等均流結(jié)構(gòu)進行研究,以此改變反應(yīng)器氣動流場分布。本文即是以300 MW電廠SCR脫硝煙道為研究對象進行的冷態(tài)流場數(shù)值模擬,計算結(jié)果對該系統(tǒng)的設(shè)計或改造具有一定指導(dǎo)意義。
采用UG 5.0按實際尺寸1∶10進行建模,坐標系選擇如下:煙氣從省煤器流向反應(yīng)器方向為正X軸,垂直向上為正Y軸,以SCR煙道出口所在平面為Y=0,其中煙道總高Y=2.66 m,兩個90°彎道導(dǎo)流板采用直弧直型,噴氨系統(tǒng)為大直徑噴孔搭配渦流混合器方式,反應(yīng)器上游設(shè)有整流格柵。選用Fluent前處理軟件Gambit分區(qū)生成結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并對噴氨系統(tǒng)、導(dǎo)流板和格柵區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密,最終網(wǎng)格數(shù)量約為240萬,并通過質(zhì)量檢查,整個煙道模型與網(wǎng)格如圖1所示。
圖1 幾何模型與網(wǎng)格示意圖1-擴張流道;2-導(dǎo)流板①;3-噴氨系統(tǒng);4-導(dǎo)流板②;5-傾斜流道;6-整流格柵;7-催化劑
由于本文只研究煙氣速度分布情況,未涉及化學(xué)反應(yīng),并且考慮到計算成本與數(shù)值模擬的局限性,因此對SCR脫硝實際過程作出如下簡單假設(shè):(1)煙氣各組分和氨的混合氣均為理想氣體;(2)煙氣物性參數(shù)為常數(shù),流動為定常的;(3)不考慮煙氣中灰分的影響;(4)整個SCR煙道是絕熱的。選取的湍流模型為標準k-ε模型,基于壓力求解器SIMPLE算法,對流差分格式采用二階迎風;選取組分輸運模型模擬煙氣與氨的混合;采用多孔介質(zhì)模型模擬催化劑結(jié)構(gòu),并僅對第一層催化劑進行模擬;煙道進出口邊界條件選壓力進出口,6個噴氨孔為速度進口;反應(yīng)器、導(dǎo)流板和整流格柵表面均設(shè)置為壁面邊界,無熱傳導(dǎo),無滑移[16]。
采用總壓損失系數(shù)判別煙道截面損失,定義如式(1)
(1)
P*——截面總壓;
本文以進口速度4.7 m/s為設(shè)計工況進行模擬,得到原始流場計算結(jié)果如下。
從整體上看,渦流混合器的駐渦效果及整流格柵的均流作用都比較明顯,煙氣流經(jīng)催化劑有明顯的損失(圖2(a))。圖2(b)顯示,入口段擴張流道下側(cè)及導(dǎo)流板①折轉(zhuǎn)區(qū)域右側(cè)的煙氣速度都比相反側(cè)高,這是因為煙氣在急轉(zhuǎn)彎道受較大離心力,導(dǎo)致其大部分都靠近煙道外側(cè)流動,并且此處局部損失小。同理,在格柵上游傾斜流道內(nèi)也遵循相同的流動準則,導(dǎo)致了反應(yīng)器入口煙氣速度呈左低右高現(xiàn)象。
圖2 截面Z=0.5 m損失和速度云圖
從局部分析,如圖3(a)~(c)所示,擴張流道內(nèi)的煙氣速度不僅在Y向存在較大梯度,Z向分布也較差,由于幾何形狀的不對稱,擴張流道中間截面1及出口截面2的右下部分存在明顯低速區(qū),并且這種不均勻性在噴氨前截面3依然保持,催化劑中間位置存在明顯的高速區(qū)(圖3(d)黑框區(qū)域)。另外,從圖4可以看到,擴張段低速部分的損失明顯偏大,并且隨著截面高度的增加(Y向),煙氣流動變得復(fù)雜,最后在擴張流道上壁面附近形成了大尺度旋渦,二次流損失較大。
圖3 各截面速度云圖
圖4 擴張流道內(nèi)截面流線和損失云圖
為了更加直觀分析煙道結(jié)構(gòu)的合理性,選取相對均方根標準作為判斷流場速度均勻性的依據(jù),其定義如下
(2)
(3)
式中σ——標準偏差;
n——測點數(shù);
xi——i點速度;
▽——平均速度;
Cv——速度標準偏差系數(shù)。
Cv越小表明速度均勻性越好,目前一般工程設(shè)計要求催化劑入口Cv<±15%。本文監(jiān)測點分布及各截面速度偏差系數(shù)如表1。
表1 監(jiān)測點分布和截面Cv
由表1可知,截面2的速度均勻性最差,導(dǎo)流板①較大程度改善了煙氣分布。然而由于噴氨系統(tǒng)渦流混合器的存在,導(dǎo)致截面4的Cv再次增大,之后經(jīng)豎直煙道摻混及格柵均流,催化劑入口Cv恰好達到設(shè)計要求,但考慮工況變化及其他因素影響,需進行優(yōu)化。
綜上考慮,得到反應(yīng)器內(nèi)速度均勻性較差的主要原因有兩方面,其一:煙氣在彎道部分受較大離心作用,造成反應(yīng)器右側(cè)速度高;其二:受入口段擴張流道影響,煙氣在Z向流動不均,導(dǎo)致催化劑入口中間速度較高。
3.2.1 布置方案
由上述分析,反應(yīng)器中間速度高是由煙道入口段擴張流道引起。因此,針對煙氣流動規(guī)律,在兩個擴張流道內(nèi)分別增加直導(dǎo)流板,如圖5所示。其中,所有方案的第1、2、3塊導(dǎo)流板布置相同,與正Z軸之間的夾角分別為75°、60°、45°,第二個擴張流道內(nèi)導(dǎo)流板與正Z軸的角度如表2所示。
圖5 擴張流道內(nèi)導(dǎo)流板布置
表2 導(dǎo)流板角度分布
3.3.2 計算結(jié)果分析
由圖6可見,導(dǎo)流板的分流效果明顯,煙氣能夠較好地沿著流道擴張方向流動,速度分布得到顯著改善,尤其從圖6(a)、(b)兩個截面可以清晰看到,各改進方案大Z部分低速區(qū)減小很多,由于擴張流道上壁面區(qū)域煙氣少且存在旋渦流動,因此90%H截面的導(dǎo)流效果并不明顯(圖6(c))。另外,垂直煙氣流向截面的速度云圖顯示(圖6(d)、(e)),低速區(qū)減小,高速區(qū)下移,均勻性得到不同程度提高。由圖6(f)可知,擴張流道導(dǎo)流板對催化劑入口煙氣速度分布同樣有所優(yōu)化,中間高速區(qū)大幅度減少,且略向上偏移,其中Case 2效果最好。
圖6 煙道各截面速度云圖
圖7為各截面總壓損失和流線分布。對比發(fā)現(xiàn),雖然導(dǎo)流板改變了煙氣流動方向,使損失在Z向有所均化,但在導(dǎo)流板下游區(qū)域形成了局部高損失區(qū),造成總體損失有所增加(圖7(a)~(c))。同時,由圖7(c)~(e)可以看到,導(dǎo)流板對擴張流道內(nèi)大尺度渦的形成具有明顯抑制作用,將其有效地控制在最下側(cè)導(dǎo)流板附近。
圖7 擴張流道截面損失和流線圖
由上述分析可知,導(dǎo)流板會使煙道損失增大,如果實際運行中SCR系統(tǒng)產(chǎn)生的壓損太大,則會增加煙道出口風機的出力,從而降低脫硝系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性,因此有必要控制損失大小。表3為以上各方案擴張流道損失及截面2、截面6的速度偏差系數(shù)。首先可以發(fā)現(xiàn),擴張流道損失雖然有所增加,但相對其對下游流場的作用來說,必要的損失是可承受的。其次,隨著導(dǎo)流板增多,擴張流道出口截面2的Cv明顯減小,可知導(dǎo)流板在改善擴張段流場方面效果顯著,而催化劑入口截面6的Cv逐漸增大,但變化并不明顯,由此可知造成反應(yīng)器速度分布差的主要因素是右側(cè)高速區(qū)。最后,由前面圖6(f)可以發(fā)現(xiàn),在改善反應(yīng)器中間高速區(qū)方面Case 2效果最好,然而表3顯示Case 1的Cv最小,分析其原因是由于導(dǎo)流板對反應(yīng)器右側(cè)高速區(qū)產(chǎn)生了極其微小的變化。因為本文僅針對中間高速區(qū)進行改善,綜合考慮,Case 2優(yōu)化效果最好。
表3 擴張流道損失和速度偏差系數(shù)
本文通過對SCR脫硝煙道的氣動流場數(shù)值研究,得出如下結(jié)論:
(1)催化劑入口的速度均勻性雖然滿足工程要求,但相對較差,主要原因是:(a)入口段擴張流道引起煙氣Z向分布不均,造成反應(yīng)器中間出現(xiàn)高速區(qū);(b)在彎道部分煙氣受到離心作用,導(dǎo)致反應(yīng)器右側(cè)速度高;
(2)導(dǎo)流板雖然增大了流動損失,但卻能有效改善擴張流道內(nèi)煙氣流場分布,抑制了大尺度渦的影響,減小了反應(yīng)器中間高速區(qū),降低了催化劑磨損的不均勻度,因此優(yōu)化方案是可取的,其中Case 2效果最佳;
(3)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)速度均勻性差的最主要因素是右側(cè)高速煙氣,而中間高速區(qū)影響并不明顯,因此下一步需針對右側(cè)高速區(qū)進行優(yōu)化。
[1]國家環(huán)保部.GB 13223-2011火電廠大氣污染物排放標準[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2011.
[2]國家發(fā)改委,環(huán)保部,國家能源局.煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)[S].發(fā)改能源[2014]2093號.
[3]胡永鋒,白永鋒.SCR法煙氣脫硝技術(shù)在火電廠的應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù),2007,25(2):152-156.
[4]顧衛(wèi)榮,周明吉,馬薇.燃煤煙氣脫硝技術(shù)的研究進展[J].化工進展,2012,31(9):2084-2092.
[5]Lang E,Drtina P,Streiff F and Fleischli M. Numerical simulation of the fluid flow and the mixing process in a static mixer [J].Int. J. Heat Mass Transfer,1995,38(12):2239-2250.
[6]鄒斯詣.選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)應(yīng)用問題及對策[J].節(jié)能技術(shù),2009,27(6):510-512.
[7]董建勛.燃煤電廠SCR煙氣脫硝試驗研究及數(shù)學(xué)模型建立[D].保定:華北電力大學(xué),2007.
[8]沈丹,仲兆平,過小玲.600MW電廠SCR煙氣脫硝反應(yīng)器內(nèi)不同導(dǎo)流板的流場數(shù)值模擬[J].電力環(huán)境保護,2007,23(1):42-45.
[9]周健,閻維平,石麗國,等.SCR反應(yīng)器入口段流場均勻性的數(shù)值模擬研究[J].熱力發(fā)電,2009(4):22-25.
[10]陳蓮芳,周慎杰,王偉.選擇性催化還原煙氣脫硝反應(yīng)器流場的模擬優(yōu)化[J].動力工程學(xué)報,2010,30(3):224-229.
[11]李德波,徐齊勝,廖永進,等.SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流板優(yōu)化數(shù)值模擬[J].廣東電力,2014,(27)7:1-5,40.
[12]毛劍宏,蔣新偉,鐘毅,等.變截面傾斜煙道導(dǎo)流板對AIG入口流場的影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2011,45(8):1453-1457.
[13]汪洋,崔一塵,吳樹志,等.脫硝反應(yīng)器煙氣整流格柵流場數(shù)值模擬研究[J].熱力發(fā)電,2009(11):28-34.
[14]楊松,丁皓姝,黃越.SCR脫硝系統(tǒng)流場數(shù)值模擬及優(yōu)化[J].熱力發(fā)電,2014,43(9):71-75.
[15]張文志.SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)流場優(yōu)化[J].環(huán)境工程學(xué)報,2015,9(2):883-887.
[16]王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.