基于CFD模擬的SCR脫硝裝置優(yōu)化改造

陶正新， 韋紅旗， 李文霞， 周詩齊

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

隨著環(huán)境保護問題的日益突出，國家對污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。燃煤電站作為NOx排放大戶，控制其NOx排放成為污染排放控制的關(guān)鍵[1]。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)以技術(shù)成熟、脫硝效率高、運行可靠等優(yōu)點成為國內(nèi)外電廠應(yīng)用最為廣泛的脫硝技術(shù)[2]。然而，很多機組在投運了SCR脫硝裝置后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在流場不均、積灰和磨損等問題，嚴(yán)重影響脫硝裝置高效運行。為了保證SCR脫硝裝置高效運行，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化十分重要[3-4]。

某電廠SCR脫硝裝置采用高溫高塵布置(位于省煤器與空氣預(yù)熱器之間)，選用平板式催化劑，按“2+1”模式布置。鍋爐燃燒采用設(shè)計煤種，機組運行在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下，SCR脫硝效率高于80%。然而在機組停機檢修時發(fā)現(xiàn)：在SCR脫硝裝置催化劑入口處，前墻區(qū)域流速過低，前墻區(qū)域積灰增多堵塞催化劑；后墻區(qū)域流速過高，后墻區(qū)域催化劑嚴(yán)重磨損[5-6]。筆者采用試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對引起該SCR脫硝裝置內(nèi)部流場不均的原因進行詳細分析，并制定合理的優(yōu)化方案，以保證催化劑入口截面流場均勻分布。

1 冷態(tài)試驗

1.1 試驗方案

根據(jù)鍋爐冷態(tài)自?；?，當(dāng)煙氣氣流的雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù)時，氣流運動狀態(tài)進入自?；瘏^(qū)，氣流流動狀態(tài)將不再隨雷諾數(shù)的增加而變化。因此，通過調(diào)整冷態(tài)試驗的風(fēng)機通風(fēng)量，使冷態(tài)時的煙氣流動狀態(tài)進入自?；瘏^(qū)，便能夠模擬熱態(tài)時的流動狀態(tài)[7]。

由于實際運行中同一截面各處的速度分布不均勻，因此在試驗時采用網(wǎng)格法，在每個催化劑模塊(模塊尺寸為1 m×2 m)的中心位置布置一個測點，測得的數(shù)據(jù)表示該界面的流速。測點具體布置示意圖見圖1(圖中圓圈代表測點)。

圖1 冷態(tài)測試截面測點示意圖

為了使測試出的截面流場分布能夠盡量反映實際催化劑上層的流場分布，測試截面應(yīng)盡量靠近催化劑層，并考慮到測量方便和保證試驗的準(zhǔn)確性，測試截面選取在催化劑上方0.3 m處。此外，鍋爐的2臺SCR脫硝裝置采用對稱布置方式，內(nèi)部流場狀況較為相似，故取單側(cè)反應(yīng)器作為研究對象。SCR脫硝裝置結(jié)構(gòu)及測試截面位置見圖2。

圖2 SCR脫硝裝置結(jié)構(gòu)及測試截面位置

1.2 結(jié)果分析

在冷態(tài)試驗時，機組通風(fēng)量只需滿足使流動狀態(tài)達到自?；纯?，與實際熱態(tài)運行時產(chǎn)生的煙氣量有較大差距。因此，為了使試驗結(jié)果能夠反映鍋爐熱態(tài)運行時脫硝設(shè)備內(nèi)部的流場狀況，需要將冷態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行比例轉(zhuǎn)換。

鍋爐在BMCR工況下運行時，SCR脫硝裝置進口煙氣的體積流量為1 982 565 m3/h、溫度為366 ℃、密度為0.553 kg/m3,測試截面尺寸為15.60 m×11.08 m，計算出在BMCR工況下催化劑上層煙氣平均速度為4.3 m/s，而冷態(tài)試驗催化劑層上方煙氣平均速度為2.4 m/s。利用比例關(guān)系將冷態(tài)試驗測試結(jié)果轉(zhuǎn)化為在BMCR工況下，首層催化劑上方0.3 m處的速度分布(見圖3)。

圖3 試驗得到首層催化劑上方0.3 m處速度分布

從圖3可以看出：流場分布較不均勻，前墻區(qū)域煙氣速度偏低，平均速度約為3.7 m/s，后墻區(qū)域煙氣速度較高，平均速度達到了7.0 m/s，中間區(qū)域流場分布較為均勻。

后墻區(qū)域煙氣速度過大將會導(dǎo)致該側(cè)催化劑磨損嚴(yán)重，而前墻煙氣速度偏低會導(dǎo)致該側(cè)催化劑層積灰嚴(yán)重，脫硝效率降低[8]。豎井煙道上方導(dǎo)流板及整流格柵結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理是該問題的主要成因[9]。筆者將通過數(shù)值模擬的方法對脫硝裝置內(nèi)部流場做進一步研究，并根據(jù)模擬結(jié)果制定合理的改造方案。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

計算流體力學(xué)(CFD)模型是根據(jù)現(xiàn)場施工圖紙按1∶1的比例進行建模。為了建模方便，忽略了SCR脫硝裝置內(nèi)部對流場影響較小的支撐結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格，對近壁面網(wǎng)格作加密處理，以適應(yīng)邊界層處較大的速度梯度。進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，確定網(wǎng)格數(shù)量為6×106。網(wǎng)格模型圖見圖4。

圖4 SCR脫硝裝置網(wǎng)格模型圖

計算模型采用湍流Relizablek-Epsilon模型，壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，邊界上的湍流尺寸通過當(dāng)量直徑和湍流強度指定，且在數(shù)值模擬時所作假設(shè)為：(1)將煙氣視為不可壓縮的牛頓流體；(2)入口邊界設(shè)為速度入口，且認為入口煙氣速度分布均勻；(3)出口邊界設(shè)為壓力出口，相對壓力設(shè)為0 Pa；(4)催化劑層作多孔介質(zhì)處理，阻力系數(shù)按設(shè)計工況設(shè)定，單層催化劑阻力設(shè)為150 Pa。

2.2 模型驗證

根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格和邊界條件模擬得到模擬結(jié)果。圖5為首層催化劑上方0.3 m處數(shù)值模擬速度分布云圖。

圖5 首層催化劑上方0.3 m處速度分布

從圖3(試驗結(jié)果)和圖5(模擬結(jié)果)的對比可以看出：冷態(tài)試驗結(jié)果與模擬結(jié)果的流場分布特征比較吻合,兩者都是前墻區(qū)域煙氣速度低，中間區(qū)域煙氣速度均勻，后墻煙氣速度高。冷態(tài)試驗結(jié)果中，前墻區(qū)域煙氣速度要大于模擬結(jié)果，而后墻區(qū)域煙氣速度要小于模擬結(jié)果，主要是因為在試驗時，近壁區(qū)域煙氣速度不方便測量，以離壁面0.5 m處測得的煙氣速度代替近壁煙氣速度。

由于數(shù)值模擬忽略了對流場影響較小的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場測試的誤差及實際運行工況的變化，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果會存在一定的偏差；但是，筆者認為數(shù)值模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的，能夠有效反映SCR脫硝裝置的內(nèi)部流場[10]。

2.3 結(jié)果分析

圖6和圖7分別為SCR脫硝裝置中心截面壓力分布和速度分布。

圖6 SCR脫硝裝置中心截面壓力分布

圖7 SCR脫硝裝置中心截面速度分布

2.3.1 前墻區(qū)域

由圖6和圖7可得：從豎井煙道向上流動的煙氣撞擊到轉(zhuǎn)向彎頭處的導(dǎo)流板時，會導(dǎo)致貼近導(dǎo)流板下方區(qū)域煙氣速度降低。煙氣速度降低，靜壓就會升高，導(dǎo)流板下方會形成高壓區(qū)域。由于受到高壓區(qū)煙氣和導(dǎo)流板的阻擋，大量煙氣會從兩者之間形成的通道通過。從圖7還可以看出：當(dāng)煙氣從該通道通過后，由于導(dǎo)流板水平段長度較短(約150 mm)，并不能引導(dǎo)氣流水平流動，致使導(dǎo)流板出口氣流流向頂棚上方，最后沿著斜頂進入反應(yīng)器后方[11]。流入前墻煙氣量減少會導(dǎo)致前墻區(qū)域煙氣速度降低，前墻區(qū)域積灰，引起催化劑中毒，降低脫硝效率[12]。

2.3.2 后墻區(qū)域

轉(zhuǎn)向彎頭處導(dǎo)流板出口煙氣流至斜頂上方，并沿著斜頂流向反應(yīng)器的后方區(qū)域，并且反應(yīng)器后墻整流格柵與頂棚的高度差較大(200 mm)，沿著斜頂進入后墻的煙氣過多，導(dǎo)致后墻貼壁區(qū)域的少數(shù)整流格柵通過了較多的煙氣，造成了后墻區(qū)域煙氣速度過大。從圖7還可以看出：后墻貼壁處的煙氣到達首層催化劑時，仍有較高的速度。當(dāng)帶灰的煙氣長期以較大速度沖刷催化劑層時，會導(dǎo)致該處催化劑層磨損嚴(yán)重，降低了催化劑使用壽命和設(shè)備脫硝效率[13]。

3 優(yōu)化方案

導(dǎo)流板及整流格柵結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理是導(dǎo)致SCR脫硝裝置內(nèi)部流場不均的主要原因，通過改善轉(zhuǎn)向彎頭處導(dǎo)流板和調(diào)整整流格柵結(jié)構(gòu)是優(yōu)化內(nèi)部流場的主要途徑。筆者嘗試多種改造方案后，推薦的改造方案見圖8、圖9。

圖8 導(dǎo)流板示意圖

圖9 整流格柵示意圖

優(yōu)化模型數(shù)值模擬采用的工況和參數(shù)設(shè)置與原模型數(shù)值模擬保持一致。圖10為優(yōu)化后反應(yīng)器本體速度云圖。從圖10中可以看出：由于延長了轉(zhuǎn)向彎頭下方兩塊導(dǎo)流板的水平段，原來流向頂棚上方的煙氣在水平導(dǎo)流板作用下水平向前流動；同時，由于前排的整流格柵被改造為階梯形并且高度高于拐角頂點，部分煙氣被前排格柵攔截進入前墻區(qū)域，使得前墻側(cè)的低速區(qū)域得到明顯改善，而后墻區(qū)域由于整流格柵向上增加了150 mm，使得頂棚與整流格柵之間的高度差減小，進入后墻貼壁區(qū)域煙氣減少，后墻區(qū)域煙氣流速過大也得到明顯改善。

圖10 優(yōu)化后SCR脫硝裝置中心截面速度分布

優(yōu)化后首層催化劑上方0.3 m處流場分布見圖11。

圖11 優(yōu)化后首層催化劑上方0.3 m處速度分布

從圖11可以看出優(yōu)化后催化劑上層0.3 m處速度分布相比于優(yōu)化前有明顯改善。整個截面速度分布較為均勻，前墻低速區(qū)域和后墻高速區(qū)域都得到明顯改善，截面的不均勻系數(shù)也下降到了0.09，達到了技術(shù)指標(biāo)。脫硝設(shè)備內(nèi)部流場的改善會保證脫硝設(shè)備的高效運行和脫硝效率的提高[14]。

4 結(jié)語

(1) 豎井煙道上方導(dǎo)流板設(shè)置不合理會使煙氣進入SCR脫硝反應(yīng)器時繞過前墻區(qū)域而形成前墻低速區(qū)。后墻側(cè)整流格柵與SCR脫硝反應(yīng)器頂棚的高度差過大會造成積聚在后墻處的煙氣增加，形成后墻高速區(qū)。

(2) 通過合理設(shè)置豎井煙道上方導(dǎo)流板和抬高整流格柵，增加前墻區(qū)域煙氣、減少后墻區(qū)域煙氣可以改善前墻區(qū)域煙氣速度低、后墻區(qū)域煙氣速度高的問題保證催化劑入口截面流場的均勻性。