鍋爐脫硝煙道接口直角彎頭的優(yōu)化設(shè)計

黃榮捷

（福建省豐泉環(huán)保集團有限公司，福州 350007）

引言

目前被燃煤電廠廣泛采用的脫硝技術(shù)主要為“低氮燃燒器+SNCR或SCR”，目前最新的低氮燃燒技術(shù)可將鍋爐出口煙氣中的氮氧化物濃度控制在200mg/m3左右，煙氣經(jīng)過SNCR或SCR脫硝系統(tǒng)后，煙氣的氮氧化物和氨氣進一步反應(yīng)，將煙氣中的氮氧化物濃度降低至100mg/m3以下。

要達到超低排放標準（氮氧化物排放濃度不高于50mg/m3），主要通過兩種辦法來實現(xiàn)，一種是增大反應(yīng)器中催化劑的用量，增加噴氨量提高脫硝效率來實現(xiàn)氮氧化物的超低排放；另一種是對鍋爐的燃燒器進行低氮燃燒改造（對燃燒器已改造過的鍋爐只能采取前一種辦法）。目前在各大電廠超低排放改造中基本將兩種辦法結(jié)合起來進行改造。

本工程（3×220t/h鍋爐煙氣脫硝改造工程）采用第一種辦法，由于SCR對煙氣溫度的要求和廠區(qū)場地限制，SCR脫硝系統(tǒng)煙氣的引出和接入位置空間狹小，高度為2.5m，進出煙道要共用煙道壁板（見圖1），實際運行中就產(chǎn)生煙氣偏流和煙道內(nèi)積灰現(xiàn)象（見圖2）。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)部積灰圖

1 研究對象及物理模型

本文以該工程直角彎頭內(nèi)導(dǎo)流板改造為模擬對象，其改造前后結(jié)構(gòu)模型對比如圖3所示。

圖3 直角彎頭內(nèi)導(dǎo)流板改造對比

在Gambit建立物理模型后，對直角采用四面體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，在導(dǎo)流板處細化網(wǎng)格，網(wǎng)格個數(shù)約200萬個。在FLUENT14.5數(shù)值模擬過程中采用以下簡化假設(shè)：1）系統(tǒng)絕熱；2）系統(tǒng)無漏風；3）不考慮化學反應(yīng)；4）煙氣均為理想氣體。

采用湍流模型（Viscous Model）和標準k-ε兩方程模式求解，運用質(zhì)量守恒方程、N-S方程及能量守恒方程描述煙道內(nèi)的流動特性和質(zhì)量、各組分濃度、動量、能量的分布。模型的邊界條件為與上級省煤器出口相連的煙氣溫度為653K，煙氣入口速度為4.362m/s，水力直徑D=6.587m（根據(jù)鍋爐工況煙氣量和煙氣進口尺寸計算得出）。

2 FLUENT流場的數(shù)值模擬結(jié)果

采用改造后直角彎頭內(nèi)導(dǎo)流板模型和邊界條件進行模擬的流場結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示直角彎頭左側(cè)后角部分區(qū)域煙氣流速小于9m/s（輸送省煤器灰時，其起始流速V≥10m/s），導(dǎo)流板圓弧部分區(qū)域煙氣流速也小于9m/s，且產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，這就導(dǎo)致了實際運行中產(chǎn)生煙氣偏流和煙道內(nèi)積灰嚴重現(xiàn)象，還堵塞儀表探頭。

圖4 用改造前直角彎頭內(nèi)導(dǎo)流板模型和邊界條件進行模擬的流場結(jié)果

采用改造后直角彎頭內(nèi)導(dǎo)流板模型和邊界條件進行模擬的流場結(jié)果如圖5所示，結(jié)果顯示直角彎頭內(nèi)原本容易積灰的大部分區(qū)域煙氣流速大于10m/s，導(dǎo)流板圓弧僅有很小一部分區(qū)域煙氣流速小于10m/s，理論模擬結(jié)果表明能較大改善積灰狀況。

圖5 改造后直角彎頭內(nèi)導(dǎo)流板模型和邊界條件進行模擬的流場結(jié)果

由于該工程分兩期進行實際施工，1#、2#爐為第一期，3#爐為第二期，第一期直角彎頭內(nèi)導(dǎo)流板分布形式采用的是改造前的，實際運行中發(fā)生煙氣偏流和煙道內(nèi)積灰現(xiàn)象嚴重。第二期直角彎頭內(nèi)導(dǎo)流板分布形式采用的是改造后的，3#爐系統(tǒng)運行正常，經(jīng)業(yè)主反饋，積灰情況符合預(yù)期。

通過該工程3年多的實際運行情況，上級省煤器出口處連接煙道彎頭處積灰情況良好，無發(fā)現(xiàn)堵灰現(xiàn)象。通過CFD流場模擬能快速分析產(chǎn)生堵灰事故的原因，并且通過導(dǎo)流板優(yōu)化后流場模擬的結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計施工改造，節(jié)省了物理實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計施工成本，避免了實驗?zāi)Ｐ头糯蠛螽a(chǎn)生實際運行效果與實驗?zāi)Ｐ托Чa(chǎn)生偏差的問題。

3 結(jié)語

本文從工程實踐出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬分析，實現(xiàn)直角彎頭內(nèi)導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計，使直角彎頭內(nèi)原本容易積灰的大部分區(qū)域煙氣流速大于10m/s，導(dǎo)流板圓弧僅有很小一部分區(qū)域煙氣流速小于10m/s，能較大程度改善直角彎頭內(nèi)積灰狀況，優(yōu)化了煙氣流場的分布。運用FLUENT流場模擬能夠?qū)煹缹?dǎo)流板進行優(yōu)化設(shè)計。本文為因煙氣溫度要求和廠區(qū)場地限制，SCR脫硝系統(tǒng)煙氣的引出和接入位置空間狹小的工程煙道接口設(shè)計提供了技術(shù)支持與參考。