高溫除塵脫硝一體化技術(shù)開發(fā)及流場模擬研究

王 為，朱召平，張楚城，陳 牧，蘇寅彪，鄭曉盼

(1.中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430000；2.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

0 引 言

2014年，國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)》，要求燃煤電廠實(shí)現(xiàn)超低排放，NOx排放濃度低于50 mg/m3。選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)由于脫硝效率高、技術(shù)成熟、可靠性強(qiáng)成為大多數(shù)燃煤電站鍋爐煙氣脫硝的配套設(shè)施[1]。大型工業(yè)鍋爐的SCR工藝根據(jù)工作環(huán)境不同有3種不同的工藝流程，主要有高溫高塵、高溫低塵以及低溫低塵3種布置方式。我國火電機(jī)組的SCR煙氣脫硝裝置通常布置在省煤器與空氣預(yù)熱器(空預(yù)器)之間，位于除塵器上游，屬于高溫高塵布置。

研究表明[2-4]，飛灰顆粒對(duì)SCR脫硝催化劑的磨損是導(dǎo)致催化劑使用壽命降低的主要因素之一，傳統(tǒng)高溫高塵布置的SCR脫硝裝置處理的煙氣中夾帶有大量粉塵，對(duì)催化劑磨損嚴(yán)重，活性成分流失較快，且粉塵中含有堿金屬(Na、K等)、堿土金屬元素(Ca、Mg等)、磷和砷等催化劑毒性物質(zhì)，會(huì)引起催化劑化學(xué)中毒，導(dǎo)致其失活。李二欣[5]指出相對(duì)于高塵區(qū)SCR布置，高溫低塵布置方式在保護(hù)催化劑和空預(yù)器方面具有明顯優(yōu)勢。美國、日本等國家的高溫低塵SCR脫硝裝置運(yùn)行實(shí)踐表明[6-8]，將電除塵器放在省煤器下游，SCR裝置布置在高溫電除塵器和空預(yù)器之間，煙氣中粉塵被脫除后，幾乎不存在催化劑的機(jī)械磨損，催化劑的孔徑設(shè)計(jì)可以更小，催化劑及SCR反應(yīng)器的體積明顯減少，且對(duì)催化劑化學(xué)中毒的有害物質(zhì)濃度大大降低，催化劑的壽命得到延長。

目前，國內(nèi)鮮有關(guān)于高溫低塵布置SCR脫硝系統(tǒng)的報(bào)道，鑒于該布置形式的技術(shù)優(yōu)勢，本文介紹了一種高溫?zé)煔獬龎m脫硝一體化裝置，并以某電廠350 MW機(jī)組高溫?zé)煔獬龎m脫硝一體化裝置為研究對(duì)象，利用Fluent軟件對(duì)其流場進(jìn)行模擬研究。

1 高溫除塵脫硝一體化裝置

1.1 工藝流程

本文提出的高溫除塵脫硝一體化裝置的工藝流程如圖1所示，煙氣依次流經(jīng)鍋爐→高溫除塵脫硝一體化裝置(包括電袋復(fù)合除塵器和SCR脫硝反應(yīng)器)→空預(yù)器→脫硫裝置→煙囪。高溫除塵脫硝一體化技術(shù)和常規(guī)技術(shù)(圖2)的“高溫高塵SCR脫硝→空預(yù)器→除塵器”相比，技術(shù)優(yōu)勢明顯，主要特點(diǎn)有：

1)占地面積小。SCR脫硝反應(yīng)器布置在已有煙道內(nèi)，無需額外占用場地。而常規(guī)技術(shù)中，一般需增加數(shù)百平方米的占地面積。

2)有效保證催化劑性能和使用壽命。SCR反應(yīng)器布置在除塵器后，煙氣中飛灰濃度低、粒徑小，催化劑在低塵環(huán)境工作，避免了催化劑“中毒”、沖刷磨損和孔道堵塞問題。

3)濃度場分布均勻。由于在除塵器前噴氨，有充足的氨氮混合距離，可達(dá)50 m以上，而常規(guī)技術(shù)中氨氮混合距離在20 m左右。

4)系統(tǒng)阻力小。相比常規(guī)SCR脫硝布置，一方面，由于SCR反應(yīng)器布置在已有煙道內(nèi)，減少了多個(gè)轉(zhuǎn)彎或變徑煙道的設(shè)計(jì)；另一方面，由于氨氮混合距離長，可取消靜態(tài)混合器的設(shè)計(jì)。

圖1 高溫除塵脫硝一體化裝置工藝流程Fig.1 Process flow of integrated system of dedusting and SCR-DeNOx at high temperature

圖2 常規(guī)技術(shù)的工藝流程Fig.2 Process flow of conventional technology

1.2 布置形式

根據(jù)煙氣流過SCR反應(yīng)器的方向，可將高溫除塵脫硝一體化裝置分為“下進(jìn)上出”、“側(cè)近側(cè)出”和“上進(jìn)下出”3種布置形式，如圖3所示?？芍獋?cè)進(jìn)側(cè)出布置形式，催化劑模塊安裝沿高度方向堆積，催化劑機(jī)械強(qiáng)度要求高、安裝難度大；上進(jìn)下出布置形式，在電袋復(fù)合除塵器出口煙道上額外增加了一個(gè)大風(fēng)箱，增加了耗材量，同時(shí)，SCR反應(yīng)器上游區(qū)域是變徑煙道，流場優(yōu)化難度較大，導(dǎo)流板耗材多；而下進(jìn)上出布置形式，SCR反應(yīng)器布置在電袋復(fù)合除塵器正上方，兩者可以共用一個(gè)鋼支架，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性高，是高溫除塵脫硝一體化裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)形式。

圖3 高溫除塵脫硝一體化技術(shù)的布置形式Fig.3 Arrangement form of integrated system of dedusting and SCR-DeNOx at high temperature

2 模擬對(duì)象及方法

2.1 工程設(shè)計(jì)條件

以某350 MW機(jī)組為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了高溫除塵一體化裝置，如圖4所示。該工程的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖4 某350 MW機(jī)組高溫除塵脫硝一體化裝置幾何模型Fig.4 Geometric model of integrated system of dedusting and SCR-DeNOx at high temperature for a 350 MW unit

2.2 流場技術(shù)要求

參照J(rèn)B/T 12131—2015《燃煤煙氣凈化SCR脫硝流場模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》、DLT 1418—2015《燃煤電廠SCR煙氣脫硝流場模擬技術(shù)規(guī)范》和JB/T 12114—2015《電袋復(fù)合除塵器氣流分布模擬試驗(yàn)方法》等，除塵脫硝一體化裝置的流場分布應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：① 第一電場入口流速變異系數(shù)小于30%；② 首層催化劑前流速變異系數(shù)小于15%；③ 首層催化劑前濃度(氨氮摩爾比)變異系數(shù)小于5%；④ 煙氣入射催化劑角度小于±10°；⑤ 空預(yù)器前流速變異系數(shù)小于20%。其中，變異系數(shù)Cv也稱為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值，是標(biāo)準(zhǔn)差和算數(shù)平均值的比值，計(jì)算公式為

表1 某350 MW機(jī)組高溫除塵脫硝一體化裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of integrated system of dedusting and SCR-DeNOx at high temperature for a 350 MW unit

(1)

2.3 模擬方法

煙氣流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒、組分守恒方程，本文采用Fluent軟件，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型、壓力-速度耦合SIMPLE算法、組分輸運(yùn)模型和多孔介質(zhì)模型來模擬高溫除塵脫硝一體化裝置內(nèi)的煙氣流動(dòng)、混合過程。假設(shè)煙氣為不可壓縮理想氣體，流動(dòng)過程處于穩(wěn)態(tài)，入口邊界采用速度入口邊界，按工況煙氣流量設(shè)置；出口邊界采用壓力出口邊界；氨氮混合過程采用組分輸運(yùn)模型；孔板、濾袋和催化劑層采用多孔介質(zhì)模型，按實(shí)際運(yùn)行阻力設(shè)置阻力系數(shù)；導(dǎo)流板、陽極板和噴氨管等壁面均采用無滑移絕熱固體壁面邊界。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 初步設(shè)計(jì)方案模擬分析

3.1.1初步方案結(jié)構(gòu)模型

初步設(shè)計(jì)方案的高溫除塵脫硝一體化裝置幾何結(jié)構(gòu)模型在除塵器進(jìn)口喇叭沿氣流流動(dòng)方向設(shè)置開孔率分別為50%、40%和30%的3層孔板，在孔板上設(shè)置有導(dǎo)流葉片，在煙道內(nèi)未布置導(dǎo)流裝置。網(wǎng)格劃分如圖5所示，在噴氨格柵區(qū)域的網(wǎng)格做了適當(dāng)?shù)募用芴幚?，網(wǎng)格總數(shù)量約為2 021萬。

3.1.2初步方案速度分布

圖6和表2給出初步方案關(guān)鍵截面的速度分布情況，關(guān)鍵截面位置如圖7所示。由圖6(a)可知，由于噴氨上游是連續(xù)2個(gè)轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，即省煤器出口90°豎直轉(zhuǎn)彎和水平煙道段55°轉(zhuǎn)彎，氣流受慣性作用，使噴氨入口截面速度分布呈現(xiàn)“左上角小、右下角大”趨勢，速度變異系數(shù)為27.1%，均勻性差。相關(guān)模擬和試驗(yàn)研究表明[9-11]，噴氨格柵處的速度分布不均，導(dǎo)致催化劑前的濃度分布不均，且兩者有一定相似性。因此，需對(duì)噴氨入口處的流場進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 初步方案模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Model meshing of preliminary plan

圖6 初步方案關(guān)鍵截面的速度分布情況Fig.6 Velocity distribution of critical sections under preliminary plan

表2 初步方案關(guān)鍵截面速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 關(guān)鍵截面的位置Fig.7 Location of critical section

由圖6(b)可知，第一電場入口截面的速度分布不均勻，速度變異系數(shù)為38.8%，不能滿足小于30%的技術(shù)要求。存在明顯的高、低速區(qū)，在電場區(qū)域的速度為0.3～3.0 m/s(平均風(fēng)速為1.25 m/s)，這是由于孔板及其導(dǎo)流葉片的設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。同時(shí)灰斗內(nèi)的流速達(dá)4.8 m/s以上，極易產(chǎn)生二次揚(yáng)塵。因此，需對(duì)第一電場入口處的流場進(jìn)行優(yōu)化。

由圖6(c)可知，由于催化劑上游是一個(gè)直角縮口結(jié)構(gòu)，氣流收縮擠壓后，使催化劑入口截面四周的速度較大，速度變異系數(shù)為17.6%，不能滿足小于15%的技術(shù)要求。同時(shí)，直角縮口結(jié)構(gòu)還造成了煙氣入射催化劑角度偏大問題(圖8)，最大偏角為172°，說明四周區(qū)域存在回流，不能滿足煙氣入射催化劑角度小于±10°的技術(shù)要求。因此，需對(duì)催化劑入口處的流場進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 初步方案煙氣入射催化劑角度Fig.8 Incidence catalyst angle of flue gas under preliminary plan

由圖6(d)可知，由于空預(yù)器上游是擴(kuò)徑和轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，使得氣流處于混亂狀態(tài)，進(jìn)而空預(yù)器入口截面的速度分布不均勻，速度變異系數(shù)為22.4%，不能滿足小于20%的技術(shù)要求，存在明顯的高、低速區(qū)，對(duì)換熱作用產(chǎn)生不利影響。因此，需對(duì)空預(yù)器入口處的流場進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.3初步方案濃度分布

初步方案首層催化劑入口截面的濃度分布情況如圖9所示。可知截面的濃度分布大致呈現(xiàn)出“左下角小、右上角大”的趨勢，與噴氨入口速度分布基本對(duì)應(yīng)，即流速高的區(qū)域濃度低、流速低的區(qū)域濃度高。首層催化劑入口截面的氨氮摩爾比分布范圍大，為0.787～1.249，最大偏差為+24.9%，均勻性很差，統(tǒng)計(jì)得到截面的濃度變異系數(shù)為15.0%，不能滿足小于5%的技術(shù)要求。因此，需對(duì)催化劑入口處的濃度場進(jìn)行優(yōu)化。

圖9 初步方案首層催化劑入口的濃度分布Fig.9 Concentration distribution before the first layer of catalyst inlet under preliminary plan

3.1.4初步方案壓力分布

模擬得到初步方案高溫除塵脫硝一體化裝置的壓力分布情況，除塵器阻力為455 Pa，催化劑層阻力為360 Pa，煙道阻力為190 Pa，系統(tǒng)總阻力為1 005 Pa。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案模擬分析

3.2.1優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)模型

模擬結(jié)果表明，初步方案的高溫除塵脫硝一體化裝置內(nèi)部流場分布均勻性差。因此，需要在煙道內(nèi)設(shè)計(jì)相應(yīng)的導(dǎo)流措施以優(yōu)化流場[12]。有學(xué)者[13-14]提出通過調(diào)整孔板開孔率和設(shè)計(jì)灰斗阻流板可以很好地優(yōu)化電袋復(fù)合除塵器內(nèi)的氣流分布。本文經(jīng)過多次調(diào)整煙道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流板、孔板及阻流板，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，幾何結(jié)構(gòu)模型如圖10所示。

圖10 優(yōu)化方案幾何模型Fig.10 Geometric model of optimization plan

具體措施為：① 重新設(shè)計(jì)除塵器入口煙道，將煙道水平段的轉(zhuǎn)彎角度從55°減小至40°，增加噴氨格柵區(qū)域的煙道直段，并在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置導(dǎo)流板，以優(yōu)化噴氨入口處的流場分布；② 將SCR反應(yīng)器及其下游煙道整體抬高2.5 m，SCR反應(yīng)器與除塵器的接口改為縮口喇叭形式，縮口高度為1.2 m；在縮口下游設(shè)置間距400 mm×400 mm、高400 mm的整流格柵，以優(yōu)化首層催化劑入口處的流場分布。③ 重新設(shè)計(jì)孔板及其導(dǎo)流葉片，調(diào)整第3層孔板的開孔率，在除塵器的首、末灰斗內(nèi)設(shè)置阻流板，以優(yōu)化第一電場入口處流場分布；④ 在出口煙道的轉(zhuǎn)彎處、變徑處設(shè)置導(dǎo)流板，以優(yōu)化空預(yù)器入口處流場分布。

3.2.2優(yōu)化方案速度分布

圖11和表3給出了優(yōu)化方案關(guān)鍵截面的速度分布情況。由圖11(a)、(d)可知，優(yōu)化方案下噴氨入口截面的速度變異系數(shù)由初步方案的27.1%減小為12.1%，有利于濃度場的均勻分布?？疹A(yù)器入口截面的速度變異系數(shù)由初步方案的22.4%減小為11.3%，滿足小于20%的技術(shù)要求。因此通過改進(jìn)除塵器入口煙道結(jié)構(gòu)，以及在進(jìn)出口煙道內(nèi)布置導(dǎo)流板，使煙氣在煙道內(nèi)的流動(dòng)更為順暢，大幅改善了噴氨入口和空預(yù)器入口的速度分布均勻性，高、低速區(qū)域范圍大幅縮小。說明合理的設(shè)計(jì)煙道結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流板，有利于煙道流場的均勻分布。

由圖11(b)可知，優(yōu)化方案下第一電場入口截面的速度分布均勻，電場區(qū)域的速度為0.9～1.5 m/s(平均風(fēng)速1.25 m/s)，速度變異系數(shù)由初步方案的38.8%減小至22.3%，滿足小于30%的技術(shù)要求，灰斗內(nèi)最大流速也由4.8 m/s降低至2.0 m/s，有利于減輕二次揚(yáng)塵。由此可見，合理設(shè)計(jì)除塵器進(jìn)口喇叭內(nèi)的孔板及其導(dǎo)流葉片和灰斗內(nèi)的阻流板，有利于除塵器內(nèi)部流場的均勻分布，增強(qiáng)除塵器的除塵作用。

由圖11(c)可知，優(yōu)化方案下，首層催化劑入口截面的速度分布均勻，截面最大速度由初步方案的5.67 m/s減至4.40 m/s(平均風(fēng)速4.01 m/s)，速度變異系數(shù)由初步方案的17.6%減至5.5%，遠(yuǎn)小于15%的技術(shù)要求。同時(shí)，在整流格柵的強(qiáng)制整流作用下，煙氣垂直流經(jīng)催化劑，煙氣入射催化劑的最大角度由初步方案的172°減小至5.3°(圖12)，滿足小于±10°的技術(shù)要求。因此合理設(shè)計(jì)SCR反應(yīng)器與除塵器的接口形式和布置整流格柵，有利于SCR反應(yīng)器內(nèi)部流場的均勻分布。

圖11 優(yōu)化方案關(guān)鍵截面的速度分布情況Fig.11 Velocity distribution of critical sections under optimization plan

表3 優(yōu)化方案關(guān)鍵截面速度

3.2.3優(yōu)化方案濃度分布

優(yōu)化方案首層催化劑入口截面的濃度分布情況如圖13所示?？芍讓哟呋瘎┤肟诮孛娴陌钡柋确植挤秶鷾p小，為0.939～1.124，最大偏差為+12.4%，均勻性良好。截面的濃度變異系數(shù)由初步方案的15.0%減小至3.8%，滿足小于5%的技術(shù)要求。由此可見，噴氨區(qū)域的速度分布均勻性改善，提高了濃度分布均勻性。

初步方案和優(yōu)化方案沿程2個(gè)關(guān)鍵截面位置的濃度變異系數(shù)如圖14所示?？芍捎诔龎m脫硝一體化裝置內(nèi)未布置靜態(tài)混合器，初步方案和優(yōu)化方案的濃度變異系數(shù)下降幅度相近。這表明改善噴氨區(qū)域速度分布均勻性的作用是改善噴氨區(qū)域的初始濃度分布均勻性，可預(yù)見的是，初始濃度分布均勻性越好，達(dá)到相同濃度變異系數(shù)大小所需的混合距離越短。

圖12 優(yōu)化方案煙氣入射催化劑角度Fig.12 Incidence catalyst angle of flue gas under optimization plan

圖13 優(yōu)化方案首層催化劑入口的濃度分布Fig.13 Concentration distribution before the first layer of catalystinlet under optimization plan

圖14 初步方案和優(yōu)化方案的沿程濃度變異系數(shù)Fig.14 Variation coefficient of concentration along path of preliminary plan and optimization plan

3.2.4優(yōu)化方案壓力分布

初步方案和優(yōu)化方案的壓力分情況如圖15所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者的阻力大小相近，阻力的來源主要是除塵器和催化劑，煙道阻力占比較小?？梢?，對(duì)于結(jié)構(gòu)比較緊湊的高溫除塵脫硝一體化裝置來說，系統(tǒng)減阻的優(yōu)化空間小。

圖15 初步方案和優(yōu)化方案的壓力分布情況Fig.15 Pressure distribution of preliminary plan and optimization plan

4 結(jié) 論

1)對(duì)比分析了下進(jìn)上出、側(cè)進(jìn)側(cè)出和上進(jìn)下出3種布置形式的高溫除塵脫硝一體化裝置，下進(jìn)上出布置形式結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性高，為優(yōu)選結(jié)構(gòu)形式。

2)模擬研究表明，噴氨區(qū)域的速度分布均勻性直接影響催化劑前氨濃度分布的均勻性；對(duì)于結(jié)構(gòu)比較緊湊的高溫除塵脫硝一體化裝置，系統(tǒng)阻力的減阻空間小。

3)利用數(shù)值模擬方法，通過改進(jìn)煙道結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)導(dǎo)流措施(煙道導(dǎo)流板、整流格柵、孔板開孔率、灰斗阻流板等)可以改善高溫除塵一體化裝置內(nèi)的流場分布，使其滿足相關(guān)的流場技術(shù)要求，為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)。