SCR脫硝系統(tǒng)煙道關(guān)鍵截面速度場(chǎng)與灰濃度場(chǎng)優(yōu)化

汪 超， 韋紅旗， 胡善苗， 沙遠(yuǎn)超

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

近年來，隨著工業(yè)飛速發(fā)展，氮氧化物(NOx)的污染日趨嚴(yán)重，所以國(guó)家加大了對(duì)NOx排放的控制力度。燃煤電廠作為NOx排放大戶，其排放量要滿足NOx排放質(zhì)量濃度低于50 mg/m3的超低排放要求[1]。為達(dá)到超低排放要求，許多電廠都在對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。在電廠煙氣脫硝處理中，選擇性催化還原(SCR)技術(shù)因具有脫硝效率高、技術(shù)成熟且經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)，成為燃煤電廠脫硝處理的首選技術(shù)[2]。

煙氣進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器前，需要在豎井煙道內(nèi)與氨氣充分混合。脫硝裝置內(nèi)部噴氨格柵上游煙氣速度場(chǎng)分布不均勻會(huì)直接影響煙氣和氨氣的混合效果，進(jìn)而影響脫硝效率。煙氣中灰濃度分布不均勻也會(huì)對(duì)煙道內(nèi)重要部件的磨損和積灰產(chǎn)生巨大影響。合理設(shè)計(jì)和布置脫硝裝置內(nèi)的導(dǎo)流板，可以明顯改善裝置內(nèi)部速度場(chǎng)及灰濃度場(chǎng)的均勻性[3]，從而提高脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。因此，對(duì)脫硝裝置內(nèi)部導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和布置，是提高電廠脫硝效率、減輕脫硝裝置內(nèi)部積灰和磨損的有效方法。

近年來，針對(duì)SCR脫硝裝置內(nèi)部速度場(chǎng)優(yōu)化的研究越來越完善[2-8]，但是對(duì)于灰濃度場(chǎng)優(yōu)化的研究卻不多。筆者以某350 MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法，對(duì)SCR脫硝裝置內(nèi)部速度場(chǎng)和灰濃度(本文中的灰濃度均為灰質(zhì)量濃度)場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，針對(duì)原結(jié)構(gòu)裝置內(nèi)2個(gè)關(guān)鍵截面的速度場(chǎng)及灰濃度場(chǎng)存在的主要問題，對(duì)2個(gè)關(guān)鍵部位導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過研究截面煙氣速度分布和灰濃度分布對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析比較不同導(dǎo)流板布置方案對(duì)速度場(chǎng)和灰濃度場(chǎng)的影響，確定最終優(yōu)化方案，可為SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化改造提供參考。

1 設(shè)備概況

該機(jī)組燃用劣質(zhì)煤，煤的灰分含量較高，煙氣含塵量大，配有2套SCR脫硝反應(yīng)器(對(duì)稱布置)。脫硝技術(shù)采用SCR脫硝技術(shù)，噴氨裝置采用噴氨格柵，SCR脫硝反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間的高塵區(qū)域，反應(yīng)器催化劑為平板型，脫硝效率可達(dá)到84%。煙氣從省煤器出口經(jīng)水平擴(kuò)張段進(jìn)入豎井煙道，豎井煙道中的噴氨格柵噴出氨氣等還原劑與煙氣混合，在催化劑的作用下與煙氣中的NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮?dú)夂退甗9]，從而完成脫硝過程。脫硝后的煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器中進(jìn)行余熱利用。由于兩側(cè)的SCR脫硝反應(yīng)器對(duì)稱布置，故取其中一側(cè)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

數(shù)值模擬所用三維模型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工圖紙按1∶1比例建立，模型自省煤器出口至空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)入口，包括導(dǎo)流裝置、整流格柵、脫硝反應(yīng)器和煙道系統(tǒng)等，建立的原結(jié)構(gòu)脫硝裝置模型見圖1，噴氨格柵上游截面為截面1、首層催化劑入口截面為截面2，省煤器出口水平煙道擴(kuò)張側(cè)為B側(cè)。為便于建模和計(jì)算，在滿足工程要求的前提下，數(shù)值模擬時(shí)進(jìn)行如下假設(shè)：

圖1 原結(jié)構(gòu)脫硝裝置模型

(1) 將煙氣視為不可壓縮牛頓流體，定常流動(dòng)。

(2) 假設(shè)省煤器出口煙氣流速分布均勻。

(3) 忽略煙道中支撐桿、噴氨格柵等內(nèi)部構(gòu)件對(duì)速度場(chǎng)和灰濃度場(chǎng)的影響。

(4) 假設(shè)所有灰顆粒都是球形，且不考慮顆粒間的碰撞。

(5) 導(dǎo)流板的厚度相對(duì)煙道尺寸很小，忽略其厚度對(duì)速度場(chǎng)和灰濃度場(chǎng)的影響。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)壁面處、導(dǎo)流板附近及速度梯度較大的部位進(jìn)行加密處理，以適應(yīng)此處速度場(chǎng)的劇烈變化。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，最終網(wǎng)格數(shù)量為590萬。原結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 原結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2.3 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬煙氣湍流流動(dòng)，采用SIMPLE算法耦合速度和壓力；采用多孔介質(zhì)模型處理煙氣在催化劑層的流動(dòng)；通過設(shè)置不同方向上的黏性阻力和慣性阻力，使模擬時(shí)的阻力與實(shí)際運(yùn)行時(shí)的阻力相近；采用DP模型將灰顆粒視為離散相，以模擬灰顆粒在煙道內(nèi)的流動(dòng)[10]。

模擬工況為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況，脫硝系統(tǒng)邊界條件見表1(文中壓力均為相對(duì)壓力)。模型入口邊界條件設(shè)為均勻速度入口，模型出口為壓力出口，出口壓力設(shè)為0 Pa，催化劑層設(shè)為多孔介質(zhì)模型，按實(shí)際壓力損失(150 Pa)設(shè)置阻力系數(shù)，導(dǎo)流板、壁面、整流格柵均設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面。

表1 BMCR工況下脫硝系統(tǒng)邊界條件

2.4 速度場(chǎng)及灰濃度場(chǎng)優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于煙氣系統(tǒng)優(yōu)化效果的評(píng)價(jià)，一般采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)[11]。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)是指特征截面上某參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差占該截面參數(shù)平均值的比，其計(jì)算公式為：

(1)

在本文中，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)反映的是速度(或灰濃度)分布的均勻程度，其值越小表示截面的速度(或灰濃度)分布得越均勻。

3 原結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果及分析

通過模擬BMCR工況下原結(jié)構(gòu)脫硝裝置內(nèi)煙氣的流動(dòng)，得到煙道內(nèi)部速度場(chǎng)和灰濃度場(chǎng)分布，選取2個(gè)關(guān)鍵截面分析其速度場(chǎng)和灰濃度場(chǎng)存在的主要問題。

3.1 速度場(chǎng)

截面1和截面2的速度分布見圖3。

圖3 原結(jié)構(gòu)截面1和截面2的速度分布

由圖3(a)可得：截面1速度分布均勻性很差，A側(cè)流速較高，B側(cè)(擴(kuò)張側(cè))流速較低，是因?yàn)槭∶浩鞒隹谒綗煹罃U(kuò)張段導(dǎo)流板1布置數(shù)量少且傾斜角度過大。截面1的速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為32.32%，遠(yuǎn)大于指標(biāo)要求(15%)[10]，最大偏差為16.5 m/s。截面1速度分布不均勻會(huì)直接影響煙氣和氨氣的混合，從而影響脫硝效率。

由圖3(b)可得：截面2速度分布均勻性也較差，前墻側(cè)流速較低，后墻側(cè)流速高(超過6 m/s)，是因?yàn)檎鞲駯派戏綗煹擂D(zhuǎn)彎處沒有布置導(dǎo)流設(shè)施，不能引導(dǎo)煙氣平穩(wěn)地進(jìn)入脫硝反應(yīng)器區(qū)域，煙氣由于慣性作用沖向后墻。截面2的速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為9.63%，最大偏差為1.96 m/s。截面2的速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)雖然滿足了指標(biāo)要求，但后墻側(cè)仍存在明顯的高速區(qū)，該截面最大煙氣入射角高達(dá)51.0°(出現(xiàn)在前墻側(cè)區(qū)域)，容易對(duì)首層催化劑產(chǎn)生嚴(yán)重的斜向切削磨損，因此需要進(jìn)一步對(duì)截面2的灰濃度場(chǎng)進(jìn)行分析。

3.2 灰濃度場(chǎng)

截面1和截面2的灰濃度分布見圖4。

圖4 原結(jié)構(gòu)截面1和截面2的灰濃度分布

由圖4(a)可得：截面1的灰濃度分布均勻性較差，后墻側(cè)灰濃度高，前墻側(cè)灰濃度低，是因?yàn)闊煔馑俣确植驾^差且飛灰存在慣性作用，灰顆粒沖刷后墻。截面1的灰濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為69.43%，最大偏差為0.106 kg/m3。截面1的灰濃度分布不均勻容易造成噴氨格柵靠后墻部分磨損，并且灰顆粒由于重力作用會(huì)沿著后墻落到豎井煙道底部，引起積灰。

由圖4(b)可得：截面2的灰濃度分布均勻性也較差，靠近前墻1/3處存在局部高灰濃度區(qū)，并且灰質(zhì)量濃度超過0.12 kg/m3，主要是因?yàn)樨Q井煙道段后墻附近的高濃度灰分沿著煙道流至整流格柵上方轉(zhuǎn)彎處時(shí)，灰存在慣性作用。局部高灰濃度區(qū)極易磨損，這與廠方反映首層催化劑出現(xiàn)磨損區(qū)域一致。截面2的灰濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為48.82%，最大偏差為0.092 kg/m3。

4 優(yōu)化方案分析

針對(duì)原結(jié)構(gòu)速度和灰濃度分布不均勻的問題，對(duì)導(dǎo)流板1進(jìn)行優(yōu)化改造，并在整流格柵上方轉(zhuǎn)彎處新增一組導(dǎo)流板4，以更好地引導(dǎo)煙氣流過水平擴(kuò)張段和整流格柵上方彎道，提高速度分布的均勻性并消除高灰濃度區(qū)。提出了3種優(yōu)化導(dǎo)流板1的方案和4種新增導(dǎo)流板4的方案，通過數(shù)值模擬的方法分析比較關(guān)鍵部位導(dǎo)流板的布置情況對(duì)煙氣速度分布和灰濃度分布的影響。

創(chuàng)業(yè)集群內(nèi)部存在的創(chuàng)業(yè)精神氛圍，在一定程度上潛移默化地影響創(chuàng)業(yè)者的理念和行為，通過默示性創(chuàng)業(yè)精神的傳播，提升鄉(xiāng)村地區(qū)創(chuàng)業(yè)精神水平。同時(shí)在集群內(nèi)部創(chuàng)業(yè)文化的熏陶下，集群內(nèi)部其他主體容易增強(qiáng)冒險(xiǎn)精神、創(chuàng)新性等個(gè)人特質(zhì)，有利于培育新企業(yè)家精神。

4.1 優(yōu)化導(dǎo)流板1的影響

主要通過調(diào)整導(dǎo)流板的數(shù)量、長(zhǎng)度和傾斜角度對(duì)導(dǎo)流板1進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)流板1的優(yōu)化方案見圖5，沒有標(biāo)傾斜角度的導(dǎo)流板與相鄰導(dǎo)流板保持相同傾斜角度。

圖5 導(dǎo)流板1的優(yōu)化方案俯視圖

優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的速度分布見圖6。

圖6 優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的速度分布

由圖6可得：3種方案截面1的速度分布均勻性均明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。方案1僅在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加了一塊導(dǎo)流板并調(diào)整了長(zhǎng)度，所以截面1的整體速度分布與原結(jié)構(gòu)相似，但更均勻，并且高速區(qū)和低速區(qū)面積明顯減??；方案2和方案3均不存在明顯的高速區(qū)和低速區(qū)，速度分布均勻性顯著提升，且方案3中速度較高和較低的區(qū)域較方案2進(jìn)一步減小。

優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的灰濃度分布見圖7。

圖7 優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的灰濃度分布

由圖7可得：導(dǎo)流板的優(yōu)化對(duì)截面1灰濃度的影響比對(duì)速度的影響小。方案1和方案2的低灰濃度區(qū)有所減小，但后墻和B側(cè)的高灰濃度區(qū)仍然較明顯，并且方案2中A側(cè)附近高灰濃度區(qū)面積略有增加；方案3對(duì)消除高灰濃度區(qū)的效果較好，后墻高灰濃度區(qū)面積明顯減小。

對(duì)各方案截面1的速度和灰濃度的均勻性進(jìn)行定量分析，計(jì)算得到截面1的速度和灰濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)見圖8。

圖8 優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)

由圖8可得：方案3的速度分布均勻性最佳，與速度分布得到的結(jié)論一致。導(dǎo)流板的布置對(duì)速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)的影響很大，針對(duì)大角度煙道擴(kuò)張段，通過適當(dāng)增加導(dǎo)流板的數(shù)量、增大傾斜角度(以煙道擴(kuò)張角度為限)等方式可以有效改善速度分布均勻性。由于灰顆粒有一定大小且需要考慮其重力影響，灰濃度分布變化趨勢(shì)并不與煙氣速度分布變化一致，并且其變化規(guī)律較為復(fù)雜。對(duì)比3種方案的速度與灰濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)后，采用方案3作為優(yōu)化導(dǎo)流板1的最終方案。

4.2 新增導(dǎo)流板4的影響

在采用方案3作為優(yōu)化導(dǎo)流板1的最終方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新增導(dǎo)流板4的布置方案，具體見圖9。

圖9 新增導(dǎo)流板4的布置方案主視圖

圖10 新增導(dǎo)流板4后截面2的速度分布

新增導(dǎo)流板4后截面2的灰濃度分布見圖11。由圖11可得：原結(jié)構(gòu)前墻1/3處的高灰濃度區(qū)已基本消除，采用4種方案后，均不存在明顯的高灰濃度區(qū)域。

圖11 新增導(dǎo)流板4后截面2的灰濃度分布

對(duì)各方案截面2的速度和灰濃度的均勻性進(jìn)行定量分析，計(jì)算得到截面2的速度和灰濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)見圖12。

圖12 各方案截面2的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)

由圖12可得：4種方案的速度分布均勻性均明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，且優(yōu)化效果相差不大，方案3優(yōu)化效果最佳。因此，在整流格柵上方煙道轉(zhuǎn)彎處布置4塊導(dǎo)流板要優(yōu)于3塊，并且需要選取合適的長(zhǎng)度和傾斜角度。4種方案的灰濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)相差不大，均優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，方案2和方案3的灰濃度分布得較均勻。對(duì)比4種方案后，采用方案3為新增導(dǎo)流板4的布置方案。

4.3 優(yōu)化前后壓力損失分析

脫硝系統(tǒng)的壓力損失對(duì)引風(fēng)機(jī)功率和機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要影響，確定了優(yōu)化導(dǎo)流板1(采用方案3)和新增導(dǎo)流板4(采用方案3)的優(yōu)化方案后，對(duì)優(yōu)化前后各段壓力損失進(jìn)行計(jì)算和匯總，結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后各段壓力損失 Pa

由表2可得：優(yōu)化后模型入口至截面1的壓力損失較原結(jié)構(gòu)顯著下降，模型總壓力損失下降129 Pa，下降了17.7%，優(yōu)化降阻效果顯著。

4.4 指導(dǎo)意義

對(duì)于省煤器出口水平煙道存在大角度擴(kuò)張段的機(jī)組，導(dǎo)流板長(zhǎng)度不需要過長(zhǎng)，一般將其設(shè)置為1 000～1 200 mm即可；導(dǎo)流板的數(shù)量視煙道擴(kuò)張角度和兩側(cè)寬度而定，但是要保證由非擴(kuò)張側(cè)到擴(kuò)張側(cè)的煙道壁面及導(dǎo)流板傾斜角度逐漸增大，每塊導(dǎo)流板遞增3°～12°，兩板間距控制在300～1 200 mm，非擴(kuò)張側(cè)板間距較大，至擴(kuò)張側(cè)板間距逐漸減小。

對(duì)于脫硝裝置整流格柵上方轉(zhuǎn)彎處煙道頂部為斜直面的機(jī)組，導(dǎo)流板可采用斜直板，宜取4塊，將其較為均勻地分布，導(dǎo)流板長(zhǎng)度取800 mm左右，具體可以根據(jù)實(shí)際煙道前后墻寬度適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整；導(dǎo)流板的傾斜角度與頂部壁面傾斜角度保持一致，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行1°～4°的微小調(diào)整。

5 結(jié)語

(1) 原結(jié)構(gòu)脫硝裝置水平擴(kuò)張段導(dǎo)流板布置不合理，且整流格柵上方無導(dǎo)流裝置，使得煙道內(nèi)部關(guān)鍵截面的速度分布和灰濃度分布的均勻性較差，嚴(yán)重影響脫硝效率，同時(shí)容易引起噴氨格柵、催化劑層等部件的積灰、磨損。

(2) 提出了關(guān)于水平擴(kuò)張段導(dǎo)流板和整流格柵上方導(dǎo)流板的多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)比分析各方案速度分布和灰濃度分布的均勻性，選取適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流板數(shù)量和傾斜角度，可有效提升速度分布和灰濃度分布的均勻性，為同類型機(jī)組煙道導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路。

(3) 確定了最佳優(yōu)化方案，并計(jì)算了優(yōu)化前后裝置的壓力損失。優(yōu)化后總壓力損失相對(duì)于原結(jié)構(gòu)減小了17.7%，對(duì)提高脫硝效率并減輕積灰磨損具有重要意義。