S-CO2煤粉鍋爐NOx超低排放設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳明燕 鐘文琪 陳 曦

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

蒸汽循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組一直朝著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展,以提高能源轉(zhuǎn)換效率和降低發(fā)電成本.目前,主蒸汽參數(shù)為30 MPa、600 ℃的蒸汽循環(huán)燃煤發(fā)電效率已經(jīng)達(dá)到48%以上[1].在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升機(jī)組效率將面臨機(jī)組過(guò)于復(fù)雜、材料強(qiáng)度不足等問(wèn)題.與蒸汽朗肯循環(huán)相比,以超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO2)為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)可以減少設(shè)備尺寸[2-3],提高燃煤機(jī)組發(fā)電效率[4-5].近年來(lái),學(xué)者們提出將S-CO2布雷頓循環(huán)應(yīng)用于傳統(tǒng)能源發(fā)電[6]和新能源發(fā)電[7]領(lǐng)域,以突破發(fā)電機(jī)組效率提升瓶頸,降低大型電站的單位發(fā)電成本[8].

將S-CO2布雷頓循環(huán)應(yīng)用于燃煤鍋爐已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn),S-CO2布雷頓循環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]、換熱設(shè)備設(shè)計(jì)[10]以及鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[11]已經(jīng)取得了初步的成果. Sun等[12]和Xu等[13]已經(jīng)建立較為完備的多級(jí)回?zé)酳-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng), Zhou等[14-15]在此基礎(chǔ)上完成了S-CO2煤粉鍋爐的構(gòu)型設(shè)計(jì).與傳統(tǒng)蒸汽鍋爐相比，S-CO2鍋爐爐型顯著不同,使得爐內(nèi)的燃燒特性、熱負(fù)荷以及各組分濃度的時(shí)空分布產(chǎn)生巨大變化,對(duì)燃燒污染物產(chǎn)生重大影響,給S-CO2煤粉鍋爐污染物的控制與脫除帶來(lái)全新挑戰(zhàn),如何實(shí)現(xiàn)S-CO2循環(huán)鍋爐的NOx超低排放更是其中的關(guān)鍵性難題.

NOx的超低排放涉及爐內(nèi)燃燒抑制和尾部煙氣脫除協(xié)同控制,其中煙氣脫除受溫度影響較大.新型S-CO2循環(huán)煤粉鍋爐爐膛內(nèi)的NOx生成機(jī)理、如何減少爐內(nèi)的NOx排放、傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)的脫硝方法對(duì)全新的S-CO2循環(huán)煤粉鍋爐是否有效、是否需要設(shè)計(jì)新型的脫硝系統(tǒng)，是當(dāng)前亟需研究的內(nèi)容.目前,對(duì)于S-CO2煤粉鍋爐中NOx的生成規(guī)律以及脫除方法的研究尚有欠缺, Gu等[16]采用數(shù)值模擬的方法研究了分離燃盡風(fēng)(separated over-fire air, SOFA)對(duì)爐內(nèi)NOx的影響,結(jié)果表明SOFA的引入能夠有效減少爐內(nèi)NOx的生成.通過(guò)配風(fēng)等方式可以減少一定量的NOx生成,但爐膛出口處的NOx排放量依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn).對(duì)于S-CO2煤粉鍋爐來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)合適的尾部脫硝系統(tǒng)十分必要.

本文在上述研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建了S-CO2循環(huán)燃煤鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模型,得到S-CO2循環(huán)煤粉鍋爐的煙氣特征,根據(jù)煙氣特征及鍋爐尾部的受熱面分布,初步構(gòu)建S-CO2煤粉鍋爐NOx超低排放系統(tǒng),建立脫硝系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型,分析該系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)特性,優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng).

1 S-CO2煤粉鍋爐及其煙氣特性分析

1.1 S-CO2煤粉鍋爐

Zhou等[14]根據(jù)Xu等[13]設(shè)計(jì)的熱力系統(tǒng)構(gòu)建了1 000 MW級(jí)S-CO2煤粉鍋爐,該鍋爐采用反向雙切圓、單爐膛、П型布置,燃燒器采用八角雙火球切圓燃燒方式的全擺動(dòng)燃燒器,共設(shè)置6層一次風(fēng)口、3層油風(fēng)室、10層輔助風(fēng)室.為增加爐膛的受熱面積,爐膛采用上大下小結(jié)構(gòu),爐膛總高度為71.56 m,下部小爐膛橫截面為34.23 m×15.67 m,上部大爐膛橫截面為41.06 m×18.80 m.

1.2 煙氣成分分析

由于S-CO2煤粉鍋爐還處于設(shè)計(jì)階段,煙氣成分無(wú)法通過(guò)測(cè)量得到.本文首先采用CFD (computational fluid dynamics)數(shù)值模擬對(duì)上述S-CO2煤粉鍋爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)以及污染物NOx進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn),得到爐膛出口的煙氣成分.選取冷灰斗、爐膛燃燒區(qū)域、上部燃盡區(qū)域、水平煙道區(qū)域、豎井煙道區(qū)域?yàn)橛?jì)算域,采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格劃分方式對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)一次風(fēng)口、二次風(fēng)口和SOFA風(fēng)口處進(jìn)行加密,網(wǎng)格數(shù)量為 7.76×106,鍋爐構(gòu)型及各部分吸熱量和燃燒網(wǎng)格劃分如圖1所示.

(a) S-CO2循環(huán)煤粉鍋爐各部分吸熱量(單位：MW)

(b) 網(wǎng)格劃分

爐內(nèi)流動(dòng)采用帶旋流修正k-ε雙方程進(jìn)行模擬,采用DPM (discrete particle model)離散相模型計(jì)算顆粒與流體之間的質(zhì)量、動(dòng)量以及換熱變化,采用隨機(jī)軌道模型描述顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡.氣相湍流燃燒采用混合分?jǐn)?shù)/概率密度函數(shù)(mixture fraction / PDF),假定系統(tǒng)是平衡、非絕熱的,鍋爐設(shè)計(jì)煤種的化學(xué)分析及工業(yè)分析成分如表1所示.采用雙步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型描述揮發(fā)分析出過(guò)程,采用擴(kuò)散-動(dòng)力控制燃燒模型來(lái)描述焦炭燃燒過(guò)程,顆粒直徑服從Rosin-rammler粒徑分布,最小直徑、最大直徑、平均直徑和擴(kuò)散參數(shù)分別為10 mm、210 mm、60 mm和4.41.采用P-1輻射模型描述爐內(nèi)的輻射換熱,NOx含量通過(guò)后處理方法計(jì)算得到.S-CO2煤粉鍋爐的入口邊界條件和壁面邊界條件列于表2,其中一次風(fēng)、二次風(fēng)、SOFA風(fēng)速分別為26、50、54 m/s.出口邊界條件采用壓力出口邊界條件,出口壓力設(shè)置為 -50 Pa.

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析

表2 邊界條件設(shè)置

為確保計(jì)算結(jié)果的可靠性,本文選取5.56×106、7.76×106、1.02×107三套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析.3套網(wǎng)格出口NOx濃度、出口溫度和出口氧體積分?jǐn)?shù)誤差均小于5%.為保證模型準(zhǔn)確性,本文對(duì)同等級(jí)1 000 MW雙切圓單爐膛蒸汽鍋爐進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[17],比較出口NOx濃度、出口溫度和出口氧體積分?jǐn)?shù)誤差,三者計(jì)算值和測(cè)量值均小于5%.網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證和模型準(zhǔn)確性分析見(jiàn)表3.最終得到的S-CO2煤粉鍋爐滿負(fù)荷時(shí)爐膛出口煙氣參數(shù)如下：CO2、O2、N2、H2O、CO的體積分?jǐn)?shù)分別為17.61、3.80、72.03、6.25、0.30,SOx和NOx的質(zhì)量濃度均為959.58 mg/m3.

表3 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

2 NOx超低排放設(shè)計(jì)

2.1 S-CO2煤粉鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

SCR(selective catalytic reduction)反應(yīng)器根據(jù)安裝在鍋爐的不同位置可分為高溫高塵型布置、高溫低塵型布置、低溫低塵型布置,3種布置方式各有優(yōu)缺點(diǎn).與其他2種SCR脫硝系統(tǒng)布置方式相比,高溫高塵SCR布置具有技術(shù)成熟、脫硝效率高的優(yōu)點(diǎn),是目前火力發(fā)電廠最常見(jiàn)的脫硝方式.為選擇合適的SCR脫硝系統(tǒng)位置,首先根據(jù)各個(gè)受熱面的吸熱量對(duì)爐膛各個(gè)部分的煙氣溫度進(jìn)行核算,以確定進(jìn)入SCR脫硝系統(tǒng)的煙氣溫度.1 000 MW級(jí)S-CO2燃煤發(fā)電機(jī)組效率達(dá)到51.3%,需要輸入爐內(nèi)的熱量為1 949.32 MW,需設(shè)計(jì)煤量81.44 kg/s.按照Xu等[13]給出的各個(gè)受熱面的吸熱情況(見(jiàn)圖1),爐內(nèi)煙氣總焓減去各個(gè)受熱面的吸熱量,再通過(guò)煙氣焓折算可得省煤器出口溫度為518.03 ℃,比傳統(tǒng)水蒸氣鍋爐省煤器處出口煙氣溫度高.故將S-CO2煤粉鍋爐的空氣預(yù)熱器分為2級(jí),一級(jí)空氣預(yù)熱器布置在SCR脫硝系統(tǒng)之前,使得煙氣在到達(dá)反應(yīng)層時(shí)溫度降到催化反應(yīng)的最佳活性溫度.圖2為S-CO2煤粉鍋爐NOx超低排放示意圖,經(jīng)計(jì)算，第一級(jí)空氣預(yù)熱器需吸收215.83 MW,煙氣溫度降為380 ℃后進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)行脫硝反應(yīng)，隨后煙氣進(jìn)入二級(jí)空氣預(yù)熱器，將熱量傳遞給冷空氣后，經(jīng)過(guò)除塵器和脫硫塔除塵脫硫后經(jīng)煙囪排出.

圖2 S-CO2煤粉鍋爐NOx超低排放示意圖

2.2 S-CO2煤粉鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)

式中，ΔQNOx為NOx脫除量(以NO計(jì)),mg/m3;qm,NH3為NH3的質(zhì)量流量,kg/h;Q為SCR入口煙氣流量,m3/h;M為NH3與NOx的摩爾比,一般為0.8～1.2.

Gu等[16]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)S-CO2循環(huán)煤粉鍋爐在不同SOFA比例時(shí)的NOx生成規(guī)律進(jìn)行了研究,結(jié)果表明SOFA比例從0增加至28%時(shí),NOx的生成量顯著減少,而當(dāng)SOFA比例繼續(xù)增加時(shí),NOx的生成量變化較小.當(dāng)SOFA比例為28%～35%時(shí),爐膛出口的NOx體積分?jǐn)?shù)在320×10-6～340×10-6之間[16],即SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度為431.25 mg/m3,本文計(jì)算的爐膛出口NOx質(zhì)量濃度為435.13 mg/m3,故將SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定為450 mg/m3,為達(dá)到NOx超低排放的目標(biāo)(NOx排放質(zhì)量濃度不大于50 mg/m3),出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定為50 mg/m3,脫硝效率計(jì)算公式如下[18]：

(2)

式中，Min為反應(yīng)器入口處NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值,mg/m3;Mout為反應(yīng)器出口處NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值,mg/m3;ηNOx為NOx脫除率,%.

SCR催化劑的體積越大,NOx的脫除效率越高,氨的逃逸也越少,但催化劑的費(fèi)用也會(huì)增加.因此,合適的催化劑體積是保證合格的脫硝效率、避免氨逃逸、減少安裝費(fèi)用的前提.考慮到催化劑的幾何形狀及安裝結(jié)構(gòu),SCR反應(yīng)器的橫截面面積比催化劑截面大15%,催化劑橫截面和反應(yīng)器橫截面面積計(jì)算如下[18]：

(3)

ASCR=1.15Acat

(4)

式中，Acat為催化劑層截面面積,m2;qVfg為鍋爐煙氣流量,m3/h;ASCR為SCR反應(yīng)器截面面積,m2.

催化劑層數(shù)的初始估算值可以根據(jù)催化劑總量、催化劑橫截面面積和催化層原件估計(jì)高度計(jì)算得到,典型催化劑的額定高度約為1 m.SCR反應(yīng)器的高度一般根據(jù)催化劑的層數(shù)(包括初始安裝和預(yù)留層)、整流安裝高度和催化劑的安裝空間確定.催化劑體積、催化劑層數(shù)和反應(yīng)器高度估算式如下[18]：

(5)

(6)

H=(Nl+1)(C1+1)+C2

(7)

式中，η為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的脫硝效率,%;Kcat為催化劑活性常數(shù);βspe為催化劑比表面積,m2/m3；Vcat為催化劑估算體積,m3;hl為催化劑模塊高度,m;H為反應(yīng)器高度,m;Nl為催化劑層數(shù)，取2;C1為支撐及安裝催化劑所需要的高度空間,m;C2為整流層安裝高度及安裝需要的空間高度之和,m.

由鍋爐模擬部分得到在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(溫度0 ℃,壓強(qiáng)101.325 kPa)下,該1 000 MW S-CO2煤粉鍋爐爐膛出口煙氣量為2.35×106m3/h, NOx質(zhì)量濃度為435.13 mg/m3.為達(dá)到在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下出口NOx質(zhì)量濃度低于50 mg/m3、NH3逃逸質(zhì)量濃度低于10 mg/m3,基于上述計(jì)算方法,本文對(duì)該鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算,得到催化劑截面面積為366.70 m2,單層催化劑高度為2.25 m,反應(yīng)器內(nèi)布置2層催化層和1層備用層,總高度為16.65 m.

3 S-CO2煤粉鍋爐SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前述研究雖然獲得了S-CO2煤粉鍋爐SCR系統(tǒng)的布置方案與關(guān)鍵參數(shù),但是具體結(jié)構(gòu)上仍需進(jìn)一步明確,特別是針對(duì)S-CO2煤粉鍋爐大煙氣量特征還需進(jìn)一步優(yōu)化.大量學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)蒸汽煤粉鍋爐SCR系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,如Yang等[20]、Zeng等[21]、于玉真等[22]采用CFD方法模擬了脫硝系統(tǒng)內(nèi)部煙氣流動(dòng)情況,優(yōu)化了煙氣流動(dòng)與還原劑分布.為了確保脫硝效率,本文根據(jù)初步得到的SCR尺寸構(gòu)建脫硝系統(tǒng)的幾何模型,采用數(shù)值模擬的方法分析并優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)特性.

3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

按照1∶1的比例對(duì)初步構(gòu)建的S-CO2煤粉鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行三維建模.煙氣從省煤器入口開(kāi)始,流經(jīng)省煤器、一級(jí)空氣預(yù)熱器、擴(kuò)口流段、噴氨格柵和SCR反應(yīng)器等,到SCR反應(yīng)器出口段位置.催化劑層上游擴(kuò)口段采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分,其他部分采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示.

圖3 S-CO2煤粉鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)理模型及邊界條件

本文假設(shè)SCR系統(tǒng)煙道的氣體為理想氣體,忽略SCR內(nèi)部鋼架等結(jié)構(gòu).采用商用CFD軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬,使用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型建立SCR脫硝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.對(duì)于SCR內(nèi)催化劑層的壓降采用多孔介質(zhì)模型,多孔介質(zhì)模型通過(guò)在動(dòng)量方程中增加源項(xiàng)來(lái)表示,源項(xiàng)由黏性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)構(gòu)成,當(dāng)多孔介質(zhì)為各向同性時(shí),多孔介質(zhì)壓降損失模型[21]表示為

(8)

式中，ΔP為主流方向多孔介質(zhì)壓降,Pa;μ為流體動(dòng)力黏度,Pa·s;α為介質(zhì)滲透率;vd為煙氣流經(jīng)多孔介質(zhì)的速率,m/s;ρ為密度,kg/m3;C3為內(nèi)部阻力因子,m-1; Δl為多孔介質(zhì)厚度,m.

如前所述,本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)S-CO2煤粉鍋爐進(jìn)行了模擬,將獲得的爐膛出口壓力、各向速度和溫度作為SCR脫硝系統(tǒng)的入口邊界條件.壁面為無(wú)滑移絕熱壁面，出口采用壓力出口邊界條件,出口壓力為-600 Pa.

3.3 流場(chǎng)的評(píng)價(jià)方法

流場(chǎng)不均會(huì)造成煙氣與還原劑混合不均,催化劑局部嚴(yán)重磨損,均勻的流場(chǎng)分布是保證脫硝效率的前提. 采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv定量評(píng)價(jià)第1層催化劑入口氣流速度的均勻程度,Cv值越小氣流速度越均勻,Cv的定義[22]如下：

(9)

3.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,本文在相同幾何尺寸和邊界條件下,對(duì)3.1×105、4.7×105、6.2×105和7.8×105網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,比較4套網(wǎng)格下計(jì)算所得催化劑上游的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù),結(jié)果表明粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格的模擬結(jié)果偏差小于5%,在允許范圍內(nèi),最終SCR入口層的速度偏差如圖4所示.因而，本文選擇了4.7×105的網(wǎng)格數(shù)量.

3.5 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[23]進(jìn)行比較,驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性.本文研究對(duì)象1 000 MW級(jí)S-CO2煤粉鍋爐尾部SCR脫硝的研究還處于設(shè)計(jì)初期.因此,對(duì)同等級(jí)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,詳細(xì)的脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見(jiàn)文獻(xiàn)[23],比較了噴氨格柵(AIG)上下游以及催化劑入口處速度偏差,CFD結(jié)果與參考數(shù)據(jù)之間的對(duì)比如表4所示.本文選用模型與試驗(yàn)結(jié)果差異較小,在網(wǎng)格無(wú)關(guān)性試驗(yàn)和模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,選擇的CFD模型是可以接受的.

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

表4 SCR脫硝系統(tǒng)催化層上游速度準(zhǔn)確性驗(yàn)證 m/s

4 結(jié)果與分析

4.1 原始設(shè)計(jì)SCR內(nèi)流場(chǎng)分析

煙氣從一級(jí)空氣預(yù)熱器出口到第1層SCR催化反應(yīng)層入口的流動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程,從一級(jí)空氣預(yù)熱器出口進(jìn)入到連接煙道,煙氣的流通面積急劇減小,接著煙氣要流經(jīng)2個(gè)大轉(zhuǎn)角才能從狹窄的煙道進(jìn)入到截面面積較大的SCR脫硝反應(yīng)器中,流入催化劑層后在催化劑的作用下進(jìn)行脫硝反應(yīng),接著從反應(yīng)器流向二級(jí)空氣預(yù)熱器.

圖5為未加均流裝置的SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)分布.如圖5(a)所示,煙氣從一級(jí)空氣預(yù)熱器出口經(jīng)過(guò)90°偏轉(zhuǎn)進(jìn)入水平煙道后,由于流通面積的急劇變化以及煙道方向的變化,煙氣在煙道的流速一側(cè)達(dá)到流速最大值,另一側(cè)卻達(dá)到流速最小值,第1個(gè)轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)、第2個(gè)轉(zhuǎn)角外側(cè)、SCR反應(yīng)器入口的右半部分煙氣流速很低,甚至產(chǎn)生了回流.而在第1個(gè)轉(zhuǎn)角外側(cè)、第2個(gè)轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)局部速度很高,流速在27 m/s以上,在慣性作用下,含有大量飛灰的煙氣對(duì)壁面的直接沖刷造成較大的磨損.如圖5(a)、(b)所示,煙氣從煙道流入反應(yīng)器后,截面變大,在慣性作用下大量煙氣到達(dá)反應(yīng)器右側(cè),在催化劑上方產(chǎn)生旋流.煙氣由煙道進(jìn)入反應(yīng)器后,中間煙氣向兩側(cè)擴(kuò)展,形成橫向旋流,兩側(cè)煙氣橫向擴(kuò)展的空間較少,在催化劑上游產(chǎn)生縱向旋流.而這種旋流直接導(dǎo)致進(jìn)入催化劑層的煙氣速度分布不均和煙氣流向與催化層法向存在較大的偏角,是造成催化劑積灰與磨損的最大隱患.催化劑層上游截面的最大速度差為 11.34 m/s,速度偏差Cv為34.82%,速度分布不合格,需要安裝均流裝置來(lái)改進(jìn).

(a) 系統(tǒng)內(nèi)速度分布云圖

(b) 系統(tǒng)內(nèi)速度矢量圖

4.2 優(yōu)化方案

根據(jù)以上分析,脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣速度分布不均的主要原因是在煙氣流動(dòng)過(guò)程中流向的急劇變化以及通流截面的快速變化.為優(yōu)化SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng),本文通過(guò)對(duì)圖6中標(biāo)記的位置A、B、C安裝導(dǎo)板裝置來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng).

圖6 SCR脫硝系統(tǒng)圖

為進(jìn)一步優(yōu)化流場(chǎng),通過(guò)正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)計(jì)算工況,采用六因素三水平L18(36)進(jìn)行試驗(yàn),將A處導(dǎo)流板塊數(shù)記為因素Ⅰ (3、4、5)、A處導(dǎo)流板弧度記為因素 Ⅱ (弧度為60°、90°、120°)、B處布置導(dǎo)流板塊數(shù)記為因素 Ⅲ (3、4、5)、B處導(dǎo)流板弧度記為因素Ⅳ (弧度為60°、90°、120°)、C處中心線形狀記為因素Ⅴ和C處導(dǎo)流板排列方式記為因素Ⅵ.圖7(a)展示了A處的一種導(dǎo)流板布置方案,4塊90°的圓弧導(dǎo)流板均勻地布置在轉(zhuǎn)角處,為因素Ⅰ水平2和因素Ⅱ水平2；與A處相同,圖7(b)展示了B處的一種導(dǎo)流板布置,3塊120°的圓弧導(dǎo)流板均勻地分布在拐角處,為因素Ⅲ水平1和因素Ⅳ水平3；圖7(c)展示了C處沿對(duì)角線方向均勻地布置12塊弧形導(dǎo)流板,為因素Ⅴ水平1和因素Ⅵ水平1.詳細(xì)的因素水平如表5所示,共設(shè)置18組正交試驗(yàn),正交試驗(yàn)表及計(jì)算結(jié)果如表6所示.

(a) 轉(zhuǎn)角A

(b) 轉(zhuǎn)角B

(c) 反應(yīng)器入口段C

表5 優(yōu)化方案

根據(jù)極差的大小，分析3處導(dǎo)流裝置對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的影響順序,極差值越大,表示該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度越大,則該因素為主要因素.極差計(jì)算方法如下[22]：

(10)

R=max(k1,k2,…，ki)-min(k1,k2,…，ki)

(11)

式中，Ni為每個(gè)影響因素i個(gè)水平的重復(fù)次數(shù);Ki為每個(gè)因素i個(gè)水平的數(shù)值之和;ki為每個(gè)因素i

表6 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

個(gè)水平的平均值;R為極差,是將i個(gè)ki值中的最大值減去最小值.根據(jù)極差值分析6因素(因素A、B、C、D、E、F)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度,極差值越大,該因素的影響便越大.

第1層催化層入口速度偏差Cv的極差見(jiàn)表7,C處導(dǎo)流板中心線(因素E)對(duì)流場(chǎng)影響最大,其他因素較因素E對(duì)流場(chǎng)影響較小且相差不大.其中,選擇因素E 水平2的6組試驗(yàn)中,速度偏差普遍較大,選擇因素E 水平3的6組試驗(yàn)中,速度偏差普遍較小.18組正交試驗(yàn)中僅有一組滿足速度偏差Cv<15%.

表7 指標(biāo)Cv影響因素極差分析 %

4.3 優(yōu)化后流場(chǎng)分析

優(yōu)化后模擬結(jié)果如圖8所示.從圖8(a) SCR內(nèi)整體流速分布云圖可看出,在導(dǎo)流板的作用下,煙道內(nèi)一側(cè)流速極大,一側(cè)流速極小的情況已經(jīng)消失.流道內(nèi)、一級(jí)空氣預(yù)熱器出口處煙氣流速最大,為21.56 m/s.轉(zhuǎn)角后煙氣速度降到18 m/s,對(duì)壁面的直接沖刷也消失,A、B兩個(gè)轉(zhuǎn)角處的導(dǎo)流板起到了很好的引流作用.在C處導(dǎo)流板的作用下,煙氣在進(jìn)入催化劑層前被分流,分流后的煙氣均勻地進(jìn)入催化劑層.如圖8(b)所示,催化劑層上游截面速度分布較為均勻,最大速度差為 8.47 m/s,速度偏差Cv為10.19%,速度分布較好.煙氣進(jìn)入催化層時(shí)與催化劑法向夾角也較小.

(a) 系統(tǒng)內(nèi)速度分布云圖

(b) 系統(tǒng)內(nèi)速度矢量圖

5 結(jié)論

1) 1 000 MW級(jí)S-CO2煤粉鍋爐的尾部SCR脫硝系統(tǒng)采用高溫高塵型布置方式,SCR反應(yīng)器前布置一級(jí)空氣預(yù)熱器以確保進(jìn)入催化層的煙溫合適,一級(jí)空氣預(yù)熱器的吸熱量為215.83 MW, SCR催化反應(yīng)器的催化劑截面面積為366.70 m2,高度為16.65 m.

2)未加裝均流裝置的SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣速度分布嚴(yán)重不均，并且會(huì)對(duì)煙道造成較大的沖刷. SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)共有3處易引起流動(dòng)不穩(wěn)定的位置，其中催化層上方C處導(dǎo)流板分布對(duì)進(jìn)入第1層催化劑的煙氣流動(dòng)狀態(tài)是否合格起著決定作用.

3)優(yōu)化后的SCR脫硝系統(tǒng)第1層催化劑入口相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv為10.19%,該方案可以作為 1 000 MW級(jí)S-CO2煤粉鍋爐的SCR脫硝系統(tǒng).