計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在火電廠 SCR系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化中應(yīng)用及研究進(jìn)展

高艷宏,邊凌濤

(1.重慶科技學(xué)院,重慶 400016;2.重慶恒泰工程造價(jià)咨詢有限公司,重慶 400020)

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在火電廠 SCR系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化中應(yīng)用及研究進(jìn)展

高艷宏1,邊凌濤2

(1.重慶科技學(xué)院,重慶 400016;2.重慶恒泰工程造價(jià)咨詢有限公司,重慶 400020)

作為一種設(shè)計(jì)和分析的工具,計(jì)算流體力學(xué) (CFD)技術(shù)已成功應(yīng)用于火電廠選擇性催化還原 (SCR)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,提供了大量物理模型或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不能得到的數(shù)據(jù)。介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外 CFD技術(shù)在選擇性催化還原(SCR)中的研究及應(yīng)用進(jìn)展,指出該研究目前存在的問(wèn)題及發(fā)展方向。

CFD;數(shù)值模擬;氨氮比

煙氣脫硝是目前發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用的減少NOx排放的方法,應(yīng)用較多的有 SCR法和 SNCR法等。SCR技術(shù)具有占地面積小、脫硝效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),已成為火電廠NOx減排的主流技術(shù)。SCR系統(tǒng)內(nèi)煙氣與還原劑的均勻混合、反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的合理分布是系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。采用傳統(tǒng)的建立試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)的方法工作量大、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、得到的數(shù)據(jù)有限[1],難以滿足大型工程的需要。計(jì)算流體力學(xué)是基于數(shù)學(xué)方法建立單相或多相流動(dòng)基本控制方程[2-5],利用數(shù)值方法對(duì)其進(jìn)行求解的一門(mén)科學(xué)。CFD軟件的引入除了傳統(tǒng)的應(yīng)用 (計(jì)算流場(chǎng)、溫度分布、氨分布等)外,還能夠解決氨液滴蒸發(fā)以及灰粉顆粒分布等復(fù)雜問(wèn)題。彌補(bǔ)和克服了傳統(tǒng)方法的缺陷,縮短研發(fā)周期,還可獲取大量局部、瞬時(shí)數(shù)據(jù),有助于設(shè)計(jì)更為合理的煙氣脫硝系統(tǒng)。本文介紹了計(jì)算流體力學(xué) (CFD)在 SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化中的研究與應(yīng)用進(jìn)展。

1 CFD在國(guó)外的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外煙氣選擇性催化還原 NOx技術(shù)已經(jīng)非常成熟,實(shí)現(xiàn)了廣泛的商業(yè)化應(yīng)用,許多國(guó)家和大公司都致力于這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展,如丹麥的 Flow Vision、Force Technology、Airflow Sciences Corporation等。數(shù)值模擬計(jì)算,作為一種更直接有效、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、方便快捷的方式很快被應(yīng)用到 SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化領(lǐng)域。通過(guò)對(duì) SCR系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬優(yōu)化,可以成功地設(shè)計(jì)出達(dá)標(biāo)、可靠的脫硝系統(tǒng)。

B.Adams,C.Senior[6]通過(guò)使用 CFD軟件對(duì) 550 MW燃煤鍋爐 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行三維模擬,預(yù)測(cè)了 SCR系統(tǒng)內(nèi)流體的流動(dòng)特性和NOx的還原,優(yōu)化了脫硝系統(tǒng)。圖 1顯示 SCR系統(tǒng)速度分布均勻情況。由圖 1可知,系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)分布比較均勻,阻損較小,達(dá)到了優(yōu)化模擬的效果。

Yoshiro Inatsune[7]對(duì)中國(guó) Ninghai電廠 4號(hào)爐(600MW)SCR煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),系統(tǒng)采用高塵工藝,為了防止大量的灰塵通過(guò)反應(yīng)器時(shí),引起催化劑堵塞、性能下降等不良現(xiàn)象,特采取降低流速的措施,使灰塵在進(jìn)入反應(yīng)器前落入灰斗。為了進(jìn)一步確認(rèn)效果及系統(tǒng)內(nèi)煙氣流速分布情況,采用 CFD進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。結(jié)果顯示,流場(chǎng)分布情況良好,能夠滿足脫硝率和逃逸率的設(shè)計(jì)要求,且與冷態(tài)模型結(jié)果吻合情況較好。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)速度場(chǎng)模擬

圖2 SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣分布情況模擬

McDermott Technology,Inc.(MTI)和Babcock& W ilcox Company[8]對(duì)臺(tái)灣的 550MW Taichung 5至 8號(hào) SCR系統(tǒng)進(jìn)行了全尺寸和十分之一尺寸數(shù)值模擬,并將模擬結(jié)果與比原型縮小 10倍建立的冷態(tài)模型所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。設(shè)計(jì)脫硝效率為50%以上,氨的最大逃逸量為 5×10-6。驗(yàn)證結(jié)果顯示:CFD十分之一尺寸模擬結(jié)果與物理流動(dòng)模型模擬結(jié)果,及 CFD全尺寸模擬結(jié)果與全尺寸物理流動(dòng)模型壓降模擬結(jié)果十分吻合。

此外,Ho Jeong Chae等[9]直接采用填充床流動(dòng)反應(yīng)器模擬蜂窩狀 V2O5-WO3-TiO2催化劑催化反應(yīng)。在這個(gè)模型中充分考慮了蜂窩狀反應(yīng)器的擴(kuò)散阻力,預(yù)測(cè)了蜂窩狀反應(yīng)器的催化劑壁厚和孔結(jié)構(gòu)等對(duì)NO脫除活性和NH3泄漏的影響,通過(guò)模型驗(yàn)證擴(kuò)散阻力對(duì)商業(yè)規(guī)模 SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)具有重要作用,在商業(yè)規(guī)模的蜂窩狀反應(yīng)器中流動(dòng)形態(tài)和NH3的分布對(duì)NO脫除的運(yùn)行影響較大。

2 CFD在國(guó)內(nèi)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

相對(duì)于國(guó)外比較成熟的技術(shù)而言,我國(guó)的 SCR模擬技術(shù)才剛剛起步,研究工作主要停留在系統(tǒng)內(nèi)部氣流場(chǎng)模擬方面,相當(dāng)部分模擬結(jié)果并未與工程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

杜云貴等[10]利用 Fluent數(shù)值模擬軟件,針對(duì) 4套不同設(shè)計(jì)方案的 SCR系統(tǒng)建立三維模型,對(duì) SCR系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動(dòng)的均勻情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示:通過(guò)調(diào)整煙道拐角和反應(yīng)器入口等處導(dǎo)流板的位置和角度,流場(chǎng)得到很大的改善;催化劑入口平面大部份區(qū)域基本上達(dá)到了 0.85到 1.15的標(biāo)準(zhǔn)化速度范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)偏差 8.1%,達(dá)到了 <15%的模擬要求。催化劑入口速度分布見(jiàn)圖 3。

圖3 催化劑入口速度分布

孫克勤等[11]利用 CFD軟件對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了三維數(shù)值仿真分析,優(yōu)化了進(jìn)出口煙道的結(jié)構(gòu)形式、導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)與布置和噴氨格柵的結(jié)構(gòu)形式。模擬發(fā)現(xiàn),在反應(yīng)器內(nèi)任一橫截面上,煙氣流速基本上比較均勻,但在進(jìn)口左下角和出口右上角位置有局部的煙氣流動(dòng)死區(qū),容易積灰。通過(guò)在第一層催化劑上端橫截面上取點(diǎn)計(jì)算,該截面上煙氣流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差約 8%,NH3和NOx的摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差約為 4%,均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖 4a和圖4b分別為反應(yīng)器及第一層催化劑上端橫截面煙氣流速分布。

華北電力大學(xué)的董建勛等[12]根據(jù)催化劑脫硝宏觀特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和 SCR脫硝機(jī)理建立了 SCR煙氣脫硝反應(yīng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型,利用該模型采用概率分布的方法描述了反應(yīng)物的不均勻性,并就還原劑分布不均勻?qū)?SCR脫硝性能影響進(jìn)行了模擬分析,結(jié)果顯示,平均脫硝效率隨氨氮摩爾比偏差的增大而減少,而平均氨逃逸隨氨氮摩爾比偏差的增大而增加。但當(dāng)氨氮摩爾比偏差小于 10%時(shí),平均脫硝效率和平均氨逃逸與設(shè)計(jì)值的偏離不太大。

雷達(dá)[13]利用 Fluent軟件采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型、速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)耦合采用 IMPLEC算法對(duì)SCR反應(yīng)器及連接煙道進(jìn)行三維數(shù)值模擬,分析A IG處 10種典型速度場(chǎng)對(duì)催化劑入口界面上煙氣速度分布及氨氮比分布的影響。

圖4 SCR反應(yīng)器煙氣流速分布模擬示意

此外,蔡小峰等[14]、張彥軍等[15]、徐妍等[16]對(duì)SCR反應(yīng)器入口段煙氣速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。雖然這些模擬在一定程度上為工程實(shí)際提供了可靠的數(shù)據(jù)支持和保證,但是,受到工程具體實(shí)際條件及 SCR系統(tǒng)復(fù)雜性的影響,精確性還有待于提高,距離國(guó)外先進(jìn)水平還有很大的差距。

3 CFD模擬研究的發(fā)展方向及存在問(wèn)題

盡管使用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)模擬更快捷、更有效,數(shù)年來(lái)已經(jīng)取得了許多重要的成就,但是在某些方面仍有大量工作要做,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致的流場(chǎng)模擬精度不高。SCR系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且受到計(jì)算機(jī)等條件限制,流場(chǎng)模擬的精度還有待于提高;由于模擬過(guò)程中簡(jiǎn)化了化學(xué)反應(yīng)以及忽略了例如傳熱、NH3吸附能力與溫度的關(guān)系、系統(tǒng)內(nèi)飛灰的運(yùn)動(dòng)(如:沉積和二次夾帶)等諸多實(shí)際因素導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行情況存在差距;由于我國(guó) SCR技術(shù)尚未成熟,使得為數(shù)值模擬提供的邊界條件或重要設(shè)計(jì)參數(shù)本身的合理性值得探討。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在 SCR脫硝流場(chǎng)模擬中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,指出了 CFD技術(shù)模擬研究的發(fā)展方向。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,CFD技術(shù)在 SCR中的應(yīng)用將更廣泛。CFD技術(shù)可應(yīng)用于 SCR工程設(shè)計(jì)及其優(yōu)化和改造,并且已經(jīng)顯出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外已成功地將 CFD技術(shù)應(yīng)用于SCR工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造,而國(guó)內(nèi)才剛剛起步,應(yīng)加強(qiáng)開(kāi)展 CFD技術(shù)在 SCR系統(tǒng)中的應(yīng)用研究,逐漸掌握 SCR核心技術(shù),加速脫硝技術(shù)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程并最終獲取自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

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Application and development of CFD in flowing field optimization of SCR system in coal-fired power plant

Computational Fluid Dynam ics(CFD)modeling has been successfully used in Selective CatalyticNOxReduction(SCR)system s to existing coal-fired steam power plants as one of the design and analysis too ls. CFD has p rovided values and benefits unattainable by either physical flow models or field tests.The application and deve lopment of CFD for SCR System design in the SCR opt im ization processes are summarized,and the problem s and trends in this field are also propo sed.

Computational Fuid Dynam ics;numerical s im ulation;concentration ratio of ammonia to nitrogen

X701.7

B

1674-8069(2011)03-013-03

2010-09-31;

2011-04-27

高艷宏(1975-),女,內(nèi)蒙古赤峰人,碩士,講師,從事煙氣脫硝等方面的研究工作。E-mail:bltgyh@126.com