空氣預(yù)熱器硫酸氫銨積灰的數(shù)值研究

羅 閩，趙伶玲，李偲宇

(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)

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空氣預(yù)熱器硫酸氫銨積灰的數(shù)值研究

羅 閩，趙伶玲，李偲宇

(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)

建立了適用于液態(tài)黏性NH4HSO4沉積的積灰模型，對(duì)某SCR脫硝改造后的300 MW機(jī)組回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器蓄熱板的積灰過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了煙灰顆粒法向碰撞速度和角度、積灰強(qiáng)度、積灰厚度及積灰概率等積灰特性的變化規(guī)律.結(jié)果表明：在NH4HSO4沉積區(qū)，上、下板平均積灰強(qiáng)度分別為普通積灰區(qū)的7.3倍和4.5倍，且不同顆粒粒徑的積灰概率保持在90%左右，而在普通積灰區(qū)均小于35%；上板平均積灰強(qiáng)度約為下板平均積灰強(qiáng)度的2倍；積灰厚度與積灰強(qiáng)度的分布規(guī)律一致.

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器； SCR脫硝； 積灰； NH4HSO4

選擇性催化還原法(SCR)以其高效的特點(diǎn)成為當(dāng)前尾部煙氣脫硝技術(shù)的主流，并在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用[1].SCR系統(tǒng)中，還原劑(如氨水、尿素等)在催化劑作用下，選擇性地將煙氣中的NOx還原為N2，降低煙氣中NOx的含量[2].SCR系統(tǒng)通常布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間，從SCR系統(tǒng)中逃逸的氨氣會(huì)與SO3、H2O反應(yīng)生成NH4HSO4[3].NH4HSO4在420～493 K時(shí)呈黏性液態(tài)[4]，而回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的中低溫段正好在此溫度區(qū)間運(yùn)行，液態(tài)黏性的NH4HSO4會(huì)迅速粘在傳熱元件表面，吸附大量飛灰，進(jìn)而造成空氣預(yù)熱器堵塞，一般的吹灰器無(wú)法有效清除此積灰[5].

與普通無(wú)NH4HSO4沉積的低溫積灰相比，NH4HSO4沉積區(qū)的積灰由于黏性NH4HSO4的存在，兩者在煙灰顆粒與蓄熱板發(fā)生碰撞時(shí)的能量、速度衰減等方面均明顯不同，后者的積灰特性與松散性積灰存在顯著差異，需對(duì)二者分開(kāi)進(jìn)行討論.現(xiàn)有文獻(xiàn)中，為便于建模和計(jì)算，對(duì)鍋爐低溫受熱面上的積灰大多采用松散性積灰的處理方法[6]，這種處理方法對(duì)SCR脫硝改造后回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的積灰問(wèn)題顯然不再適用.

筆者對(duì)SCR脫硝改造后回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器高溫段(無(wú)黏性NH4HSO4沉積)、中低溫段(存在黏性NH4HSO4沉積)積灰進(jìn)行建模，并使用該模型對(duì)某SCR脫硝改造后300 MW機(jī)組回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器蓄熱板的積灰過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了NH4HSO4對(duì)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器積灰特性的影響，對(duì)分析和解決SCR脫硝改造后空氣預(yù)熱器的吹灰問(wèn)題具有重要的理論指導(dǎo)意義.

1 計(jì)算模型及研究對(duì)象

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程[7]模擬蓄熱板內(nèi)部湍流流動(dòng)，煙灰顆粒粒徑分布采用Rosin-Rammler分布[8]，平均粒徑為25 μm，其中最大顆粒粒徑為100 μm，最小顆粒粒徑為1 μm.顆粒在煙氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到曳力作用會(huì)顯著改變其運(yùn)動(dòng)軌跡，顆粒所受曳力采用文獻(xiàn)[9]的計(jì)算方法.

顆粒碰撞對(duì)積灰的計(jì)算十分重要，當(dāng)顆粒與蓄熱板壁面發(fā)生碰撞時(shí)，其黏彈性作用采用Maxwell模型[10]進(jìn)行描述：

(1)

式中：ξ為應(yīng)力，Pa；下標(biāo)D、S分別表示黏滯體和彈簧；θ為應(yīng)變；ζ為材料黏性系數(shù)；E為楊氏模量，Pa；t為時(shí)間，s.

本文中普通積灰區(qū)只考慮其彈性作用，忽略黏滯體作用；而在NH4HSO4沉積區(qū)既考慮彈性作用，又考慮黏滯體作用.

碰撞發(fā)生時(shí)，顆粒主要受到壁面對(duì)其法向力和切向力的作用.法向彈性系數(shù)Ψn由Hertz接觸理論[11]確定，切向彈性系數(shù)Ψt根據(jù)Mindlin-Deresiewicz接觸理論[12]確定，整個(gè)碰撞過(guò)程中，質(zhì)量為m的振子的阻尼系數(shù)χ與恢復(fù)系數(shù)e間的關(guān)系采用文獻(xiàn)[13]的計(jì)算方法.此外，碰撞過(guò)程中，在NH4HSO4沉積處，黏滯力的存在會(huì)使煙氣能量產(chǎn)生較大的衰減.在普通積灰區(qū)，恢復(fù)系數(shù)為0.9；而在NH4HSO4沉積區(qū)，由于液態(tài)NH4HSO4的強(qiáng)黏性，恢復(fù)系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，為便于計(jì)算，將其取為定值0.4.

采用基于速度的積灰準(zhǔn)則作為顆粒與蓄熱元件碰撞時(shí)顆粒是否產(chǎn)生沉積的判定依據(jù)，臨界積灰速度由以下公式[14]確定：

(2)

(3)

式中：vcr為臨界積灰速度，m/s；μ為泊松比；dp為顆粒直徑，m；下標(biāo)p和m分別表示顆粒和受熱面.

顆粒與蓄熱板碰撞時(shí)，當(dāng)顆粒與蓄熱板的法向碰撞速度大于其在該處的臨界積灰速度時(shí)，顆粒因碰撞而產(chǎn)生的彈性儲(chǔ)能足以克服其附著能，產(chǎn)生反彈；反之，顆粒沉積在蓄熱板上.NH4HSO4沉積區(qū)受熱面的楊氏模量為4×105Pa，普通積灰區(qū)受熱面的楊氏模量則為7.91×109Pa，對(duì)于同一顆粒，其在NH4HSO4沉積區(qū)的臨界積灰速度比其在普通積灰區(qū)高約一個(gè)數(shù)量級(jí).

空氣預(yù)熱器入口煙溫為612.3 K，根據(jù)NH4HSO4的物性，當(dāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器受熱面溫度在420～493 K時(shí)，作為NH4HSO4沉積區(qū)，此段積灰采用NH4HSO4積灰計(jì)算方法.顆粒碰撞和積灰的各模型均通過(guò)編寫(xiě)UDF程序，采用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行計(jì)算.

1.2 研究對(duì)象及網(wǎng)格劃分

所研究的對(duì)象為某SCR脫硝改造后300 MW機(jī)組回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，其蓄熱板為CU型，上板為波紋板蓄熱板，下板為波形定位板蓄熱板，如圖1所示.該空氣預(yù)熱器的轉(zhuǎn)速為2.32 r/min，對(duì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期(即25.86 s)內(nèi)空氣預(yù)熱器蓄熱板的積灰過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，流體流動(dòng)方向?yàn)閦方向.取CU型蓄熱板下部定位板的一個(gè)周期(寬度為38 mm，長(zhǎng)度為空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子高度1.6 m)的蓄熱元件作為計(jì)算域，網(wǎng)格尺寸為1.2 mm×1.2 mm×1.2 mm，總網(wǎng)格數(shù)約為38萬(wàn).

圖1 蓄熱元件幾何模型Fig.1 Geometric model of the regenerative unit

2 模型驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果與已有文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[15-16]的比較，對(duì)所建NH4HSO4沉積的積灰模型進(jìn)行驗(yàn)證.首先按照文獻(xiàn)[15]的實(shí)驗(yàn)條件建立模型，邊界條件也按其條件進(jìn)行選取，其上、下板均為光滑平板，入口煙溫為600 K，流速為8.5 m/s.計(jì)算所得煙溫分布見(jiàn)圖2.從圖2可以看出，本文計(jì)算煙溫值與文獻(xiàn)煙溫值的誤差很小，精度較高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煙溫超過(guò)493 K時(shí)，NH4HSO4呈氣態(tài)，NH3轉(zhuǎn)換生成NH4HSO4的轉(zhuǎn)換率超過(guò)90%，不發(fā)生沉積；在420～493 K煙溫區(qū)間內(nèi)，NH4HSO4呈黏性液態(tài)，且其轉(zhuǎn)換率達(dá)到60%～80%，NH4HSO4發(fā)生沉積，故在此煙溫區(qū)間內(nèi)，按NH4HSO4沉積區(qū)的處理方法進(jìn)行積灰計(jì)算符合實(shí)際情況.

圖2 煙溫分布與NH4HSO4轉(zhuǎn)換率的關(guān)系Fig.2 Gas temperature distribution vs. conversion rate of NH4HSO4

此外，本文計(jì)算得到的臨界積灰速度與文獻(xiàn)[16]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較見(jiàn)表1和表2.從表1和表2可以看出，采用本文模型計(jì)算得出的臨界積灰速度與實(shí)驗(yàn)值的誤差約為6%～15%，在允許的誤差范圍之內(nèi).因此，采用本文模型計(jì)算得到的臨界積灰速度作為判定顆粒是否沉積的準(zhǔn)則可以準(zhǔn)確反映顆粒沉積的基本特征.

表1 粒徑為54 μm顆粒的臨界積灰速度Tab.1 Critical deposition velocity for particles of size 54 μm

表2 粒徑為42 μm顆粒的臨界積灰速度Tab.2 Critical deposition velocity for particles of size 42 μm

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 溫度場(chǎng)

一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期后，煙溫沿z方向的分布如圖3所示.從圖3可以看出，從煙氣入口到出口，煙溫從612.3 K逐漸下降至約440 K；在z>1.25 m時(shí)，煙溫降至493 K以下，NH4HSO4開(kāi)始產(chǎn)生冷凝，黏附在蓄熱板表面，為NH4HSO4沉積區(qū)；而0

圖3 沿流動(dòng)方向煙溫的變化曲線Fig.3 Gas temperature profile along flow direction

3.2 法向碰撞速度和角度

沿z方向，上、下板出現(xiàn)顆粒碰撞時(shí)，顆粒(既包括反彈顆粒，又包括沉積的顆粒)的法向碰撞速度和角度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4.從圖4可以看出，沿著z方向，上板的顆粒法向碰撞速度由煙氣入口處的0.68 m/s降至出口的0.04 m/s.法向碰撞速度降低說(shuō)明顆粒的動(dòng)能在衰減，這主要是由顆粒與蓄熱板之間的碰撞造成的.法向碰撞速度降得越快以及越低，說(shuō)明顆粒與蓄熱板碰撞造成顆粒的能量衰減越大.在上板，顆粒法向碰撞角度由煙氣入口處的3.94°減至出口處的0.24°，法向碰撞角度減小則說(shuō)明隨著流動(dòng)的進(jìn)行和顆粒的動(dòng)能衰減，顆粒逐漸適應(yīng)煙氣流動(dòng)，與主流的跟隨性越來(lái)越好.

在下板，顆粒法向碰撞速度由煙氣入口處的0.3 m/s降至出口處的0.1 m/s，沿z方向也存在由于顆粒碰撞蓄熱板造成的動(dòng)能衰減，但動(dòng)能衰減幅度較上板小；而法向碰撞角度由煙氣入口處的2°減至出口處的1°，其減小幅度僅為上板的1/4，說(shuō)明在下板附近顆粒在入口處隨煙氣運(yùn)動(dòng)的跟隨性較好，這主要是由于上、下板波紋面的結(jié)構(gòu)不同造成的.

圖4 顆粒法向碰撞速度和角度分布Fig.4 Profiles of normal impact velocity and angle

3.3 積灰強(qiáng)度

采用單位面積上沉積的煙灰顆粒質(zhì)量來(lái)衡量蓄熱板表面的積灰嚴(yán)重程度，即

(4)

式中：md為蓄熱板某位置處的積灰質(zhì)量；A為相應(yīng)位置的面積；O為積灰強(qiáng)度，積灰強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率dO/dt也可看成是積灰速率.

進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，得到一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期后上、下板的積灰強(qiáng)度(見(jiàn)圖5).從圖5(a)可以看出，上板積灰強(qiáng)度明顯大于下板積灰強(qiáng)度，上板的平均積灰強(qiáng)度為198 μg/mm2，下板的平均積灰強(qiáng)度為98 μg/mm2，上板平均積灰強(qiáng)度約為下板平均積灰強(qiáng)度的2倍.與0

圖5(b)給出了不同時(shí)刻上、下板積灰強(qiáng)度沿z方向的分布.從圖5(b)可以看出，積灰強(qiáng)度隨時(shí)間增加而增大，在0

圖5 積灰強(qiáng)度分布Fig.5 Distribution of deposition intensity

3.4 積灰厚度

當(dāng)運(yùn)行一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期時(shí)，計(jì)算所得上、下板的積灰厚度分布見(jiàn)圖6.從圖6可以看出，上板平均積灰厚度為112 μm，下板平均積灰厚度為55 μm.在0

圖6 積灰厚度分布Fig.6 Distribution of deposition thickness

3.5 積灰概率

引入積灰概率來(lái)衡量顆粒與蓄熱板碰撞時(shí)，顆粒沉積于蓄熱板表面的可能性：

ηd=nd/nimp

(5)

式中：nd為蓄熱板某位置處沉積顆粒的數(shù)量；ηd為積灰概率；nimp為與對(duì)應(yīng)位置發(fā)生碰撞的顆粒的總數(shù)，nimp值越大，說(shuō)明顆粒越易沉積，反之，說(shuō)明顆粒越難沉積.

對(duì)不同粒徑范圍內(nèi)上、下板普通積灰區(qū)(0

此外，從圖7還可以看出，在普通積灰區(qū)，顆粒的積灰概率隨著顆粒粒徑的增大而減小，粒徑越大越不容易沉積，當(dāng)粒徑為100 μm時(shí)，積灰概率僅為2%，而在粒徑為25 μm時(shí)，積灰概率為35%.這是因?yàn)轭w粒臨界積灰速度隨著顆粒粒徑的增大而降低，相對(duì)而言，小顆粒與蓄熱板碰撞時(shí)，其法向碰撞速度更易滿足積灰條件而黏附在蓄熱板表面.但總體而言，在普通積灰區(qū)，各粒徑顆粒的臨界積灰速度均處于較低水平，不易沉積.而在NH4HSO4沉積區(qū)，粒徑為100 μm和25 μm時(shí)的顆粒積灰概率分別為92%和90%，積灰概率幾乎與顆粒粒徑無(wú)關(guān)，均保持在90%左右的較高水平.這說(shuō)明在此區(qū)域無(wú)論是大顆粒還是小顆粒，碰撞時(shí)均極易產(chǎn)生灰分沉積.這是由于黏性NH4HSO4的存在會(huì)導(dǎo)致臨界積灰速度比普通積灰區(qū)高約一個(gè)數(shù)量級(jí).因此在NH4HSO4沉積區(qū)，顆粒與蓄熱板碰撞時(shí)的法向碰撞速度低于其臨界積灰速度，使得產(chǎn)生沉積的可能性較高(即積灰概率較大)，較大的積灰概率也會(huì)導(dǎo)致此區(qū)域的積灰強(qiáng)度和積灰厚度明顯大于普通積灰區(qū).

圖7 積灰概率分布Fig.7 Distribution of deposition probability

4 結(jié) 論

(1)NH4HSO4沉積區(qū)的積灰強(qiáng)度、積灰厚度和積灰概率等均明顯大于普通積灰區(qū)，積灰更加嚴(yán)重.

(2)空氣預(yù)熱器上板的法向碰撞速度和角度均高于下板的法向碰撞速度和角度.

(3)液態(tài)NH4HSO4的黏性作用對(duì)空氣預(yù)熱器積灰特性的影響十分顯著，在進(jìn)行積灰計(jì)算時(shí)，須予以考慮.

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Numerical Simulation of Ash Deposition with Adhesion of NH4HSO4in an Air Preheater

LUOMin,ZHAOLingling,LISiyu

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,Southeast University, Nanjing 210096, China)

A model was built for ash deposition with adhesion of viscous liquid NH4HSO4, based on which numerical simulations were conducted to study the ash deposition process on the regenerative unit of a rotary air preheater in a 300 MW set after retrofit of its SCR denitrification system, so as to analyze the variation law of the ash deposition characteristics, such as the normal impact velocity and angle of particles, and the deposition intensity, thickness and probability, etc. Results show that the average deposition intensity in the area with NH4HSO4adhesion is 7.3 and 4.5 times of that without NH4HSO4respectively for the upper and lower wall; the deposition probability in the area with adhesion of NH4HSO4is around 90%, whereas the value in areas without NH4HSO4is lower than 35%. The average deposition intensity on the upper wall is 2 times of that on the lower wall. The distribution of deposition thickness is in the same pattern as that of deposition intensity.

rotary air preheater; SCR denitrification; ash deposition; NH4HSO4

2015-12-23

2016-02-04

羅 閩(1991-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛痣姀S低溫受熱面?zhèn)鳠崤c積灰. 趙伶玲(通信作者)，女，教授，電話(Tel．)：025-83793453；E-mail：zhao_lingling@seu.edu.cn.

1674-7607(2016)11-0883-06

TK224.9

A 學(xué)科分類號(hào)：470.30