SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化及實驗研究

高建強， 梁勝瑩

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

SCR煙氣脫硝技術已在電廠廣泛應用，為實現(xiàn)氮氧化物超低排放，需要進一步提高脫硝效率。催化劑前煙道中流場以及氨氣濃度分布的均勻性是影響脫硝效率的關鍵因素[1]。對于SCR脫硝系統(tǒng)來說，導流裝置可以很好地保證流場及濃度場的均勻性。

在導流板優(yōu)化設計布置方面，文獻[2]利用數(shù)值模擬分析導流板布置方式對流場的影響，通過在脫硝系統(tǒng)煙氣入口處、上升彎道處加裝導流板，實現(xiàn)了SCR煙道流場的優(yōu)化，并對導流板間距進行優(yōu)化設計，保證了煙道界面內最佳的煙氣分布。文獻[3]提出改善反應區(qū)前的流場分布可降低催化劑入口氨氮比的偏差。徐妍采用Fluent軟件，應用k-ε雙方程模型計算煙道內氣體湍流運動，對SCR入口煙道處楔形頂結構的導流板進行優(yōu)化設計，得到直/弧導流板相結合的最優(yōu)布置方案[4]。文獻[5～6]采用Fluent對SCR脫硝煙道內彎道處導流板設置方案進行了模擬分析，探討了導流板布置方式對脫硝煙道出口速度分布、進出口壓差及流動過程能量損耗的影響。以上學者通過在不同位置進行導流板優(yōu)化來改善流場分布，但并沒有充分考慮脫硝裝置中煙氣飛灰的運動軌跡及濃度分布。煙氣中攜帶的固態(tài)飛灰會對催化劑造成嚴重的磨損，而對于脫硝系統(tǒng)煙道內飛灰分布及沉積區(qū)變化的研究經(jīng)驗相對較少，需要對導流板優(yōu)化技術深入研究，以改善催化劑層的煙氣入射偏角分布，減少煙氣對催化劑層的沖刷，同時加入離散相模擬，對飛灰沉積區(qū)進行研究，為導流板優(yōu)化布置提供參考。

針對某電廠SCR脫硝系統(tǒng)在長期運行中，由于煤質、燃燒條件等運行工況的變化，出現(xiàn)的催化劑孔堵灰、氨逃逸偏高及催化劑失活等問題，在不同的安裝位置，綜合考慮導流板的結構、數(shù)量、弧形板的開度等，將不同形式及不同弧度的導流板合理的布置在煙道擴口處、煙道上升拐彎處，在反應區(qū)頂部加裝整流格柵對流場進行深度優(yōu)化，同時對飛灰沉積區(qū)進行模擬研究，對原SCR系統(tǒng)進行綜合優(yōu)化改造，通過數(shù)值模擬與冷態(tài)實驗耦合的研究方法更加科學、準確地找到最佳優(yōu)化方案，并驗證了改造方案的有效性。

1 SCR系統(tǒng)模型

1.1 模型建立

以某電廠SCR脫硝裝置為研究對象，其結構如圖1所示。煙氣由省煤器出口進入脫硝系統(tǒng)，經(jīng)下方水平煙道、渦流混合器、上轉彎處導流板、入口罩、整流格柵到達SCR脫硝塔。噴氨格柵包括244個噴氨孔，孔徑為0.05 m。脫硝反應器有三層催化基層(其中第三層為備用層)，在首層催化劑上部設有整流格柵，為了使流入催化劑層的煙氣更加均勻，SCR入口煙道變截面或轉角處布置導流板。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)結構圖

利用Fluent對SCR脫硝系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，使用k-epsilon湍流模型(簡稱k-ε模型)對煙氣及飛灰在SCR煙道內的流動進行模擬計算。為考慮催化劑層的阻力及多孔特性，催化劑層結構采用多孔介質模型，孔隙率設置為0.9，各變量的收斂殘差值設置成10-6，同時做出以下不影響計算精度的簡化：煙氣為單相氣體，連續(xù)介質，脫硝入口界面煙氣流速及組分分布均勻[7]。

為了簡化計算，需要對幾何模型進行分塊劃分，SCR脫硝系統(tǒng)總共被劃分成14個區(qū)域。對于形狀規(guī)則的煙道、催化劑層等區(qū)域采用結構化網(wǎng)格，而噴氨格柵和整流板等復雜區(qū)域采用非結構化網(wǎng)格。為了提高計算的準確性，在噴氨格柵、導流板和整流格柵處進行局部網(wǎng)格加密[8～10]。為了檢驗計算的網(wǎng)格是否達到求解問題的網(wǎng)格無關性要求，在相同工況下，采用不同網(wǎng)格數(shù)量進行模擬，結果如表1所示。劃分過程中對網(wǎng)格逐步細化到294萬后，再進行網(wǎng)格加密模擬計算結果相差在2%以內，故采用294萬的網(wǎng)格數(shù)量進行模擬計算。

表1 網(wǎng)格無關性檢查

1.2 邊界條件及評價指標

根據(jù)電廠實際運行數(shù)據(jù)設置邊界條件如表2所示。

表2 煙氣參數(shù)及邊界條件

首層催化劑入口截面速度以及氨氣濃度分布的均勻性是評判脫硝效率高低的關鍵之一。工程項目常用相對標準偏差Cv來評價某截面參數(shù)的均勻性，相對標準偏差Cv值越小代表速度及濃度分布越均勻，有益于脫硝反應的進行。Cv的計算公式為：

(1)

(2)

2 原模型流場模擬

圖2(a)(b)為煙道內不同寬度方向上的煙氣流速變化云圖。從速度云圖可以看出：來流煙氣通過下水平煙道進入SCR反應塔后，在反應塔右側均形成了一個低速區(qū)。由圖可知：煙氣由水平煙道進入SCR反應器后，由于水平煙道末端直角轉彎的阻擋作用，煙氣在自身慣性作用下絕大部分從反應器左側通過，而在右側煙氣流量很小，相應壓力也較小，反應器右側出現(xiàn)一個低速區(qū)，導致左側的煙氣中一部分回流到右側低壓區(qū)同時產(chǎn)生一個渦流。

圖2中(c)(d)為煙道內噴氨格柵下游及首層催化劑入口處的煙氣流速變化云圖。計算分析優(yōu)化前煙道各截面速度分布可知：加裝導流板前噴氨下游速度偏差為23.3%；首層催化劑入口截面煙氣速度偏差為18.6%，高于常規(guī)定量分析的標準偏差(15%)，煙氣速度分布均勻性差，會導致脫硝系統(tǒng)氨氮混合不均，脫硝效率較低，氨逃逸超標等問題。

圖2 優(yōu)化前煙道流場分布

3 優(yōu)化后模擬分析

在SCR脫硝系統(tǒng)實際運行中，噴氨合理性及脫硝效率達標在很大程度上依賴于反應系統(tǒng)的流場及濃度場的均勻性[11]。布置適當?shù)膶Я靼逶赟CR煙道內，煙氣流速會降低，煙氣與催化劑的接觸及反應時間增長，有利于氣體的擴散、吸附和產(chǎn)物氣體的擴散，從而提高脫硝效率；但是導流板偏多時，煙氣與催化劑接觸時間過長，發(fā)生NOx氧化反應，反而降低脫硝效率，且導流板數(shù)目增加時壓損增加，使引風機的能耗增加[12]。因此，根據(jù)現(xiàn)場運行經(jīng)驗及流體理論知識，分別在圖1中不同位置設置不同數(shù)量的導流板，使得流場優(yōu)化效果最大化。首層催化劑上方整流格柵導板間距0.15 m，各轉角布置導板數(shù)量如表3所示。

3.1 流場及濃度場

煙道內導流板的布置方式將會直接影響煙道流場的分布狀況，進而影響SCR首層催化劑入口煙氣速度。基于已有文獻的導流板結構優(yōu)化方案，在不同的變截面處及彎道采用不同開度的弧形板或弧直板引導煙氣流動，使煙氣更加均勻地充滿煙道。經(jīng)過多次模擬及改進，得到最佳的整體導流板布置方案。

表3 優(yōu)化方案導流板布置

圖3(a)(b)是優(yōu)化改造后煙道內不同寬度方向上的煙氣流速變化云圖。圖3(c)(d)分別為噴氨格柵下游、首層催化劑入口煙氣流速變化云圖。

圖3 優(yōu)化后煙道流場分布

由圖3(a)(b)可知，通過布置導流板可以：(1)減少了煙道內前墻壁面上的速度邊界層的影響，布置導流板后速度邊界層的影響區(qū)域減小，只在尖角處存在較小的回流區(qū)域；(2)加裝導流板后噴氨格柵下游速度偏差由23.3%降至12.7%，煙氣速度分布更加均勻；(3)對比優(yōu)化前后首層催化劑入口處流線分布圖可以看出：加裝導流板可以引導弧形板后煙氣的流動，減小煙氣回流作用，使得煙氣進入上層催化劑層時更加均勻。同時，首層催化劑入口截面煙氣速度偏差由18.6%降至9.7%，優(yōu)化后煙氣均勻性更佳。相同機組的SCR脫硝系統(tǒng)煙道的導流板優(yōu)化方案研究還有文獻[13]，在入口煙道轉彎處布置弧形導流板，較好地改善了流場及濃度場。以首層催化劑入口截面為例，經(jīng)過加裝弧形或弧直形導流板均將截面的速度偏差降到10%以下。

3.2 煙氣入射角

計算得出優(yōu)化前后催化劑上方煙氣入射角度分布如圖4所示。優(yōu)化前催化劑上方速度入射角分布范圍很廣從0°到180°都存在。文獻[14]模擬發(fā)現(xiàn)在入口煙道增加導流板，可以減小首層催化劑入口截面的氣流偏角，分析優(yōu)化改造后催化劑層煙氣入射角，發(fā)現(xiàn)在10°范圍內的入射煙氣由優(yōu)化前的27.03%升至36.73%，且煙氣偏角處于90°以下的比例由86.7%升至91.3%，煙氣整體回流降低。

圖4 優(yōu)化前后入射角角度分布

3.3 優(yōu)化后飛灰磨損

煤燃燒過程中產(chǎn)生的飛灰顆粒的存在會對SCR系統(tǒng)流場產(chǎn)生一定影響，而流場的變化對飛灰顆粒運動和沉積也會產(chǎn)生影響。大量的飛灰顆粒在煙道內的運動撞擊，會在催化劑表面產(chǎn)生沉積及搭橋現(xiàn)象，造成催化劑的磨損與堵塞等。加入離散相進行數(shù)值模擬，能得到飛灰顆粒在SCR煙道內的運動軌跡與濃度分布，預測SCR反應器內部的飛灰特性，有助于SCR脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設計和運行[15]。

如圖5(a)(b)所示為SCR脫硝煙道內各個截面內飛灰濃度分布，首層催化劑上方飛灰濃度分布如圖5(c)所示，圖5(d)是不同寬度截面上沿深度方向飛灰濃度分布圖，x軸代表SCR脫硝塔催化劑層的深度(前墻與后墻間距)。在此基礎上，原模型中飛灰顆粒在流經(jīng)SCR脫硝塔時，其主要分布于偏右側煙道，此區(qū)域煙氣流速較低，對飛灰攜帶作用相對較弱，這里飛灰濃度很大，故在催化劑表層產(chǎn)生大量積灰，與文獻[16]得到的結論基本一致。

由圖5分析可知：優(yōu)化后的煙道內飛灰分布合理，只有在彎道處、前后墻貼壁處以及闊口區(qū)域存在部分的飛灰沉積區(qū)，在實際運行中只要在以上部位設置吹灰裝置即可減輕飛灰沉積及磨損問題。

圖5 飛灰濃度圖

通過優(yōu)化改造方案的流場、煙氣偏角、飛灰濃度場模擬可知，彎道中加裝導流板可以起到以下作用：(1)在噴氨格柵前合理的布置導流板可以保證噴氨格柵下游煙氣流速均勻性，避免了煙氣速度偏差過大引起的噴氨不合理；(2)合理的布置導流板可以改善彎道內的速度場，減小由于彎道處渦流和回流導致的磨損嚴重；(3)合理的布置導流板可以保證進入首層催化劑的煙氣流場均勻性，避免由于流場因素導致的脫硝效率偏低。在噴氨前煙道內加裝導流板可以很好地減少首個彎道帶來的擾流，尤其是減小了倒U型煙道上升階段煙氣界面上的速度偏差，同時可以改善流體流經(jīng)彎道時的分離現(xiàn)象，減小流體流經(jīng)彎道時產(chǎn)生的二次流所帶來的阻力，使得煙氣在噴氨區(qū)與煙氣更好地混合。

4 SCR反應器模型實驗研究

4.1 冷態(tài)試驗及方法

冷態(tài)模化技術是一種省時省力、更接近實際脫硝系統(tǒng)運行工況的實驗研究方法，通過冷態(tài)模化試驗對上述脫硝系統(tǒng)優(yōu)化改造方案進行驗證，如圖6所示，實驗臺由SCR反應塔模型、引風機、調節(jié)閥及若干管道組成。測量儀器由熱線風速儀、水平尺、三角板、量角器等組成。實驗主要步驟：(1)打開引風機開關，檢測管路有無漏風；(2)平置水平尺，將其固定于測孔正下方，把三角板直角邊緊貼于水平尺上；(3)將熱線風速分別伸入催化層前上下兩排各個測孔中測量速度值并記錄；(4)計算相對速度偏差。

圖6 實驗設備圖

4.2 實驗結果

實驗結果如圖7所示，圖7(a)為未優(yōu)化前測孔速度分布，圖7(b)為優(yōu)化后測孔速度分布。由圖可知，當SCR脫硝煙道未進行優(yōu)化時，速度均勻性較差，在近爐側存在一個低速區(qū)，速度相對偏差為19.3%；SCR脫硝煙道進行優(yōu)化后，速度均勻性明顯有所改善，速度相對標準偏差為11.3%。實驗結果與數(shù)值模擬結果相比較，其規(guī)律和基本趨勢均保持一致，但實驗中的速度相對標準偏差值都略微大于模擬結果，分析其原因：可能是因為實驗中由于粘合板之間的縫隙造成漏風，也可能是因為模擬進口煙氣流速是均勻的，而實驗中很難保證入口流速均勻。

圖7 實驗速度分布圖

5 結論

(1)加裝導流板后噴氨下游截面速度偏差由23.3%降至12.7%，煙氣速度分布更加均勻；首層催化劑入口截面煙氣速度偏差由18.6%降至9.7%，優(yōu)化后煙氣均勻性更佳；煙氣偏角處于90°以下的比例由86.7%升至91.3%，煙氣整體回流降低。

(2)優(yōu)化后的煙道內只在彎道處、前后墻貼壁處以及闊口區(qū)域存在部分的飛灰沉積區(qū)，在實際運行中只要在以上部位設置吹灰裝置即可減輕飛灰沉積及磨損問題。

(3)導流板布置方式直接影響煙道內流場的分布，分別在煙道內不同彎道處設置不同數(shù)量、不同形式的導流板，使得流場優(yōu)化最大化，并進行冷態(tài)實驗，驗證優(yōu)化改造方案的合理性。