鍋爐煙氣脫硝均流板設計研究

楊丑偉

(山西晉豐煤化工有限責任公司，山西 高平 048400)

NOx是評價環境質量重要指標之一，按照GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》，20 t/h以上蒸汽鍋爐和14 MW以上熱水鍋爐應當安裝污染物排放在線監控裝置，并應與環保部門的監控中心聯網。從國家層面到各省市層面，都在加快推進氮氧化物的治理，特別是燃煤鍋爐超低排放限值的實施，倒逼企業進行技術升級改造，滿足新環保排放要求。

1 項目技術改造概況

改造前鍋爐采用SNCR脫硝工藝，能夠滿足GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》要求，為實現超底排放要求，必須對鍋爐現有脫硝裝置進行提標改造，綜合調研現有脫硝技術，采用SNCR+SCR技術能夠滿足超低排放要求，但是原有鍋爐設計未留置催化劑裝填空間，需將煙道引出煙道進行設計。鍋爐為75 t/h的循環流化床鍋爐，在鍋爐尾部設置SNCR噴射裝置，擬在尾部煙道增加采用氨水為還原劑的SCR脫硝工藝，采用爐外1+1布置。

還原劑主要來源于SNCR未反應的氨水和煙道增加的氨水，涉及到SNCR反應和氨水揮發等多個傳熱傳質相變過程，較為復雜，因此該改造不考慮氨的濃度分布問題，僅對煙氣分布的速度場和溫度場進行優化模擬。SCR脫硝系統煙氣參數見表1。

表1 脫硝裝置入口煙氣參數

2 SCR脫硝改造流場數學模型與邊界條件

依據實際的工程運行環境，在達到工程要求的條件下，為方便進行模擬計算，對此SCR系統中煙氣情況進行如下的簡化與假設[1-2]：

1)視煙氣為不可壓縮的牛頓流體；

2)建立省煤器進口位置煙氣速度散布均勻的假設；

3)CFD模型中包含煙道系統與催化劑層；

4)采用多孔介質進行催化劑層壓降的模擬，生成出一個與實際的運行值相差無幾的壓力損耗實施模擬；

5)在CFD模型中裝配使流場發生變化的整流層與導流板等；

6)在CFD模型中，對一些對流場影響較小的內部構造如梁與構架等進行忽略。

根據上述的簡化和假設，SCR系統中煙氣流場的控制方程式可以表達為式(1)。

(1)

式中，S、Γ、φ分別為廣義源項、廣義擴散系數和通用變量。式(1)中的等式兩邊的各項，依次為瞬態項(transient term)、對流項(convective term)、擴散項(diffusive term)與源項(source term)。依據SCR系統中煙氣流動湍流的實際狀況，采取工程中常用的標準κ-ε湍流模型進行模擬塔內的煙氣湍流變化運動情況。

2.1 Cv值計算

按照新氮氧化物排放指標要求，尤其是技改項目，原有鍋爐的流場與空間未考慮SCR位置，改造項目的SCR設計性能尤為關鍵，利用標準偏差Cv測定SCR應器內NH3/NOx標準偏差、進入首層催化劑速度均勻性，溫度均勻性偏差值，來評價SCR流場性能。

2.2 網格劃分及邊界條件

利用前處理軟件對脫硝系統進行三維建模，利用六面體和四面體網格網格化三維模型。建立單元數量約為200萬的模型網格。為防止壁面非線性發散，采用低松弛迭代的變松弛系數法[3-4]。速度入口為煙氣入口邊界條件，壓力出口為出口邊界條件，采用標準壁面函數對模型壁面進行計算。

3 計算項目分析

在滿負荷條件下計算基準面，計算出模擬結果，在數值模擬試驗過程中，對達不到指標或者規范要求的模擬結果，安裝均流板進行流場優化設計，直到符合相關標準為止。研究項目主要為煙氣速度剖面圖、首層催化劑的煙氣進入角度和系統壓降，分析要點布置情況見圖1。

圖1 模擬要點位置

4 數值模擬優化設計方案分析

本研究通過對原模型進行CFD仿真模擬計算，在多次進行詳細的CFD仿真模擬計算研究的基礎上，對原模型加裝均流裝置，對均流板的形狀、結構尺寸、數量以及安裝位置、安裝角度等基本參數進行仿真模擬計算，得出綜合效果最佳的方案[5]。圖2為最佳優化方案的模型CFD模擬圖。

圖2 最佳優化方案導流裝置位置圖

5 結語

為了滿足機組脫硝改造設計和運行的技術要求，采用計算機數值模擬方法進行了大量的研究，并在此基礎上進行了優化設計。通過以上計算機數值模擬試驗研究與分析，確定了最佳優化的均流板設計方案。結果表明，在各截面的速度分布、催化劑入口角度分布等方面均滿足設計要求；系統的流動阻力損失也滿足要求。根據模擬結果進行均勻場改造，能夠明確均流板設計依據，改造后，達到預期效果。