某電廠(chǎng)SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化

吳宇星，張晉滔，朱曙光，方俊

(1.南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094；2.蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009)

氮氧化物是主要的大氣污染物之一，它會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。根據(jù)最新的排放標(biāo)準(zhǔn)，燃煤電廠(chǎng)進(jìn)行超低排放后NO的排放質(zhì)量濃度限值應(yīng)低于50 mg/m3[1]，這就要求在煙氣排放前對(duì)煙氣進(jìn)行脫硝處理。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)成熟，脫硝效率能達(dá)到80%～90%，遠(yuǎn)高于其它方式，在火電廠(chǎng)煙氣脫硝中應(yīng)用廣泛[2]。當(dāng)前SCR脫硝技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中面臨脫硝設(shè)備在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)脫硝效率降低和氨逃逸率升高等問(wèn)題。原因是反應(yīng)器煙道內(nèi)部煙氣流速不均勻，導(dǎo)致煙氣與還原劑在進(jìn)入催化劑層前未能充分混合。通過(guò)對(duì)脫硝反應(yīng)器進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化能有效減少上述問(wèn)題的發(fā)生[3]。本文針對(duì)某電廠(chǎng)脫硝煙道噴氨格柵前及首層催化劑層前煙氣速度分布不均的問(wèn)題，用數(shù)值模擬的方法，在原有流場(chǎng)方案的基礎(chǔ)上通過(guò)添加部分導(dǎo)流板，以及更換導(dǎo)流板樣式，使得經(jīng)過(guò)流場(chǎng)優(yōu)化后的反應(yīng)器在不同工況下均能滿(mǎn)足噴氨格柵前及首層催化劑層前煙氣速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15%的工程要求。

1 數(shù)值模型

1.1 研究對(duì)象及幾何模型

某電廠(chǎng)600 MW機(jī)組每臺(tái)鍋爐配置兩臺(tái)SCR脫硝反應(yīng)器，反應(yīng)器以鍋爐中心線(xiàn)鏡像布置，故僅以單側(cè)反應(yīng)器作為研究對(duì)象。取省煤器出口至空氣預(yù)熱器入口處作為計(jì)算區(qū)域，以1∶1的比例在SOLIDWORKS軟件中建立SCR脫硝反應(yīng)器的三維幾何模型，考慮到導(dǎo)流板和整流格柵等裝置的壁面厚度遠(yuǎn)小于流場(chǎng)尺寸，建模時(shí)將其作為無(wú)厚度壁面處理SOLIDWORKS中完成建模后將其導(dǎo)入ICEM軟件，SCR系統(tǒng)現(xiàn)有導(dǎo)流板設(shè)計(jì)安裝圖如圖1所示。

圖1 SCR系統(tǒng)現(xiàn)有導(dǎo)流板設(shè)計(jì)安裝圖

1.2 網(wǎng)格劃分

在ICEM中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作，由于反應(yīng)器整體幾何模型較為復(fù)雜，將其拆分為多段幾何模型簡(jiǎn)單的小段進(jìn)行網(wǎng)格繪制，對(duì)于較為規(guī)則的反應(yīng)器煙道區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格繪制，能夠提高計(jì)算精度，減少計(jì)算工作量。第三組擋板區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格繪制，用Interface面將各段網(wǎng)格相連接。針對(duì)噴氨格柵、導(dǎo)流板等流場(chǎng)變化較大的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密。在計(jì)算過(guò)程中逐步加密網(wǎng)格得到近似網(wǎng)格無(wú)關(guān)解。最終網(wǎng)格數(shù)量585萬(wàn)個(gè)。

1.3 邊界條件及控制方程

采用速度入口邊界條件，將入口劃分為4×11個(gè)均勻區(qū)域，反應(yīng)器速度入口劃分如圖2所示。對(duì)各入口分別賦以實(shí)測(cè)速度值，煙道壁面和內(nèi)部導(dǎo)流板等采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，催化劑層設(shè)置為多孔介質(zhì)模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，煙氣在反應(yīng)器內(nèi)的湍流流動(dòng)模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程[4]。其k方程和ε方程分別為：

圖2 反應(yīng)器速度入口劃分

(1)

(2)

1.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了評(píng)價(jià)煙氣在噴氨格柵前和首層催化劑層前的速度場(chǎng)均勻性，常采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差這一衡量尺度。速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的定義是在某一截面云圖隨機(jī)截取若干點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得樣本點(diǎn)的速度值xi(i=0，1，2……n)，然后用公式(3)和(4)進(jìn)行計(jì)算[6]：

(3)

(4)

(5)

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)有SCR系統(tǒng)方案的模擬結(jié)果

基于fluent對(duì)電廠(chǎng)現(xiàn)有的導(dǎo)流板布置方案進(jìn)行模擬，以機(jī)組在輸出功率為475 MW時(shí)所測(cè)得的反應(yīng)器入口風(fēng)速作為模擬時(shí)的入口速度。反應(yīng)器入口風(fēng)速見(jiàn)表1，從上至下為測(cè)點(diǎn)距離入口頂端的距離。初始結(jié)構(gòu)噴氨格柵前速度分布如圖3所示，初始結(jié)構(gòu)首層催化劑層前的速度分布如圖4所示。

圖3 初始結(jié)構(gòu)噴氨格柵前速度分布

表1 反應(yīng)器入口風(fēng)速 m·s-1

圖4 初始結(jié)構(gòu)首層催化劑層前的速度分布

由表1可以看出，由于采用非均勻來(lái)流條件，反應(yīng)器入口風(fēng)速差異較為明顯，A9一列煙氣速度較周?chē)俣让黠@偏高。水平煙道在入口端不遠(yuǎn)處存在一個(gè)向鍋爐一側(cè)的偏折角，加之噴氨格柵布置在水平煙道處，沒(méi)有采取通常布置在第一個(gè)90°拐角后的豎直煙道處的做法，這些都會(huì)使噴氨格柵前煙氣速度分布不均。從圖3中可以看到在靠近鍋爐一側(cè)(即圖3的右側(cè))存在明顯的低速區(qū)域。煙氣流速呈現(xiàn)格柵式分布，部分區(qū)域上方和下方存在明顯的低速區(qū)域。煙氣流速呈現(xiàn)格柵式分布是由于截面后的噴氨格柵對(duì)煙氣流動(dòng)起到了阻礙作用，中間部分上方區(qū)域和下方區(qū)域出現(xiàn)低速區(qū)是由于入口處上方和下方的入口速度過(guò)低。通過(guò)計(jì)算，噴氨格柵前截面處的煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為17.84%，高于15%的工程要求。噴氨格柵前不均勻的速度場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致還原劑NH3與NOx的混合不均勻，同時(shí)噴氨格柵前速度場(chǎng)不均勻也會(huì)進(jìn)一步加劇首層催化劑層前速度場(chǎng)的不均勻性，從而使整個(gè)反應(yīng)器的脫硝效率降低，氨逃逸率升高。從圖4中還可以明顯看出，煙氣的高速區(qū)域呈現(xiàn)條狀分布，最左側(cè)存在低速區(qū)域，從左往右煙氣流速分布總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。左側(cè)低速區(qū)域的存在是由于煙氣經(jīng)過(guò)第二組擋板后方的水平煙道后，煙道面積突然增大，在流體流動(dòng)慣性的影響下，左側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了低速渦流區(qū)域。高速區(qū)域之間存在的條狀低速區(qū)域一方面是由于弧形導(dǎo)流板布置數(shù)量較少，未能均勻的分流煙氣，另一方面是因?yàn)椴捎脠A弧形導(dǎo)流板使得導(dǎo)流板末端存在低速渦流區(qū)域。由于大部分煙氣經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板導(dǎo)流轉(zhuǎn)向，使得到達(dá)反應(yīng)器外側(cè)(即圖1或圖4右側(cè))煙氣較少，煙氣流速較低。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在初始情況下首層催化劑層前的煙氣速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到17.12%，不滿(mǎn)足工程上的低于15%的要求。催化劑層前速度場(chǎng)的不均會(huì)導(dǎo)致催化劑磨損和堵塞等問(wèn)題，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的脫硝效率。

2.2 優(yōu)化方案

基于上述分析，本文利用數(shù)值模擬對(duì)原有導(dǎo)流板的數(shù)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于入口端與噴氨格柵之間距離較短，并且各個(gè)入口的煙氣流速差距較大，原方案導(dǎo)流板難以在較短距離實(shí)現(xiàn)煙氣的充分混合。本文采用的優(yōu)化方案為等距離布置12個(gè)與煙氣流動(dòng)方向呈現(xiàn)90°夾角的擋板，輔以?xún)蓧K平行于煙氣流動(dòng)方向的導(dǎo)流板的方案，入口段導(dǎo)流板優(yōu)化方案如圖5所示。催化劑層上方區(qū)域通過(guò)增加導(dǎo)流板數(shù)量，從原有的6塊導(dǎo)流板增至11塊，同時(shí)將弧形導(dǎo)流板替換為斜直板來(lái)實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)優(yōu)化，催化劑層上方導(dǎo)流板優(yōu)化方案如圖6所示。

圖5 入口段導(dǎo)流板優(yōu)化方案

圖6 催化劑層上方導(dǎo)流板優(yōu)化方案

2.3 優(yōu)化方案模擬結(jié)果

按照?qǐng)D5和圖6所示的導(dǎo)流板布置優(yōu)化方案，優(yōu)化后噴氨格柵前煙氣速度分布如圖7所示。通過(guò)在入口段均勻布置了與煙氣流動(dòng)方向垂直的擋板，起到了類(lèi)似擾流器的作用，較好的對(duì)煙氣進(jìn)行了混合。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，煙氣的速度分布較之前更為均勻。AIG前截面中間部分之前存在的上下區(qū)域之間的低速區(qū)域得到了有效緩解，截面右側(cè)存在的低速區(qū)域也得到了很大改善，經(jīng)過(guò)計(jì)算，此時(shí)截面處煙氣速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差降至13.92%，較之前下降了3.92%，滿(mǎn)足工程中低于15%的要求。

圖7 優(yōu)化后噴氨格柵前煙氣速度分布

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后首層催化劑層前的煙氣速度分布如圖8所示，從圖8中可以看到通過(guò)增加導(dǎo)流板數(shù)量，并將弧形導(dǎo)流板更改為折型導(dǎo)流板后，截面速度分布更加均勻。通過(guò)將導(dǎo)流板位置與煙道內(nèi)側(cè)壁面貼近，使得原來(lái)由于煙道面積擴(kuò)大造成的低速渦流區(qū)域得到有效緩解，同時(shí)通過(guò)增大導(dǎo)流板數(shù)量，使得之前速度分布圖上的條狀低速區(qū)域大大減小。經(jīng)過(guò)計(jì)算，通過(guò)流場(chǎng)優(yōu)化后首層催化劑層前煙氣速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.37%，較前下降了5.75%，滿(mǎn)足工程要求。

圖8 優(yōu)化后首層催化劑層前的煙氣速度分布

2.4 不同運(yùn)行工況下優(yōu)化方案的模擬結(jié)果

為了考量?jī)?yōu)化后的導(dǎo)流板系統(tǒng)在不同工況下的適應(yīng)情況，選取510 MW和572 MW兩個(gè)運(yùn)行工況來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，兩個(gè)工況的入口速度如同表1采用實(shí)測(cè)值。經(jīng)模擬計(jì)算，510 MW工況噴氨格柵前速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.75%，催化劑層前速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.73%，572 MW工況噴氨格柵前速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.63%，催化劑層前速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.68%，均滿(mǎn)足低于15%的工程要求。510 MW下噴氨格柵前煙氣的速度分布如圖9所示，510 MW下催化劑層前煙氣的速度分布如圖10所示，572 MW下噴氨格柵前煙氣的速度分布如圖11所示，572 MW下催化劑層前煙氣的速度分布如圖12所示。

圖9 510 MW下噴氨格柵前煙氣的速度分布

圖10 510 MW下催化劑層前煙氣的速度分布

圖11 572 MW下噴氨格柵前煙氣的速度分布

圖12 572 MW下催化劑層前煙氣的速度分布

3 結(jié)語(yǔ)

SCR系統(tǒng)內(nèi)原有的導(dǎo)流板布置下，噴氨格柵前煙氣速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為17.84%，首層催化劑層前的煙氣速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為17.12%，均高于15%，需要通過(guò)添加導(dǎo)流板等方式對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，使之符合工程要求。

數(shù)值模擬表明，通過(guò)在入口段設(shè)置與煙氣流動(dòng)方向垂直的導(dǎo)流板，并將催化劑層上方的導(dǎo)流板更改為折型導(dǎo)流板，將催化劑層上方的導(dǎo)流板數(shù)量從一開(kāi)始的6塊添至11塊，反應(yīng)器噴氨格柵前和首層催化劑層前的煙氣速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于15%，該模擬結(jié)果對(duì)反應(yīng)器后續(xù)進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化改造具有較大的參考價(jià)值。