煤粉鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

沈 雷，韓娟娟

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

引言

選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)是指在催化劑作用下，在280℃～420℃的溫度范圍內(nèi)，還原劑（氨水、尿素等）有選擇地將煙氣中的NOX還原成為N2和H2O來減少NOX排放的技術(shù)，具有技術(shù)成熟、效率高、易控制等優(yōu)勢[1]。在最新標(biāo)準(zhǔn)100mg/m3的排放限值下[2]，目前乃至今后SCR技術(shù)仍是國內(nèi)火電、化工等行業(yè)大機(jī)組脫硝項(xiàng)目的首選。

SCR脫硝技術(shù)的關(guān)鍵在于煙氣能與還原劑充分地混合并以合適的速度和角度進(jìn)入催化劑發(fā)生反應(yīng)，這主要取決于脫硝裝置內(nèi)的流場分布，其中最關(guān)鍵的兩個(gè)位置分別是噴氨格柵（AIG）上游截面和首層催化劑的上游截面，前者對(duì)氨濃度分布起到?jīng)Q定性作用，后者對(duì)脫硝性能有著最直接的影響。變異系數(shù)CV為標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)之比[3]，是反應(yīng)某數(shù)據(jù)的離散程度的絕對(duì)值，可作為評(píng)價(jià)SCR脫硝系統(tǒng)CFD流場優(yōu)化的定量指標(biāo)，其中各指標(biāo)的目標(biāo)值如表1所示。

本文基于CFD軟件FLUENT，對(duì)完整的SCR脫硝裝置進(jìn)行了流場模擬，著重分析了AIG上游及首層催化劑上游截面上的各項(xiàng)指標(biāo)，作為依據(jù)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了脫硝裝置內(nèi)部的導(dǎo)流板布置方案。

表1 CFD流場模擬優(yōu)化指標(biāo)[4]

1 三維建模

采用三維建模軟件Gambit，建立1∶1比例的幾何模型，模型范圍包括從省煤器尾部煙道至空預(yù)器入口煙道部分。考慮到導(dǎo)流板以及整流格柵的厚度遠(yuǎn)小于反應(yīng)器尺度，故都將其厚度忽略。模型如圖1所示。網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)模型進(jìn)行分塊處理，較規(guī)則區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約370萬個(gè)。

圖1 SCR反應(yīng)器CFD模型

2 計(jì)算模型

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)SCR系統(tǒng)內(nèi)的煙氣湍流流動(dòng)過程進(jìn)行模擬，煙氣與還原劑氨的混合模擬采用多組分輸運(yùn)模型，選取多孔介質(zhì)模型對(duì)催化劑層進(jìn)行模擬。

3 邊界條件

本文以460t/h煤粉鍋爐BMCR工況為計(jì)算對(duì)象，省煤器出口煙氣量為442,767Nm3/h，煙氣動(dòng)力黏度為5.98×10-5m2/s。為使氨氣與煙氣充分混合，噴氨格柵共均布了216個(gè)小噴口，單個(gè)噴口面積為1.256×10-3m2，稀釋后的氨氣量為1971Nm3/h。結(jié)合以上參數(shù)和脫硝裝置進(jìn)出口尺寸可得SCR進(jìn)出口及氨氣入口的邊界參數(shù)，見表2。

表2 煙氣進(jìn)出口邊界參數(shù)

4 結(jié)果分析與優(yōu)化

4.1 優(yōu)化前流場分析

煙氣自省煤器流出后，分別沿上偏角31o和19o的傾斜煙道流經(jīng)下彎頭進(jìn)入垂直煙道，與由AIG噴入的氨氣混合后經(jīng)上彎頭轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较颍俳?jīng)整流格柵將速度均化后送入催化劑層完成脫硝反應(yīng)。在設(shè)計(jì)SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)部的導(dǎo)流裝置時(shí)，為避免由于慣性作用造成彎頭處出現(xiàn)過大的速度偏差和壓力損失，在SCR裝置四個(gè)轉(zhuǎn)彎處（垂直煙道上下彎頭、反應(yīng)器出口、SCR出口）分別設(shè)計(jì)了兩片導(dǎo)流板，此時(shí)SCR系統(tǒng)的煙氣流場情況如圖2所示（圖2中根據(jù)煙氣流動(dòng)方向劃分了前后左右，以便于下文敘述）。

圖2 優(yōu)化前煙氣流速分布情況

由于整個(gè)SCR煙道不存在左右偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，因此其內(nèi)部流場整體呈現(xiàn)左右對(duì)稱、前后偏差。由圖2可見，垂直煙道段前側(cè)的煙氣速度大于后側(cè)，一方面是由煙氣在下彎頭處的慣性造成，另一方面是由于下彎頭前接的上傾斜煙道存在沿流動(dòng)方向的上偏角減小，從而導(dǎo)致流場整體下移。經(jīng)計(jì)算，AIG上游截面的平均流速為11.86m/s，變異系數(shù)CV為16.3%，未達(dá)到CV≤15%的指標(biāo)。AIG上游流場不均直接影響到還原劑與煙氣的混合效果，對(duì)脫硝性能極為不利，因此需對(duì)該截面流場進(jìn)一步優(yōu)化。從圖2中還可以看出，經(jīng)上彎頭轉(zhuǎn)為水平方向的煙氣大幅沖向前側(cè)，直接導(dǎo)致整流格柵下游的流場出現(xiàn)明顯偏差。經(jīng)計(jì)算，首層催化劑上游煙氣流速CV為20.9%，也未達(dá)到CV≤15%的指標(biāo)。

根據(jù)表1，不考慮催化劑時(shí)要求SCR系統(tǒng)壓損不超過450Pa，通常造成較大壓降的情況是流動(dòng)發(fā)生大角度轉(zhuǎn)向或煙道口徑大尺度縮小，可通過合理布置氣流導(dǎo)向部件加以改善。圖3為不考慮催化劑阻力時(shí)的壓力分布情況，可見整個(gè)系統(tǒng)壓降為396Pa，可滿足系統(tǒng)壓損小于450Pa的要求。

圖3 優(yōu)化前煙氣壓力分布情況（不考慮催化劑時(shí)）

4.2 優(yōu)化后流場分析

針對(duì)當(dāng)前速度偏差較大的問題，提出在上偏角19o段煙道增設(shè)兩片導(dǎo)流板，將下彎頭上游的煙氣流場上揚(yáng)，減小垂直煙道的流速偏差。另在整流格柵上方增設(shè)四組導(dǎo)流葉片。兩處增設(shè)導(dǎo)流部件的位置分別見圖4a、b。

圖4 優(yōu)化后增設(shè)的導(dǎo)流板

圖5 優(yōu)化后煙氣流速分布情況

從圖5可以看出，增加圖4a中的兩片導(dǎo)流板后對(duì)垂直煙道內(nèi)的流場影響十分顯著，速度分布較均勻，為與氨氣的均勻混合營造了有利條件。圖6a為AIG上游截面的速度分布情況，此時(shí)該截面速度CV為12.3%。增加圖4b中的四組導(dǎo)流葉片后，緩解了大量煙氣沖向反應(yīng)器前側(cè)的問題，反應(yīng)器內(nèi)部的速度偏差減小。圖6b為首層催化劑上游截面的煙氣速度分布情況，此時(shí)該截面速度CV為9.2%。因此，優(yōu)化后這兩個(gè)截面均達(dá)到了CV≤15%的目標(biāo)。

圖7為優(yōu)化后自首層催化劑上方0.5m處向下的煙氣流線圖。從圖7可見，由此截面射入首層催化劑的煙氣幾乎均沿軸線垂直向下，且下游煙氣運(yùn)動(dòng)軌跡流暢，無漩渦產(chǎn)生。首層催化劑上游的煙氣的入射角（與鉛垂向下方向的夾角）最大值為6.3o，并且大于1o的區(qū)域不超過整個(gè)截面的5%。

圖6 水平方向上截面流速分布情況

圖7 流線圖

4.3 優(yōu)化后的氨濃度分析

圖8為優(yōu)化后SCR系統(tǒng)全區(qū)的氨濃度分布圖。從圖8可以看出，AIG下游至首層催化劑前的氨氣濃度分布十分均勻，經(jīng)計(jì)算催化劑上游氨濃度CV為4.6%，滿足了表1中對(duì)該處濃度分布的要求。

圖8 優(yōu)化后反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布情況

5 結(jié)論

采用Fluent軟件對(duì)460t/h煤粉爐的SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對(duì)AIG上游和首層催化劑上游各指標(biāo)的分析，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了SCR脫硝裝置的導(dǎo)流板布置方案，得到如下結(jié)論：

（1）優(yōu)化前布置在各轉(zhuǎn)彎處的導(dǎo)流板能夠滿足SCR系統(tǒng)壓損小于450Pa的要求，但是未能滿足AIG上游及首層催化劑上游的流場性能要求。

（2）進(jìn)口上傾煙道增加兩片導(dǎo)流板后，AIG上游煙氣流速CV = 12.3%，首層催化劑上游氨濃度CV = 4.6%；整流格柵上方增加4片導(dǎo)流板后，反應(yīng)器內(nèi)部流場均勻性增強(qiáng)，首層催化劑上游煙氣流速CV = 9.2%，最大煙氣入射角為6.3o，因此優(yōu)化后導(dǎo)流板布置方案能使SCR脫硝系統(tǒng)滿足各項(xiàng)流場指標(biāo)的要求。

[1]陳進(jìn)生.火電廠煙氣脫硝技術(shù)—選擇性催化劑還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13223-2011）[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[3]陳蓮芳.脫硝反應(yīng)器流場與反應(yīng)物混合模擬優(yōu)化[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.

[4]夏懷祥，段傳和.選擇性催化劑還原法（SCR）煙氣脫硝[M].北京：中國電力出版社，2012.