1 000 MW機組脫硝系統(tǒng)流場模擬與優(yōu)化

胡志光，李 麗，朱怡儒，徐 勁

(1. 華北電力大學 環(huán)境科學與工程學院，河北保定071003；2. 中鋼集團天澄環(huán)保科技股份有限公司， 湖北武漢430000；3. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

?

1 000 MW機組脫硝系統(tǒng)流場模擬與優(yōu)化

胡志光1，李 麗1，朱怡儒2，徐 勁3

(1. 華北電力大學 環(huán)境科學與工程學院，河北保定071003；2. 中鋼集團天澄環(huán)保科技股份有限公司， 湖北武漢430000；3. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

脫硝裝置中流場分布不均會嚴重影響脫硝效率及催化劑使用壽命。針對超超臨界1 000 MW機組配套脫硝系統(tǒng)實際應用案例較少，經(jīng)驗不足等問題，以1 000 MW機組配套脫硝裝置為仿真對象，通過改直角彎道為圓角彎道，在不同位置增設不同尺寸、形狀的導流板，催化劑上方增設整流格柵對其內(nèi)部流場進行優(yōu)化，并通過云圖及均方根值進行定性及定量分析。研究表明：導流板及整流格柵可以改變煙氣流動的方向，對煙氣進行深度整流，使煙道及催化劑上方截面速度分布偏差系數(shù)降低到15%以下。在SCR反應器及煙道內(nèi)合理增設導流及整流裝置，可以使流場分布趨于均勻，提高脫硝反應效率和催化劑使用壽命。

脫硝；流場；均勻性；數(shù)值模擬；優(yōu)化

0 引言

NOx是造成酸雨的主要物質(zhì)，同時也是光化學煙霧、霧霾、溫室效應等重大環(huán)境污染的首要成因[1,2]。隨著國家對NOx排放標準的日益嚴格，普通低氮燃燒技術已無法滿足新標準的排放要求，選擇性催化還原脫硝技術以其脫硝效率高，技術應用成熟可靠而被廣泛采用[3,4]。研究表明，若脫硝系統(tǒng)氣流分布均勻性差時，在運行過程中高流速區(qū)域催化劑易發(fā)生磨損，而低速區(qū)大顆粒灰容易沉積堵塞催化劑孔，造成該區(qū)域氣流不能通過，同時對煙氣與氨的混合均勻程度、反應效果、氨逃逸率、壓降特性等均存在影響[5]。

目前國內(nèi)外學者對流場分布的研究主要采取數(shù)值模擬與模型試驗兩種方法。數(shù)值模擬以其對脫硝反應器內(nèi)氣流分布狀況模擬可靠性較好、經(jīng)濟性好、試驗周期短、結果形象直觀，可大大提高設計效率等優(yōu)點而被廣泛采用[6]。潘伶等對無錫某電廠脫硝反應器進行數(shù)值模擬，研究了導流板安裝前、安裝后、優(yōu)化后三種情況煙氣及顆粒流動狀況[5]。葉貴峰通過對SCR脫硝系統(tǒng)煙道導流板及催化劑層上方整流格柵進行模擬，說明導流及整流裝置可以減小進入催化劑前的煙氣的流線角[7]。毛劍宏等利用Fluent數(shù)值模擬加冷態(tài)實驗的方法，證明了在SCR反應器內(nèi)添加導流板可以降低流場速度偏差[8]。以上學者通過不同方式對SCR反應器流場進行了相關優(yōu)化，但SCR反應器流場均勻性與來流煙氣通道每個部分導流及整流結構設計均存在很大關聯(lián)，針對脫硝裝置在國內(nèi)大型機組安裝和使用經(jīng)驗相對較少的問題，根據(jù)SCR脫硝效率的影響因素，采用商用計算流體力學(CFD)軟件Fluent在1 000 MW機組配套脫硝系統(tǒng)噴氨煙道上、下轉(zhuǎn)向彎通道，SCR反應器進口，首層催化劑上方添加導流及整流裝置對流場進行綜合模擬及優(yōu)化。

1 模型建立

1.1 物理模型的建立

以1 000 MW燃煤機組的SCR脫硝反應器為模型，高塵區(qū)布置，采用兩臺相同的SCR反應器并聯(lián)方式，現(xiàn)對其中一臺反應器按與實際尺寸1∶1在Gambit中進行建模。SCR反應器具體模型及X軸方向與Y軸方向尺寸如圖1所示，單位m。寬(Z軸方向)均為11m。經(jīng)過網(wǎng)格無關性驗證，最終網(wǎng)格數(shù)為327萬。

圖1 SCR反應器及煙道模型示意圖

1.2 模擬條件設置

模擬條件設置如表1所示。

表1 邊界條件設置

進口速度設置為速度進口，SCR出口設置為自由出口，反應器內(nèi)流動為湍流流動，應用標準k-ε模型進行模擬。物料選擇混合煙氣(mixture-template)，Species中各物質(zhì)的體積分數(shù)如表2所示。

2 數(shù)值實驗及結果分析

2.1 煙道內(nèi)流場優(yōu)化

空塔布置情況下，系統(tǒng)煙道內(nèi)中心平面速度流場分布如圖2所示。

表2 脫硝系統(tǒng)入口煙氣成分

圖2 中心平面速度分布云圖

可以看出，噴氨煙道右側速度值偏大，最大高達32 m/s；左側速度值偏小最小的不足3 m/s，并在煙道彎道處速度值很低形成渦流。這種速度分布不利于煙氣與NH3混合，對催化反應效果有直接影響。經(jīng)過觀察分析煙道內(nèi)的流場分布，采取增設直弧形導流板的方式減緩流體通過煙道時的離心偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，改變煙氣流經(jīng)彎道后的流場分布，同時降低由二次流引起的阻力，減小壓降[9-11]。

具體優(yōu)化方案如下：

(1)噴氨煙道的兩個直角彎道改為圓角彎道，外側的彎道半徑為1 m，內(nèi)側彎道半徑為0.5 m。在上下兩個彎道處，分別增設兩塊圓弧半徑為1 m，尾部延伸為1 m和3 m的直弧形導流板。

(2)在方案一的基礎上，上下兩個彎道均增設一塊圓弧半徑為1 m，尾部延伸為2 m的直弧形導流板。

(3)在方案二的基礎上，上下兩個彎道均增設一塊圓弧半徑為1 m，尾部延伸為2 m的直弧形導流板。同時將下方尾部延伸為1 m的直弧形導流板在Y軸方向升高0.5 m；上方尾部延伸為1 m的直弧形導流板在Y軸方向降低0.5 m。

相應系統(tǒng)中心平面速度云圖如圖3所示。

圖3 中心平面速度分布云圖

由圖3可知，進行優(yōu)化后，噴氨煙道彎道處的速度得到明顯改善，抑制了煙氣因速度和壓力所產(chǎn)生的的渦流狀況，減小了流場分離現(xiàn)象。隨著導流板數(shù)量的增加，噴氨煙道速度云圖的色差越來越小，反應出速度分布均勻性變好。有效消除了噴氨段煙道流場內(nèi)的低速區(qū)域，使煙氣與NH3能夠在噴氨段內(nèi)均勻混合，對提高在反應器內(nèi)的催化反應效率有重要影響。同時選取空塔時與三種導流板方案時距噴氨煙道底部9 m處的橫截面為研究對象，通過美國RMS標準的相對均方根法進行定量分析評定氣流均布性質(zhì)量。其判定公式為[12]：

(1)

式中：CV表示速度分布偏差系數(shù)；Vi表示第i個采樣點的速度值；V0表示采樣點速度的平均值；n表示采樣點個數(shù)。

得出的速度分布偏差系數(shù)如圖4所示。

圖4 速度分布偏差系數(shù)對比

觀察可得，空塔情況下，Cv值最大，達不到合格標準，流場分布均勻性最差。隨著導流板數(shù)量的增加Cv值不斷降低，方案2、方案3已經(jīng)符合氣流分布優(yōu)秀標準，方案2的Cv值最低。并且由于添加導流板數(shù)量越多，對整個系統(tǒng)壓降影響越大，所以選擇方案2，添加三塊導流板。

2.2 反應器催化劑前流場均勻性模擬優(yōu)化

上述過程中，在噴氨煙道上下拐彎處增設導流板，目的是使噴氨煙道內(nèi)流場分布均勻，煙氣與NH3均勻混合，提高催化反應轉(zhuǎn)化率。但是根據(jù)圖3(b)可知，在反應器催化劑上方0.5 m處，煙氣速度分布仍然不均勻，反應器左側的速度明顯低于右側速度。為了使煙氣在進入催化劑前的流場分布滿足CV<15%，參考相關文獻，整流格柵可以對煙氣進行深度整流，均流效果顯著，同時可以減小速度流線方向與豎直方向的夾角，避免催化劑表面過度沖刷，延長催化劑使用壽命，達到提高催化反應效率的目的[13-15]。故選擇在催化劑層上方增設整流格柵。分析不同數(shù)量的整流格柵會對氣流產(chǎn)生不同的影響。同時格柵數(shù)量過多，壓損過高；數(shù)目過少，整流作用不夠明顯。選取長度為0.3 m的整流格柵，確定優(yōu)化方案如表3所示。

表3 具體模擬方案

相應SCR反應器中心平面速度云圖分別如圖5所示。

圖5 中心平面速度分布云圖

對比圖5可以看出整流格柵起到明顯的整流作用。方案一較無格柵方案時，反應器右側速度明顯減小，并且分布相對均勻。但是由于慣性作用，煙氣還是偏右側進入反應器，左側速度較低。方案二較方案一相比，速度流場分布相對均勻一些，但兩側的速度相對偏低，中間速度相對均勻。整體速度分布在三種方案中相對均勻。方案三較方案二相比，右側低速區(qū)減小，但左側的低速區(qū)沒有改善。對4種方案催化劑層上方0.5m處截面根據(jù)公式(1)求取Cv值，進行定量分析，結果如圖6所示。

圖6 速度分布偏差系數(shù)對比

從圖6可以看出，設置整流格柵后，對煙氣流場分布的均勻性有很大改善。設置25塊整流格柵時Cv值較低，考慮壓降因素，綜合考慮，選取增設25塊整流格柵的方案。

2.3 增設導流板后的優(yōu)化結果

反應器內(nèi)布置25塊整流格柵時，催化劑上方0.5 m處截面的煙氣速度分布偏差系數(shù)為20.88，仍達不到優(yōu)秀標準。左側流場速度仍然偏小，考慮原因，是因為煙氣經(jīng)過噴氨煙道上方的拐彎時，由于慣性，速度方向向前。選擇在格柵上方增設導流板，利用導流板來改變煙氣流動方向，使煙氣流場分布均勻。具體優(yōu)化方案如下：

(1)在噴氨煙道向過渡煙道轉(zhuǎn)彎處中間位置增設一塊長度為1.118 m，與水平方向夾角為26°的直形導流板。

(2)增設兩塊相同的導流板，在豎直位置等間隔分布。

(3)增設三塊相同的導流板，在豎直位置等間隔分布。

(4)在方案3基礎上，改下方導流板為半徑0.5 m的弧形板。

對應SCR反應器中心平面速度云圖如圖7所示，催化劑上方0.5 m平面速度云圖如圖8所示。

圖7 中心平面速度分布云圖

圖8 橫截面速度分布云圖

根據(jù)圖7，圖8可知，在催化劑上方增設導流板后，相對無導流板的工況，流場分布更加均勻。方案1中設置一塊導流板后，速度流場分布相對無導流板截面流場分布，中部和右側流場分布更均勻，左側速度分布有改善，左側低速區(qū)明顯減小，但依然存在，仍需改善。方案2中設置兩塊導流板，低速區(qū)主要集中在緊靠SCR反應器左側壁面部分的較窄區(qū)域，其他區(qū)域速度分布相對均勻。方案3中設置三塊導流板，低速區(qū)已經(jīng)基本改善，中部和右部的流場分布也很均勻。方案4在方案3的基礎上，為進一步優(yōu)化反應器左側低速區(qū)，將最下面的直形導流板改成弧形導流板。低速區(qū)部分已經(jīng)減少至SCR反應器邊緣部分，流場分布已經(jīng)大大改善。右側低速部分由于絕熱、氣流渦流以及氣流對壁面碰撞后反彈造成的，整體氣流分布CV值已達到優(yōu)秀標準。

根據(jù)公式(1)求取催化劑上方0.5m處平面速度分布偏差系數(shù)結果如圖9所示。

圖9 速度分布偏差系數(shù)對比

從圖9可以看出，設導流板后，對SCR反應器催化劑上方煙氣速度分布均布性有很大改善。隨著導流板的增加，速度分布偏差系數(shù)逐漸減小。綜合比較，方案4最優(yōu)。

3 結論

(1)通過FLUENT模擬，可以得到脫硝反應器流場內(nèi)各個位置上速度、壓力、溫度、濃度等的分布狀況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等，為脫硝系統(tǒng)氣流均布裝置設計提供了依據(jù)[5]。

(2)將入口煙道處直角改為圓角，并在煙道拐彎處合理布置導流板能有效減緩流體通過煙道時的離心偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，優(yōu)化煙氣流經(jīng)彎道后的流場分布，同時降低由二次流引起的阻力，減小壓降。

(3)整流格柵可以對煙氣進行深度整流，均流效果明顯；同時可以改變速度方向，減小煙氣速度方向與豎直方向的夾角，避免催化劑被過度沖刷，效果顯著。

(4)在整流格柵上方合理布置導流板，可以改善煙氣因慣性力而造成的反應器左側速度偏低的狀況，進一步優(yōu)化流場分布。

(5)燃煤電廠在實際運行中應進一步對其燃燒時的氧量、一次風量等運行參數(shù)進行優(yōu)化。已確保NOx排放量達到國家最新排放標準[16,17]。

[ 1 ]陳海彩，張軍，沈樂，等. 火電廠尿素熱解和水解工藝研究[J].電力科學與工程，2014，30(6)：16-19.

[ 2 ]趙毅，王涵，王添灝.同時脫硫脫硝固態(tài)反應劑究進展[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2016， 42(4)：17-19.

[ 3 ]閆超,張?zhí)m華.1000MW機組全負荷低NOx排放優(yōu)化[J].電力科學與工程,2015,31(12):61-65.

[ 4 ]MUZIO L，QUARTUCY G C，CICHANOWICZ J E. Overview and status of post-combustion NOxcontrol：SNCR,SCR and hybrid technologies[J].InternationalJournal of Environment and Pollution，2002，17(17)：4-30.

[ 5 ]潘伶，楊沛山，曹友洪.SCR脫硝反應器煙道內(nèi)部流場的數(shù)值模擬與優(yōu)化[J].環(huán)境工程學報，2015，9(6)：2918-2924.

[ 6 ]尹成，任凱，郭純，等.濕式電除塵器氣流分布數(shù)值計算研究[C]//中國電除塵學術會議，2015.

[ 7 ]葉貴峰.SCR煙氣脫硝反應器整流裝置和煙道導流板采用流場模擬優(yōu)化設計[J].海峽科學,2016(3):28-29,32.

[ 8 ]毛劍宏，宋浩，吳衛(wèi)紅，等. 電站鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)導流板的設計與優(yōu)化[J].浙江大學學報(工學版),2011，45(6):1124-1129.

[ 9 ]徐妍，李文彥.SCR脫硝反應器導流板的結構設計[J] .熱力發(fā)電，2008,37(10):49-52.

[ 10 ]蔡小峰.基于數(shù)值模擬的SCR法煙氣脫硝技術優(yōu)化設計[D] .北京：華北電力大學，2006.

[ 11 ]沈丹，仲兆平，過小玲.600 MW電廠SCR煙氣脫硝反應器內(nèi)不同導流板的流場數(shù)值模擬[J] .電力科技與環(huán)保，2007，23(1):42-45.

[ 12 ]梁玉超，胡滿銀，李媛，等.SCR反應器導流板及噴氨面的優(yōu)化設計[J] .熱力發(fā)電，2012，41(9):103-105，109.

[ 13 ]金定強，馬修元，申智勇，等.濕式靜電除塵器流場的數(shù)值模擬與優(yōu)化設計[J].電力科技與環(huán)保,2015，31(1):32-35.

[ 14 ]沈雷，韓娟娟.SCR脫硝裝置中整流格柵的優(yōu)化設計[J] .中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2014(5) :48-51.

[ 15 ]朱怡儒.1000MW燃煤發(fā)電機組煙氣脫硝裝置的仿真設計研究[D].北京:華北電力大學,2015.

[ 16 ]賈宏祿.370MW機組鍋爐低氮燃燒改造分析[J].電力科學與工程,2014,30(12):24-29.

[ 17 ]路通暢，韓寶庚，程林，等.660MW超超臨界鍋爐NOx排放特性試驗研究[J].電力科學與工程,2015，31(3):18-22.

HU Zhiguang1，LI Li1，ZHU Yiru2，XU Jin3(1.School of Environmental Science and Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2.Sinosteel Tiancheng Environmental Protection Science & Technology Co. Ltd., Wuhan 430000, China; 3.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Simulation and Optimization of Flow Field of 1000 MW Unit DeNOx System

The uneven flow field distribution of denitration device will seriously affect the denitration efficiency and service life of catalyst. In the light of the fact that the 1 000MW ultra-super critical units supporting denitrification systems lack practical cases and experiences, by changing right-angle corners into rounded ones, adding baffle of different size and shape in different position, and adding rectification grid above catalyst to optimize its internal flow field, the 1 000MW units supporting denitration system is set up as a simulation object via qualitative and quantitative analysis through contours and RMS Results of the research show that the deflector and rectifier grille can change the direction of flue gas, so by rectifying the gas flow deeply the Cv value of flue and the section above catalyst can be reduced to 15% or even less. Appropriate arrangement of deflector and rectification grid in denitrification reactor and flue can improve the uniformity of the flow distribution and denitration reaction efficiency and catalyst life as well.

DeNOx； flow field； uniformity； numerical simulation； optimization

2016-06-23。

胡志光(1958-)，男，教授，主要研究方向為燃煤電廠煙氣治理、電除塵器的計算機仿真控制技術和專家故障診斷技術等方面，E-mail:hzg2991@126.com。

X511

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.09.011