基于CFD示蹤模擬的SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整研究

陸偉

摘 要：該文以某660 MW超超臨界燃煤電站SCR系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)24路噴氨支管子單元?jiǎng)澐譃锳、B、C、D4組，分別以SO2、CH4、NH3、SO3為示蹤氣體研究噴射入口與系統(tǒng)出口的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究表明，噴射入口與系統(tǒng)出口截面總體上具有良好的對(duì)應(yīng)性，靠近反應(yīng)器中心線的位置兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，靠近煙道壁面位置兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系相對(duì)較差，這與煙道的結(jié)構(gòu)型式有著較大關(guān)聯(lián)?；趪娚淙肟谂c系統(tǒng)出口的映射關(guān)系可以有效地指導(dǎo)噴氨支管閥門(mén)的針對(duì)性調(diào)整，有利于超低排放形勢(shì)下機(jī)組的高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：SCR 示蹤氣體 映射關(guān)系 噴氨優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：X701.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（c）-0029-02

目前，我國(guó)燃煤電站處于超低排放改造的攻堅(jiān)階段，國(guó)家嚴(yán)格要求到2020年全面實(shí)現(xiàn)超低排放改造，即實(shí)現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度排放小于50 mg/Nm3，這對(duì)SCR系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]研究表明，要實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的高效運(yùn)行，必須保證系統(tǒng)內(nèi)良好的氨氮混合匹配度，而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，SCR系統(tǒng)煙道任意截面內(nèi)NOx濃度的分布是非常不均勻的，因此必須對(duì)噴氨格柵各路支管閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，以全面提升系統(tǒng)的脫硝性能。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研單位在進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整時(shí)，很大程度上是通過(guò)測(cè)量SCR系統(tǒng)出口截面內(nèi)的NOx濃度分布、NH3逃逸特性[4]，然而，由于SCR系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，很難直觀地找到噴氨支管閥門(mén)與出口截面區(qū)域煙氣特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際調(diào)整中存在很大的經(jīng)驗(yàn)性、盲目性，調(diào)整工作耗時(shí)長(zhǎng)、精度差、效率低，因此，有必要尋找一種較為先進(jìn)的方法以指導(dǎo)SCR系統(tǒng)的噴氨優(yōu)化調(diào)整。

該文提出了基于CFD示蹤模擬的SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整指導(dǎo)方法，通過(guò)建立SCR系統(tǒng)三維全尺寸幾何模型，采用不同的示蹤氣體分別定義噴氨格柵AIG入口噴射參數(shù)，通過(guò)示蹤氣體入口噴射特性與出口分布特性的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)精確指導(dǎo)噴氨支管閥門(mén)與出口截面區(qū)域煙氣特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)超低排放形勢(shì)下SCR系統(tǒng)的噴氨優(yōu)化調(diào)整具有重要意義。

1 研究對(duì)象與方法

該文以某660 MW超超臨界燃煤電站SCR系統(tǒng)為研究對(duì)象，其選取液氨作為還原劑。該機(jī)組共有A、B兩個(gè)SCR反應(yīng)器，煙氣從省煤器出口進(jìn)入SCR系統(tǒng)，依次經(jīng)過(guò)多組導(dǎo)流板、噴氨格柵、AIG混合管、整流格柵等進(jìn)入SCR反應(yīng)器發(fā)生脫硝反應(yīng)，隨后“潔凈”的煙氣進(jìn)入下游空預(yù)器。超低排放形勢(shì)下，SCR反應(yīng)器采用了三層催化劑滿布置的改造方案，該SCR系統(tǒng)采用分區(qū)控制式噴氨格柵，單側(cè)各有24個(gè)手動(dòng)蝶閥分別調(diào)控24個(gè)“H型”噴氨格柵子單元，同時(shí)AIG下游布置AIG混合管以加強(qiáng)氨氮混合強(qiáng)度。

該文基于Gambit建立SCR系統(tǒng)全尺寸幾何模型（單側(cè)），包括內(nèi)部導(dǎo)流板、噴氨格柵、AIG混合管、整流格柵、催化劑層等；對(duì)AIG及混合管、整流格柵、導(dǎo)流板附近流域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，近壁處采用壁面函數(shù)法近似處理，規(guī)則流域采用六面體網(wǎng)格，復(fù)雜流域采用四面體網(wǎng)格，經(jīng)獨(dú)立性檢驗(yàn)最終確定網(wǎng)格劃分總數(shù)約350萬(wàn)。

2 結(jié)果與討論

開(kāi)展?jié)M負(fù)荷工況下的數(shù)值模擬研究，對(duì)噴氨格柵AIG 24個(gè)“H型”噴氨格柵子單元入口邊界分組自定義，具體為：子單元1～6噴射示蹤氣體為SO2，子單元7～12噴射示蹤氣體為CH4，子單元13～18噴射示蹤氣體為NH3，子單元19～24噴射示蹤氣體為SO3。定義各示蹤氣體的物性參數(shù)保持一致，入口噴射速度亦保持一致，由此獲得的AIG截面示蹤氣體分布特性。通過(guò)AIG截面可以很清晰看出，不同煙道流域內(nèi)對(duì)應(yīng)噴入了不同的示蹤氣體。

基于上述實(shí)驗(yàn)工況，該文截取分析了對(duì)象機(jī)組SCR系統(tǒng)出口煙道截面內(nèi)示蹤氣體的分布特性，如圖1所示，可發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)示蹤氣體入口噴射位置與出口分布位置總體上具有較好的空間對(duì)應(yīng)性，但是隨著煙氣的流動(dòng)過(guò)程，示蹤氣體不可避免地產(chǎn)生了擴(kuò)散作用。

進(jìn)一步分析靠近SCR系統(tǒng)煙道中心線的AIG單元噴射與擴(kuò)散特性，盡管存在擴(kuò)散作用，但核心濃度區(qū)的對(duì)應(yīng)性良好，這說(shuō)明對(duì)于靠近反應(yīng)器中心側(cè)位置的煙氣流域范圍內(nèi)，噴氨格柵噴射位置與對(duì)應(yīng)出口位置的空間對(duì)應(yīng)性較好，而分析遠(yuǎn)離SCR系統(tǒng)煙道中心線的AIG單元噴射與擴(kuò)散特性可以看出，該區(qū)域內(nèi)示蹤氣體核心濃度區(qū)均偏向兩側(cè)的煙道壁面，噴射入口及出口的空間對(duì)應(yīng)性相對(duì)較差，該文猜測(cè)，這與對(duì)象機(jī)組SCR系統(tǒng)出口煙道位置的漸縮口有著較大關(guān)聯(lián)。對(duì)此，在進(jìn)行SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整時(shí)，根據(jù)兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行關(guān)鍵噴氨閥門(mén)的針對(duì)性精準(zhǔn)鎖定，從而對(duì)應(yīng)的調(diào)整噴氨支管以提升系統(tǒng)運(yùn)行性能。

3 結(jié)論與建議

（1）SCR系統(tǒng)噴氨格柵AIG噴射入口與系統(tǒng)出口截面總體上具有良好的對(duì)應(yīng)性，SCR系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整中，可基于兩者的映射關(guān)系對(duì)噴氨支管閥門(mén)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

（2）靠近反應(yīng)器中心線的位置兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，靠近煙道壁面位置兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系相對(duì)較差，這與煙道的結(jié)構(gòu)型式有較大關(guān)聯(lián)。

參考文獻(xiàn)

[1] 環(huán)境保護(hù)部，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，國(guó)家能源局.關(guān)于印發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知[R].（2015-12-11）[2016-04-10].

[2] 西安熱工研究院.火電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013：13-19.

[3] Yao Jie，Zhong Zhaoping，Zhu Lin.Porous medium model in Computational fluid Dynamics Simulation of a HonEycombed SCR DeNOx Catalyst[J].Chemical Engineering & Technology，2015，38（2）：283-290.

[4] 方朝君，金理鵬，宋玉寶，等.SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化及最大脫硝效率試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電，2014（7）：157-160.