基于CFD模擬的SCR脫硝裝置優(yōu)化改造

陶正新， 韋紅旗， 李文霞， 周詩齊

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

隨著環(huán)境保護(hù)問題的日益突出，國家對污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。燃煤電站作為NOx排放大戶，控制其NOx排放成為污染排放控制的關(guān)鍵[1]。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)以技術(shù)成熟、脫硝效率高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)成為國內(nèi)外電廠應(yīng)用最為廣泛的脫硝技術(shù)[2]。然而，很多機(jī)組在投運(yùn)了SCR脫硝裝置后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在流場不均、積灰和磨損等問題，嚴(yán)重影響脫硝裝置高效運(yùn)行。為了保證SCR脫硝裝置高效運(yùn)行，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化十分重要[3-4]。

某電廠SCR脫硝裝置采用高溫高塵布置(位于省煤器與空氣預(yù)熱器之間)，選用平板式催化劑，按“2+1”模式布置。鍋爐燃燒采用設(shè)計(jì)煤種，機(jī)組運(yùn)行在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下，SCR脫硝效率高于80%。然而在機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)：在SCR脫硝裝置催化劑入口處，前墻區(qū)域流速過低，前墻區(qū)域積灰增多堵塞催化劑；后墻區(qū)域流速過高，后墻區(qū)域催化劑嚴(yán)重磨損[5-6]。筆者采用試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對引起該SCR脫硝裝置內(nèi)部流場不均的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并制定合理的優(yōu)化方案，以保證催化劑入口截面流場均勻分布。

1 冷態(tài)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)鍋爐冷態(tài)自模化原理，當(dāng)煙氣氣流的雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù)時(shí)，氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自模化區(qū)，氣流流動(dòng)狀態(tài)將不再隨雷諾數(shù)的增加而變化。因此，通過調(diào)整冷態(tài)試驗(yàn)的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量，使冷態(tài)時(shí)的煙氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自模化區(qū)，便能夠模擬熱態(tài)時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)[7]。

由于實(shí)際運(yùn)行中同一截面各處的速度分布不均勻，因此在試驗(yàn)時(shí)采用網(wǎng)格法，在每個(gè)催化劑模塊(模塊尺寸為1 m×2 m)的中心位置布置一個(gè)測點(diǎn)，測得的數(shù)據(jù)表示該界面的流速。測點(diǎn)具體布置示意圖見圖1(圖中圓圈代表測點(diǎn))。

圖1 冷態(tài)測試截面測點(diǎn)示意圖

為了使測試出的截面流場分布能夠盡量反映實(shí)際催化劑上層的流場分布，測試截面應(yīng)盡量靠近催化劑層，并考慮到測量方便和保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，測試截面選取在催化劑上方0.3 m處。此外，鍋爐的2臺SCR脫硝裝置采用對稱布置方式，內(nèi)部流場狀況較為相似，故取單側(cè)反應(yīng)器作為研究對象。SCR脫硝裝置結(jié)構(gòu)及測試截面位置見圖2。

圖2 SCR脫硝裝置結(jié)構(gòu)及測試截面位置

1.2 結(jié)果分析

在冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組通風(fēng)量只需滿足使流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到自模化即可，與實(shí)際熱態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的煙氣量有較大差距。因此，為了使試驗(yàn)結(jié)果能夠反映鍋爐熱態(tài)運(yùn)行時(shí)脫硝設(shè)備內(nèi)部的流場狀況，需要將冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比例轉(zhuǎn)換。

鍋爐在BMCR工況下運(yùn)行時(shí)，SCR脫硝裝置進(jìn)口煙氣的體積流量為1 982 565 m3/h、溫度為366 ℃、密度為0.553 kg/m3,測試截面尺寸為15.60 m×11.08 m，計(jì)算出在BMCR工況下催化劑上層煙氣平均速度為4.3 m/s，而冷態(tài)試驗(yàn)催化劑層上方煙氣平均速度為2.4 m/s。利用比例關(guān)系將冷態(tài)試驗(yàn)測試結(jié)果轉(zhuǎn)化為在BMCR工況下，首層催化劑上方0.3 m處的速度分布(見圖3)。

圖3 試驗(yàn)得到首層催化劑上方0.3 m處速度分布

從圖3可以看出：流場分布較不均勻，前墻區(qū)域煙氣速度偏低，平均速度約為3.7 m/s，后墻區(qū)域煙氣速度較高，平均速度達(dá)到了7.0 m/s，中間區(qū)域流場分布較為均勻。

后墻區(qū)域煙氣速度過大將會導(dǎo)致該側(cè)催化劑磨損嚴(yán)重，而前墻煙氣速度偏低會導(dǎo)致該側(cè)催化劑層積灰嚴(yán)重，脫硝效率降低[8]。豎井煙道上方導(dǎo)流板及整流格柵結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理是該問題的主要成因[9]。筆者將通過數(shù)值模擬的方法對脫硝裝置內(nèi)部流場做進(jìn)一步研究，并根據(jù)模擬結(jié)果制定合理的改造方案。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型是根據(jù)現(xiàn)場施工圖紙按1∶1的比例進(jìn)行建模。為了建模方便，忽略了SCR脫硝裝置內(nèi)部對流場影響較小的支撐結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格，對近壁面網(wǎng)格作加密處理，以適應(yīng)邊界層處較大的速度梯度。進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，確定網(wǎng)格數(shù)量為6×106。網(wǎng)格模型圖見圖4。

圖4 SCR脫硝裝置網(wǎng)格模型圖

計(jì)算模型采用湍流Relizablek-Epsilon模型，壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，邊界上的湍流尺寸通過當(dāng)量直徑和湍流強(qiáng)度指定，且在數(shù)值模擬時(shí)所作假設(shè)為：(1)將煙氣視為不可壓縮的牛頓流體；(2)入口邊界設(shè)為速度入口，且認(rèn)為入口煙氣速度分布均勻；(3)出口邊界設(shè)為壓力出口，相對壓力設(shè)為0 Pa；(4)催化劑層作多孔介質(zhì)處理，阻力系數(shù)按設(shè)計(jì)工況設(shè)定，單層催化劑阻力設(shè)為150 Pa。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格和邊界條件模擬得到模擬結(jié)果。圖5為首層催化劑上方0.3 m處數(shù)值模擬速度分布云圖。

圖5 首層催化劑上方0.3 m處速度分布

從圖3(試驗(yàn)結(jié)果)和圖5(模擬結(jié)果)的對比可以看出：冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的流場分布特征比較吻合,兩者都是前墻區(qū)域煙氣速度低，中間區(qū)域煙氣速度均勻，后墻煙氣速度高。冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果中，前墻區(qū)域煙氣速度要大于模擬結(jié)果，而后墻區(qū)域煙氣速度要小于模擬結(jié)果，主要是因?yàn)樵谠囼?yàn)時(shí)，近壁區(qū)域煙氣速度不方便測量，以離壁面0.5 m處測得的煙氣速度代替近壁煙氣速度。

由于數(shù)值模擬忽略了對流場影響較小的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場測試的誤差及實(shí)際運(yùn)行工況的變化，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果會存在一定的偏差；但是，筆者認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的，能夠有效反映SCR脫硝裝置的內(nèi)部流場[10]。

2.3 結(jié)果分析

圖6和圖7分別為SCR脫硝裝置中心截面壓力分布和速度分布。

圖6 SCR脫硝裝置中心截面壓力分布

圖7 SCR脫硝裝置中心截面速度分布

2.3.1 前墻區(qū)域

由圖6和圖7可得：從豎井煙道向上流動(dòng)的煙氣撞擊到轉(zhuǎn)向彎頭處的導(dǎo)流板時(shí)，會導(dǎo)致貼近導(dǎo)流板下方區(qū)域煙氣速度降低。煙氣速度降低，靜壓就會升高，導(dǎo)流板下方會形成高壓區(qū)域。由于受到高壓區(qū)煙氣和導(dǎo)流板的阻擋，大量煙氣會從兩者之間形成的通道通過。從圖7還可以看出：當(dāng)煙氣從該通道通過后，由于導(dǎo)流板水平段長度較短(約150 mm)，并不能引導(dǎo)氣流水平流動(dòng)，致使導(dǎo)流板出口氣流流向頂棚上方，最后沿著斜頂進(jìn)入反應(yīng)器后方[11]。流入前墻煙氣量減少會導(dǎo)致前墻區(qū)域煙氣速度降低，前墻區(qū)域積灰，引起催化劑中毒，降低脫硝效率[12]。

2.3.2 后墻區(qū)域

轉(zhuǎn)向彎頭處導(dǎo)流板出口煙氣流至斜頂上方，并沿著斜頂流向反應(yīng)器的后方區(qū)域，并且反應(yīng)器后墻整流格柵與頂棚的高度差較大(200 mm)，沿著斜頂進(jìn)入后墻的煙氣過多，導(dǎo)致后墻貼壁區(qū)域的少數(shù)整流格柵通過了較多的煙氣，造成了后墻區(qū)域煙氣速度過大。從圖7還可以看出：后墻貼壁處的煙氣到達(dá)首層催化劑時(shí)，仍有較高的速度。當(dāng)帶灰的煙氣長期以較大速度沖刷催化劑層時(shí)，會導(dǎo)致該處催化劑層磨損嚴(yán)重，降低了催化劑使用壽命和設(shè)備脫硝效率[13]。

3 優(yōu)化方案

導(dǎo)流板及整流格柵結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理是導(dǎo)致SCR脫硝裝置內(nèi)部流場不均的主要原因，通過改善轉(zhuǎn)向彎頭處導(dǎo)流板和調(diào)整整流格柵結(jié)構(gòu)是優(yōu)化內(nèi)部流場的主要途徑。筆者嘗試多種改造方案后，推薦的改造方案見圖8、圖9。

圖8 導(dǎo)流板示意圖

圖9 整流格柵示意圖

優(yōu)化模型數(shù)值模擬采用的工況和參數(shù)設(shè)置與原模型數(shù)值模擬保持一致。圖10為優(yōu)化后反應(yīng)器本體速度云圖。從圖10中可以看出：由于延長了轉(zhuǎn)向彎頭下方兩塊導(dǎo)流板的水平段，原來流向頂棚上方的煙氣在水平導(dǎo)流板作用下水平向前流動(dòng)；同時(shí)，由于前排的整流格柵被改造為階梯形并且高度高于拐角頂點(diǎn)，部分煙氣被前排格柵攔截進(jìn)入前墻區(qū)域，使得前墻側(cè)的低速區(qū)域得到明顯改善，而后墻區(qū)域由于整流格柵向上增加了150 mm，使得頂棚與整流格柵之間的高度差減小，進(jìn)入后墻貼壁區(qū)域煙氣減少，后墻區(qū)域煙氣流速過大也得到明顯改善。

圖10 優(yōu)化后SCR脫硝裝置中心截面速度分布

優(yōu)化后首層催化劑上方0.3 m處流場分布見圖11。

圖11 優(yōu)化后首層催化劑上方0.3 m處速度分布

從圖11可以看出優(yōu)化后催化劑上層0.3 m處速度分布相比于優(yōu)化前有明顯改善。整個(gè)截面速度分布較為均勻，前墻低速區(qū)域和后墻高速區(qū)域都得到明顯改善，截面的不均勻系數(shù)也下降到了0.09，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。脫硝設(shè)備內(nèi)部流場的改善會保證脫硝設(shè)備的高效運(yùn)行和脫硝效率的提高[14]。

4 結(jié)語

(1) 豎井煙道上方導(dǎo)流板設(shè)置不合理會使煙氣進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器時(shí)繞過前墻區(qū)域而形成前墻低速區(qū)。后墻側(cè)整流格柵與SCR脫硝反應(yīng)器頂棚的高度差過大會造成積聚在后墻處的煙氣增加，形成后墻高速區(qū)。

(2) 通過合理設(shè)置豎井煙道上方導(dǎo)流板和抬高整流格柵，增加前墻區(qū)域煙氣、減少后墻區(qū)域煙氣可以改善前墻區(qū)域煙氣速度低、后墻區(qū)域煙氣速度高的問題保證催化劑入口截面流場的均勻性。