鍋爐脫硝煙道接口直角彎頭的優化設計

黃榮捷

（福建省豐泉環保集團有限公司，福州 350007）

引言

目前被燃煤電廠廣泛采用的脫硝技術主要為“低氮燃燒器+SNCR或SCR”，目前最新的低氮燃燒技術可將鍋爐出口煙氣中的氮氧化物濃度控制在200mg/m3左右，煙氣經過SNCR或SCR脫硝系統后，煙氣的氮氧化物和氨氣進一步反應，將煙氣中的氮氧化物濃度降低至100mg/m3以下。

要達到超低排放標準（氮氧化物排放濃度不高于50mg/m3），主要通過兩種辦法來實現，一種是增大反應器中催化劑的用量，增加噴氨量提高脫硝效率來實現氮氧化物的超低排放；另一種是對鍋爐的燃燒器進行低氮燃燒改造（對燃燒器已改造過的鍋爐只能采取前一種辦法）。目前在各大電廠超低排放改造中基本將兩種辦法結合起來進行改造。

本工程（3×220t/h鍋爐煙氣脫硝改造工程）采用第一種辦法，由于SCR對煙氣溫度的要求和廠區場地限制，SCR脫硝系統煙氣的引出和接入位置空間狹小，高度為2.5m，進出煙道要共用煙道壁板（見圖1），實際運行中就產生煙氣偏流和煙道內積灰現象（見圖2）。

圖1 SCR脫硝系統內部結構

圖2 SCR脫硝系統內部積灰圖

1 研究對象及物理模型

本文以該工程直角彎頭內導流板改造為模擬對象，其改造前后結構模型對比如圖3所示。

圖3 直角彎頭內導流板改造對比

在Gambit建立物理模型后，對直角采用四面體結構劃分網格，在導流板處細化網格，網格個數約200萬個。在FLUENT14.5數值模擬過程中采用以下簡化假設：1）系統絕熱；2）系統無漏風；3）不考慮化學反應；4）煙氣均為理想氣體。

采用湍流模型（Viscous Model）和標準k-ε兩方程模式求解，運用質量守恒方程、N-S方程及能量守恒方程描述煙道內的流動特性和質量、各組分濃度、動量、能量的分布。模型的邊界條件為與上級省煤器出口相連的煙氣溫度為653K，煙氣入口速度為4.362m/s，水力直徑D=6.587m（根據鍋爐工況煙氣量和煙氣進口尺寸計算得出）。

2 FLUENT流場的數值模擬結果

采用改造后直角彎頭內導流板模型和邊界條件進行模擬的流場結果如圖4所示，結果顯示直角彎頭左側后角部分區域煙氣流速小于9m/s（輸送省煤器灰時，其起始流速V≥10m/s），導流板圓弧部分區域煙氣流速也小于9m/s，且產生渦流現象，這就導致了實際運行中產生煙氣偏流和煙道內積灰嚴重現象，還堵塞儀表探頭。

圖4 用改造前直角彎頭內導流板模型和邊界條件進行模擬的流場結果

采用改造后直角彎頭內導流板模型和邊界條件進行模擬的流場結果如圖5所示，結果顯示直角彎頭內原本容易積灰的大部分區域煙氣流速大于10m/s，導流板圓弧僅有很小一部分區域煙氣流速小于10m/s，理論模擬結果表明能較大改善積灰狀況。

圖5 改造后直角彎頭內導流板模型和邊界條件進行模擬的流場結果

由于該工程分兩期進行實際施工，1#、2#爐為第一期，3#爐為第二期，第一期直角彎頭內導流板分布形式采用的是改造前的，實際運行中發生煙氣偏流和煙道內積灰現象嚴重。第二期直角彎頭內導流板分布形式采用的是改造后的，3#爐系統運行正常，經業主反饋，積灰情況符合預期。

通過該工程3年多的實際運行情況，上級省煤器出口處連接煙道彎頭處積灰情況良好，無發現堵灰現象。通過CFD流場模擬能快速分析產生堵灰事故的原因，并且通過導流板優化后流場模擬的結果指導設計施工改造，節省了物理實驗模型設計施工成本，避免了實驗模型放大后產生實際運行效果與實驗模型效果產生偏差的問題。

3 結語

本文從工程實踐出發，結合數值模擬分析，實現直角彎頭內導流板的優化設計，使直角彎頭內原本容易積灰的大部分區域煙氣流速大于10m/s，導流板圓弧僅有很小一部分區域煙氣流速小于10m/s，能較大程度改善直角彎頭內積灰狀況，優化了煙氣流場的分布。運用FLUENT流場模擬能夠對煙道導流板進行優化設計。本文為因煙氣溫度要求和廠區場地限制，SCR脫硝系統煙氣的引出和接入位置空間狹小的工程煙道接口設計提供了技術支持與參考。