熵產分析法在脫硝改造工程中的應用

劉 江

(神華國華孟津發電有限責任公司，河南 洛陽 471112)

隨著環保技術指標的提高，特別是當前對NOx控制更加嚴格，近年來，各電廠先后進行了煙氣超低排放脫硝改造工程。在實際電廠改造項目中，一般根據省煤器出口的實際煙氣條件校核脫硝裝置內部流場情況，然后結合流場具體情況，對SCR脫硝反應系統內原有流體調節裝置、氨噴射系統等進行最優化設計，以期取得較好的流動場和較低的系統壓降。導流板優化設計原則為盡量利用原有導流板，并根據實際煙氣進行導流板的優化調整。

目前，針對SCR脫硝系統進行了許多數值模擬和冷態試驗研究，大部分主要關心在流場、組分分布，導流板布置方案。Rogers K等[1]采用數值模擬的方法對SCR系統內導流板的設計與安裝了分析和優化。毛劍宏等[2]針對某SCR脫硝系統進行了數值計算和冷態試驗，研究了導流裝置形式對內部流場和濃度場分布的影響。Zukerman R等[3-4]發現在噴氨格柵后加裝靜態混合器，可以顯著改善流場和濃度場分布。目前，針對反應器內能量損失分布情況的研究較少，并且關于反應器內能量損失的研究也大多是關心反應器系統壓損。

近年來，熵產分析方法已經廣泛應用于各種設備內流動和傳熱問題的研究[4]。Bejan首先提出了熵產最小化的概念，并推導僅考慮流動和換熱時微元體內的熵產。Herwig H等[5]提出基于質量、動量和能量方程的CFD程序可以通過后處理過程，提出直接和間接2種熵產計算方法。Kock F等[6]分析了不可壓湍流黏性流體流動，提出熵產的4種影響因素，并提出相應的適合高雷諾數流動的壁面方程。段璐等[7]以旋風分離器為例，使用熵產分析方法對其進行了數值分析，驗證了利用熱力學第二定律研究流場能量損失方法的可行性。王松嶺等[8]利用熵產原理對流體設備進行了優化設計，具有較好的效果。目前，國內還未見到熵產理論在煙氣超低排放脫硝改造工程的應用。

本文通過求解三維RANS方程和熵產理論方程，對某600 MW的燃煤電站鍋爐的SCR脫硝系統進行數值模擬和熵產計算，綜合考量能量損失分布情況以及流場均勻性要求，對系統內導流裝置進行了調整優化，在改造施工量較少的情況下，完成工程目標要求，實現較少的系統能量損失。

1 熵產分析方法

熵是系統的一個狀態參數，系統中熵的變化來自2個方面：①不可逆過程，其引起的熵的變化叫熵產；②系統與外界的熱量和質量交換。通過計算熵產可以得到系統內不可逆損失的分布情況，進而有針對性地進行優化設計或改造，實現減少不可逆損失的目的。對于單相不可壓縮流動，具有以下熵方程：

(1)

其中，Φ/T用于描述耗散作用引起的熵產；Φθ/T2用于描述傳熱引起的熵產。不同因素引起的不可逆熵產可以分為：黏性熵產、湍流熵產、溫差傳熱熵產以及壁面熵產。單相系統在熵方程中，各方向的速度u、v、w以及溫度T可以在CFD程序中求解質量、動量、能量方程來獲得。對于單相流動，狀態參數熵s，僅是溫度和壓強的函數，而這2個參數也可以在傳統CFD計算中獲得[9-12]。因此，可以在CFD后處理程序中獲取這些參數。

(2)

(3)

(4)

由脈動速度場不易測量計算，用湍動能耗散率代替脈動速度場對湍流熵產進行求解，該模型建立了湍動能耗散率ε與湍流熵產的函數關系，表達式為：

(5)

系統的黏性熵產、湍流熵產可以通過對式(5)在積分區域內進行體積積分得到，即對每個網格內單位體積熵產率和網格體積的成績進行積分求和得到其熵產。因此，系統的湍流熵產和黏性熵產可以表示為：

(6)

2 物理模型與數值計算方法

本文選取的研究對象為國內某600 MW電廠燃煤鍋爐脫硝系統，采用雙反應器并聯設置，選取省煤器出口到反應器出口煙道之間的區域作為計算區域，系統主要由煙道、導流板、噴氨格柵、整流器以及催化劑層構成。已知煙道入口尺寸高3.50 m、寬13.95 m，反應器本體結構長11.67 m、寬13.95 m、高21.00 m，豎直煙道距離反應器4 m。根據已知系統的實際尺寸，利用三維建模軟件Solidworks對SCR裝置模型進行等比例建模，SCR脫銷系統幾何模型[13-15]如圖1所示。

圖1 SCR脫硝系統幾何模型Fig.1 Geometric model of SCR denitration system

采用四面體非結構化網格，邊界層網格加密，提高壁面和導流板附近的網格質量。首先進行了網格無關性的計算，選定網格數量為400萬。為在模擬中體現出煙氣中的多組分，啟用組分輸運模型[16]，設定煙氣各成分的比例具體數值見表1，SCR出口設定為Outflow邊界條件。固體壁面、導流板和整流板均設為壁面(wall)，采用標準壁面方程，無滑移邊界條件。噴氨入口都選擇速度入口，具體設置見表2。煙氣入口設定為速度入口，湍流參數通過湍流強度和水利直徑來定義，具體設置見表3。本文主要研究速度場和濃度場，對催化劑的化學反應不做研究，所以對催化劑層模型選擇多孔介質模型，沿煙氣流動方向，多孔介質的慣性阻力因子、黏性阻力因子取較大設定值[17-18]，多孔率為0.8。此外，近壁區處理采用標準壁函數法[19]。

表1 煙氣各組分質量百分比Tab.1 The components of flue gas %

表2 噴氨量Tab.2 Spray ammonia

表3 不同工況下煙氣入口條件Tab.3 Inlet conditions of flue gas under different conditions

本文在模擬計算中，忽略反應器內對流動影響不大的支撐桿、支撐梁等內部構件，且認為SCR反應器內入口速度、組分濃度等均勻分布，忽略飛灰影響。省煤器出口處煙氣速度分布均勻且定常。

3 分析與討論

本文選取SCR脫硝系統煙道幾處轉彎和漸擴處為研究特征面，研究優化前后熵產率的變化。SCR脫硝系統內的熵產(原始工況)如圖2所示。由圖2可知，由湍流耗散所引起的熵產大于黏性耗散所引起的熵產，且二者間相差兩個數量級。因此SCR反引起內部的熵產的主要來源是內部煙氣高雷諾數湍流脈動。與此同時，由黏性耗散所引起的熵產幾乎可以忽略。

圖2 SCR反應器內熵產分布(原始工況)Fig.2 Distribution of entropy generation in SCR reactor(original condition)

比較幾處熵產較大的位置可以看出，煙道轉彎段、煙道漸擴段以及導流板附近是熵產主要產生位置，流道中熵產率最小。導流板附近熵產較大，一方面，是由于導流板前端存在沖擊現象，導流板后緣表面存在邊界層分離；另一方面，導流板布置在煙道的轉彎段或漸擴段，流道的急劇變化會使導流板上會產生邊界層分離，導流板之間流道內可能會產生二次流和劇烈的漩渦流動等復雜現象，將產生較大的能量損失。這與煙氣在SCR反應器中的流動情況是相一致的。

催化劑前整流格柵主要是用于保證煙氣進入催化層均勻性良好，間距較小，起到整流和使煙氣平穩轉向的作用。由于流道急劇變化，在這個區域，一方面煙氣流動方向變化劇烈，另一方面煙氣在此處實現動能到壓強勢能的能量轉換過程。導流板之間流道內可能會產生二次流和劇烈的漩渦流動等復雜現象，將產生較大的能量損失。

對SCR反應器內導流板的結構參數進行了優化，得到改造后的SCR反應器內熵產分布，如圖3所示。由圖3可知，優化后的反應器內的熵產降低，流動損失減少，有效地改善了煙氣流動情況。

圖3 SCR反應器內熵產分布(改造工況)Fig.3 Distribution of entropy generation in SCR reactor(transformation condition1)

4 實際應用

某電廠8、9 號機組脫硝入口煙道內護板、煙道進口側1～3 排煙氣導向板磨損嚴重，測試數據顯示，SCR入口NOx可控制在設計值以內，其分布較為均勻，但SCR NOx分布存在很大偏差。其中，SCR反應器A側出口的NOx濃度分布相對標準偏差約為34.3%，B側出口的NOx濃度分布相對標準偏差約為39.7%。SCR反應器內第1層催化劑的速度(Cv值)、NH3/NOx摩爾比及SCR反應器內同一橫截面上溫度偏差均超出標準值，系統性能處于較低的水平。

通過上述技術的應用，經過反復的模擬和調整，得到優化的導流板布置方式和技術指標。改造后的系統流線分布均勻，無明顯渦流，第1層催化劑入口截面平均速度為3.97 m/s，速度分布的標準偏差系數為8.6%，滿足技術指標關于“速度最大偏差為平均值的±10%”的要求；第1層催化劑入口截面的各點氨濃度標準偏差系數為4.80%，氨氮摩爾比標準偏差系數為4.85%，滿足技術指標關于“氨氮摩爾比最大偏差為平均值的5%”的要求；第1層催化劑入口截面溫度分布均勻，且其平均溫度為596 K，溫度變化范圍在±2 ℃以內，滿足技術指標關于“溫度偏差小于10 ℃”的要求；第1層催化劑上游速度偏角余弦值的標準偏差系數為0.11%，速度偏角平均值為3.34°(即cos(θ)平均值為0.998，θ=3.34°)，滿足技術指標關于“速度偏角小于10°”的要求，系統性能得到一定程度的提升。

5 結論

本文對國內某電站配套SCR脫硝系統進行了數值計算，通過計算熵產對SCR脫硝系統的能耗分布情況進行研究，并結合傳統的優化理論對SCR脫硝系統流場進行了優化，得到以下結論。

(1)定量比較了SCR反應器內熵產的大小及其產生原因，認為煙道轉彎段、煙道漸擴段以及導流板附近是熵產主要產生位置，且主要原因是由于湍流耗散引起的。

(2)對SCR反應器內導流板的結構參數進行了優化，優化后反應器內的熵產降低，流動損失減少，有效地改善了煙氣流動情況，并通過實際案例驗證了技術的可靠性。