600 MW 燃煤锅炉SCR 系统烟道导流板设计

2015-03-25王为术上官闪闪杨智峰郑春雄

郑州大学学报（工学版） 2015年4期

王为术，上官闪闪，路统，杨智峰，郑春雄，陈刚

(1．华北水利水电大学热能工程研究中心，河南郑州450011;2．大唐安阳发电有限责任公司，河南安阳455004;3．深圳粤能环保再生能源有限公司，广东深圳518111)

0 引言

火电厂燃煤产生的氮氧化物造成大气污染的问题日益严重，燃煤电站超净排放NOx最新标准要求低于50 mg/Nm3，控制NOx排放已成为当前电力行业发展的重要工作环节［1-2］．为适应日益严格的氮排放标准，选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术已成为大型燃煤机组烟气脱硝的主要选择．脱硝效率和氨逃逸率是衡量SCR 脱硝系统性能的两大指标，在SCR 系统设计完成而且选定催化剂的前提下，SCR 系统烟道内的均流特性将是影响脱硝效率和氨逃逸率的重要因素．因此，在SCR 脱硝烟道内加装导流板，成为保证烟气分布均匀的主要方式［3］．毛剑宏等［4-5］通过数值模拟和冷态试验的方法对SCR 脱硝系统烟道内流场分布进行研究，并对其进行优化．杨超等［6］针对600 MW 机组3 种方案SCR 脱硝系统流动进行数值模拟，为导流板的设计和合理配置提供参考依据．贾兴豪等［7］通过在弯管内部加装不同形式的导流板，模拟弯管内流体流动特性，证明在弯管内部加装不同形式的导流板，模拟弯管内流体流动特性，证明加装导流板能显著改善弯管内流体流动．张彦军等［8］则通过对SCR 入口烟道的模拟计算，指出SCR 入口烟道的设计布置以及导流结构设计是影响其工作的关键因素．雷达等［9］对布置有导流板的SCR 烟道流场进行研究，分析了不同导流方案对SCR 系统运行的影响．笔者基于FLUENT 6．3 软件，针对某电厂600 MW SCR 烟道流场均化导流方案优化设计进行数值试验研究，对工程技术改造提供参考．

1 数值模型

1．1 研究对象

研究对象为某电厂燃煤机组的SCR 脱硝系统，每台机组布置两台SCR 反应器，采用高尘区布置，布置在锅炉省煤器烟道和空气预热器之间．选取省煤器出口到空预器入口前烟道系统作为模拟对象，由于两台反应器布置结构对称，选取一个模拟研究．以100%工况为模拟工况．

1．2 三维几何模型

三维几何模型和实际SCR 系统按1∶1 尺寸构建．根据系统实际情况，在建模和模拟中做出简化如下:将烟气视为不可压缩牛顿流体;假设烟气入口速度均匀;氨喷射以垂直面射流近似模拟;稳流装置和催化剂层简化为均匀多孔结构;多孔结构区域内流体压降采用多孔介质模型模拟．

利用GAMBIT 软件对SCR 系统进行三维建模和网格划分，网格模型如图1 所示．应用结构化/非结构化混合网格技术，对管屏与导流板处进行局部加密，在计算过程中通过逐步细化网格得到近似网格无关解，网格总数为400 万．

图1 SCR 系统网格示意Fig．1 Grid of SCR system

1．3 数学模型与边界条件

模拟中的连续性方程、动量方程、能量方程及组分守恒方程可用一个通用微分方程表示为

式中:φ 是通用变量;Γ 是扩散系数;S 是源项．方程中4 项依次是非稳态项、对流项、扩散项和源项．

多孔介质的动量方程具有附加的动量源项．源项由两部分组成，一部分是黏性损失项(Darcy);另一部分是内部损失项，如下式所示．

2 计算结果与分析

2．1 无导流板时SCR 系统计算结果

图2 为无导流板时SCR 系统内的速度分布．SCR 系统内速度流线如图2(a)所示，由于SCR系统烟道截面变化剧烈，而烟气在宽度方向发展有限，导致烟气在扩展面速度分布不均;在弯头处因离心作用出现低速区域，而且由于惯性，烟气无法充满弯头整个区域．烟气进入喷氨区域和反应器区域时，速度分布不均加剧，区域内流体充满度很差，在催化剂层有效的体积只有近70%．利用效率低，严重影响SCR 系统的脱硝效率．此外，在系统尾部烟道处，烟气流态依然紊乱，会影响下游空气预热器的工作效率．

式中:Si是i 向(x，y 或者z)动量源项;D 和C 是规定的矩阵．在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度成比例．

烟气的流动采用RNG k-ε 双方程模型来模拟，采用一阶迎风差分格式，隐式算法求解;选用SIMPLE 算法对压力速度进行耦合;同时采用壁面函数法处理近壁区域，应用组分输运模型来模拟各组分的混合，计算采用低松弛迭代的变松弛系数法．模型进口采用速度入口条件，入口流场为断面平均流速，模拟机组BMCR 工况;出口为自由出流．

为使烟道内的流场分布均匀，首先对无导流方案进行数值模拟，再根据模拟结果对导流板进行优化设计，先通过局部模拟得到该处导流板的安装位置、数量和形状，设计出两套导流方案，再通过整体模拟得到系统的流场分布．

图2 无导流板时SCR 系统内速度分布Fig．2 Velocitydistributionof SCR system without splitters

由图2(b)可见，在入口的大小头的上部出现高速区，速度达20 m/s 左右，在弯头处由于出现大范围的低速区，弯头内侧速度高，且在25 m/s以上，外侧低速区内烟气速度只有5 m/s 左右;进入竖直烟道后速度仍然分布不均，如图2(c)所示，近锅炉侧速度较低，只有1 m/s，近脱硝侧速度则高达16 m/s，这对氨氮的混合十分不利;当烟气到达反应器入口处时，速度分布如图2(d)所示，反应器入口处最大速度为16 m/s，最小速度为11 m/s，速度偏差高达31．25%，这会导致进入反应器区域的烟气分布不均，降低催化剂利用率，且过高的流速进入反应器区域会降低烟气与催化剂的接触时间，影响反应效果，进而造成脱硝效率较低和氨逃逸较大．

2．2 导流优化方案设计

根据无导流板时系统内烟气速度分布不均的结果，对系统内做导流优化设计．先通过局部模拟得到该处导流板的安装位置、数量和形状，再将局部导流设计整合得到两种导流优化方案，如图3所示．由于入口大小头处宽度方向单向扩充段角度为36°，高度方向单向减缩角度为20°，因此方案一在此处分别设计一排横向和一排纵向的导流板，方案二则设计两排纵向导流板;弯头处导流板均采用变间隔布置，方案二加装了延伸导流段．

图3 导流优化方案Fig．3 The optimizing schemes of flow guidance

2．3 导流优化方案模拟与分析

方案一优化后SCR 系统内速度分布如图4所示，经方案一导流板优化后，由于导流板的作用，SCR 系统内流体充满度得到较大改善，在反应器区域内，烟气基本充满反应器空间，烟道弯头处依然存在低速区域，尤其在SCR 系统尾部烟道内，速度分布严重不均．在入口大小头处分别设计一排横向导流板和一排纵向导流板的方案整流效果不明显，烟道两侧仍有10 m/s 左右的速度差;由此导致烟气在AIG 下游处速度分布不均，最大速度为19 m/s，最小速度只有4 m/s;反应器入口处的速度偏差为30%．由此可见，由于宽度方向的扩充对下游烟道的影响较大，若扩充段速度分配不均，将会对下游烟气分布产生影响，导致机组脱硝效率降低．

方案二优化后SCR 系统内速度分布如图5所示，导流优化方案二加入后，SCR 系统内流场得到明显改善，烟气充满整个反应器空间;弯头处烟气分布均匀，已无明显低速区，烟气速度在10 m/s 左右．入口大小头处设计两排纵向导流板整流效果明显，速度分布均匀，烟气流速均在15 m/s 左右;烟气在AIG 下游处速度分布依然保持均匀，速度偏差为15%;在反应器入口处的速度偏差则降为13%．此外，由于弯头处的导流板都加装了延伸导流段，在SCR 系统尾部烟道内速度分布依然均匀，从而减小了对下游机组的影响．由此可见．方案二整流优化效果明显高于方案一．