馮玉鋒

(內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，呼和浩特 010206 )

0 引言

近年來，燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)管辦法日益嚴(yán)格[1-2]。監(jiān)管政策的嚴(yán)格實(shí)施，促使燃煤電廠傳統(tǒng)污染物如SO2、NOx、顆粒物等的排放濃度，隨著國內(nèi)燃煤電廠超低排放改造的基本完成而得到了有效控制[3-6]，但仍然面臨著排放總量大，難以大量減少的困境。

大型燃煤鍋爐普遍加裝了選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置，通過向該裝置中噴氨，使得氨與氮氧化物在催化劑的催化作用下反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)氮氧化物的脫除。實(shí)際運(yùn)行中，容量出現(xiàn)催化劑磨損、流場不均勻?qū)е旅撓醴磻?yīng)效率低、氨逃逸等問題，因此脫硝性能診斷與流場優(yōu)化成為近年來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[7-11]。張子宇[12]、王天昀[13]、陳鴻偉[14]等研究了飛灰對催化劑磨損狀況的影響，并得出了一些優(yōu)化措施。催化劑的飛灰磨損，可采取的最佳措施是優(yōu)化煙氣流場并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整運(yùn)行工況。與此同時(shí)，煙氣和氨混合不均也可通過優(yōu)化流場來改善。因而采用數(shù)值模擬方法結(jié)合摸底測試或者其他手段校核后優(yōu)化流場，是目前解決催化劑急劇磨損、流場不均的一種可行方法[15-16]。實(shí)際操作中，由于各個(gè)電廠的煙道實(shí)際布置和煙氣條件不完全相同，在投運(yùn)之前，應(yīng)優(yōu)先按照設(shè)計(jì)參數(shù)對煙道特別是SCR裝置進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證[17-19]，并充分利用擋板門、整流柵、導(dǎo)流板等對煙道流場均勻性起重要影響作用的部件來合理優(yōu)化流場。

本文對某600MW亞臨界燃煤機(jī)組SCR脫硝裝置的流場特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，對不同工況下SCR流場進(jìn)行了分析，基于數(shù)值模擬結(jié)果對該SCR裝置流動情況進(jìn)行了分析評價(jià)，并提出了流場優(yōu)化方案。

1 研究對象

本文研究對象為某600MW亞臨界燃煤機(jī)組的SCR脫硝裝置。該裝置采用液氨制備脫硝還原劑，高含塵布置方式，含2組擋板門、10組導(dǎo)流板、2組整流柵、3層催化劑，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SCR脫硝裝置幾何模型

2 計(jì)算方法

2.1 控制方程

SCR裝置內(nèi)煙氣流動的控制方程為雷諾時(shí)均納維-斯托克斯方程[20-23]。質(zhì)量守恒方程為：

(1)

動量守恒方程為：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程為：

(5)

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型，在近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)。對于催化劑區(qū)域采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算[24-26]，即在催化劑區(qū)域的動量方程中增加包含黏性阻力項(xiàng)和慣性阻力項(xiàng)的源項(xiàng)[27]，以u方向?yàn)槔湫问綖椋?/p>

(5)

式中：1/α為黏性阻力系數(shù)，C2為慣性阻力系數(shù)。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格和數(shù)值求解方法

網(wǎng)格主體采用四面體網(wǎng)格剖分，擋板門、導(dǎo)流板、整流柵、壁面及部分狹窄區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，滿足數(shù)值計(jì)算捕捉流動細(xì)節(jié)對網(wǎng)格精度的要求。整體網(wǎng)格進(jìn)行光順處理以提高網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定的計(jì)算網(wǎng)格單元數(shù)量為3500萬。圖2所示為脫硝反應(yīng)裝置總體網(wǎng)格及導(dǎo)流板、整流柵網(wǎng)格細(xì)節(jié)。利用開源求解器通過SIMPLE算法進(jìn)行求解。

圖2 脫硝反應(yīng)裝置總體網(wǎng)格及部分導(dǎo)流板、整流柵網(wǎng)格細(xì)節(jié)

2.3 計(jì)算邊界條件

本文對100%、75%和50%三種不同負(fù)荷下的流動進(jìn)行計(jì)算，工作條件如表1所示。

表1 不同負(fù)荷下SCR裝置工作條件

數(shù)值模擬過程中，煙氣入口使用速度入口邊界，湍流參數(shù)通過湍流強(qiáng)度來定義，系統(tǒng)出口為平均壓力邊界，反應(yīng)器壁面和導(dǎo)流板采用無滑移固體壁面邊界。

3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果校核

采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量進(jìn)行對比，來校驗(yàn)數(shù)值計(jì)算方法的正確性。在催化劑前和脫硝出口測點(diǎn)位置處測量煙氣流速，圖3和圖4給出的催化劑前測點(diǎn)煙氣Y方向速度、脫硝出口測點(diǎn)煙氣速度的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對比情形表明，實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果在大部分區(qū)域數(shù)量級、變化趨勢均吻合良好，催化劑前截面煙氣Y方向速度計(jì)算值和試驗(yàn)值的最大相對偏差小于7.7%，滿足小于10%的設(shè)計(jì)要求。

圖3 催化劑前測點(diǎn)煙氣Y方向速度對比

圖4 脫硝出口測點(diǎn)煙氣速度對比

除煙氣測量之外，本文還對SCR反應(yīng)裝置內(nèi)的催化劑磨損情況進(jìn)行了觀測，將催化劑磨損情況和煙氣速度分布場進(jìn)行比對可從側(cè)面對數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)證。圖5給出機(jī)組SCR反應(yīng)裝置催化劑磨損情況，圖6給出催化劑前煙氣XZ平面速度分布云圖。由于催化層的通流速度方向?yàn)閅方向、對XZ方向速度有約束作用，所以煙氣XZ方向速度對催化劑層的磨損起著主要作用。從圖5和圖6可以看出，催化劑的磨損情況與催化劑前煙氣XZ方向速度有著良好的對應(yīng)關(guān)系：靠近東側(cè)和北側(cè)區(qū)域的煙氣XZ方向速度較大，煙氣強(qiáng)烈橫向沖擊催化劑層，此處區(qū)域的催化劑磨損嚴(yán)重；而靠近西側(cè)和南側(cè)區(qū)域煙氣XZ方向速度很小，催化劑磨損情況有所緩解。這種一致性也驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖5 A側(cè)SCR反應(yīng)裝置催化劑實(shí)際磨損情況統(tǒng)計(jì)

圖6 催化劑前煙氣XZ平面速度分布云圖

3.2 SCR流場分析

首先分析系統(tǒng)總體阻力情況。表2給出了不同負(fù)荷工況下SCR裝置內(nèi)煙氣流動阻力情況，可以看出，催化劑阻力在SCR系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。

表2 SCR裝置內(nèi)流動阻力分布

以600MW機(jī)組為例對反應(yīng)裝置內(nèi)流場進(jìn)行詳細(xì)分析。滿負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷SCR反應(yīng)裝置內(nèi)煙氣三維流線分布如圖7所示。

圖7 600MW負(fù)荷SCR反應(yīng)裝置內(nèi)煙氣三維流線分布

觀測到的主要流動現(xiàn)象包括：

(1)SCR反應(yīng)裝置內(nèi)的煙氣流場大部分區(qū)域是順暢的，導(dǎo)流裝置和整流裝置對煙氣的引導(dǎo)作用明顯，在反應(yīng)器內(nèi)部氣流轉(zhuǎn)彎和擴(kuò)張區(qū)域，煙氣的流動較為平穩(wěn)、過渡平緩。

(2)導(dǎo)流板2處氣流速度較大，需預(yù)防煙氣對導(dǎo)流板沖刷磨損作用。導(dǎo)流板2后的煙氣流動轉(zhuǎn)向、擴(kuò)張平緩，不影響SCR反應(yīng)裝置后面區(qū)域的煙氣流動分配。

(3)導(dǎo)流板6、導(dǎo)流板7、導(dǎo)流板8對煙氣的導(dǎo)流作用較差。煙氣經(jīng)導(dǎo)流板6轉(zhuǎn)向后在離心力作用下甩向反應(yīng)器上壁面，而導(dǎo)流板7、導(dǎo)流板8、導(dǎo)流柵2對甩向上壁面的煙氣朝Y方向引導(dǎo)作用有限，最后導(dǎo)致進(jìn)入催化劑左側(cè)煙氣較小、煙氣XZ方向速度較大、煙氣對催化劑沖擊磨損作用嚴(yán)重。在導(dǎo)流板7、導(dǎo)流板8下部和催化劑層左上部區(qū)域煙氣產(chǎn)生旋渦回流區(qū)，煙氣的流動損失增大，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的根本原因在于導(dǎo)流板6的轉(zhuǎn)向引導(dǎo)作用不明顯。

不同負(fù)荷工況下SCR反應(yīng)裝置內(nèi)速度分布云圖如圖8所示，可以看到在不同負(fù)荷工況下均出現(xiàn)了圖7所顯示的流動現(xiàn)象。

圖8 SCR反應(yīng)裝置內(nèi)速度分布云圖

上述流場分析結(jié)果表明，該SCR系統(tǒng)在100%、75%和50%不同負(fù)荷下具有良好的可靠性，流場穩(wěn)定性、阻力特性等均能滿足設(shè)計(jì)要求。

通過對SCR導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化來改善整體流場，可以進(jìn)一步減小SCR系統(tǒng)的流動阻力、降低催化劑磨損。根據(jù)流場分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，采用以下流場優(yōu)化方案，將導(dǎo)流板6尾部段水平方向加長(或稍向下偏斜)，導(dǎo)流板8改成圓弧轉(zhuǎn)向過渡段，如圖9所示。

圖9 導(dǎo)流板優(yōu)化方案

導(dǎo)流板改造前后分別對脫硝反應(yīng)器前截面煙氣速度場采用網(wǎng)格法、使用3012H型嶗應(yīng)自動煙塵測試儀進(jìn)行測試，結(jié)果如表3和表4所示。引入相對標(biāo)準(zhǔn)偏差來描述流場均勻性，改造前試驗(yàn)測量區(qū)域流速相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.262，改造后相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降低至0.142，說明流場得到有效改善。

表3 導(dǎo)流板改造前脫硝反應(yīng)器前截面煙氣流速(450MW負(fù)荷) m/s

表4 導(dǎo)流板改造后脫硝反應(yīng)器前截面煙氣流速(450MW負(fù)荷) m/s

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對某600MW燃煤鍋爐SCR裝置不同負(fù)荷工況下的流場進(jìn)行了計(jì)算，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了校核，并對裝置內(nèi)流動特性進(jìn)行了分析，得到主要結(jié)論如下：

(1)計(jì)算結(jié)果與煙氣流速測量結(jié)果及催化劑實(shí)際磨損情況的對比表明，本文所采用的數(shù)值模擬方法以及采用多孔介質(zhì)模型計(jì)算催化劑層作用能夠有效地評估SCR裝置內(nèi)的復(fù)雜流場。

(2)不同負(fù)荷的流場計(jì)算結(jié)果表明，該SCR裝置總體流動情況良好，流場穩(wěn)定性、阻力特性等均能滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)導(dǎo)流板2后的煙氣流動轉(zhuǎn)向、擴(kuò)張平緩，不影響SCR反應(yīng)裝置后面區(qū)域的煙氣流動分配，但導(dǎo)流板2處氣流速度較大，需預(yù)防煙氣對導(dǎo)流板沖刷磨損作用。

(4)SCR裝置中尾部導(dǎo)流板對煙氣的導(dǎo)流作用較差，流場計(jì)算結(jié)果對導(dǎo)流板的優(yōu)化提出了建議，能夠有效地改善流場均勻性。