空間受限下SCR寬負(fù)荷脫硝高溫旁路煙道優(yōu)化設(shè)計

張楚城，葉興聯(lián)，劉棟棟，蘇寅彪，楊 丁，羅 坤

(1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

0 引 言

當(dāng)前，我國電量需求增長相對緩慢，可再生清潔能源發(fā)電卻增長迅速，導(dǎo)致火電機(jī)組全年利用時長逐年降低[1-2]，因而大型燃煤火電機(jī)組變負(fù)荷運行和長時間在中低負(fù)荷區(qū)間運行己成為常態(tài)。但燃煤電廠低負(fù)荷運行時，選擇性催化還原脫硝(SCR)系統(tǒng)入口煙溫往往達(dá)不到運行要求。對此，國內(nèi)學(xué)者提出了“寬負(fù)荷脫硝”的概念[3-5]，即在低負(fù)荷時提高脫硝入口煙溫，保證催化劑化學(xué)反應(yīng)溫度，實現(xiàn)最低技術(shù)出力以上全負(fù)荷、全時段穩(wěn)定脫硝，達(dá)到潔凈排放要求。

提高SCR反應(yīng)器入口煙溫的技術(shù)方法主要包括高溫?zé)煔馀月芳訜?、省煤器分段布置、旁路部分省煤器給水和提高給水溫度等[6-9]。其中，煙氣旁路改造技術(shù)具有煙溫調(diào)節(jié)范圍廣、改造成本較低、運行控制方法簡單等優(yōu)點，成為目前主流方案之一。煙氣旁路改造技術(shù)的工作原理為：在省煤器前設(shè)置高溫旁路煙道，通過旁路煙道引一部分高溫?zé)煔獠唤?jīng)過省煤器而直接流入下游煙道，溫度較高的旁路煙氣與溫度較低的主路煙氣在催化劑前的煙道內(nèi)混合后形成混合煙氣再流入SCR催化劑[10]。

現(xiàn)階段，煙氣旁路改造技術(shù)存在主、旁兩路煙氣溫度混合效果差、催化劑局部煙溫過高或過低等問題。為此，國內(nèi)學(xué)者在旁路煙道布置與溫度偏差方面開展研究。王敦敦等[11]指出旁路煙道投運會擴(kuò)大脫硝入口煙溫在寬度方向上的分布偏差，旁路煙道布置方式和煙氣混合換熱需要改進(jìn)。魏建林等[12]分析了某脫硝系統(tǒng)加裝省煤器旁路后脫硝入口煙溫偏差大的原因，主要包括未考慮煙氣流場問題，主、旁路煙道只有一個接口，且無混合及導(dǎo)流裝置，使兩股煙氣無法較好混合。雷嗣遠(yuǎn)等[13]認(rèn)為影響脫硝旁路提溫效果的因素包括旁路煙氣溫度及流量、旁路煙道結(jié)構(gòu)、接入方式及位置等，提出煙氣旁路設(shè)計時需結(jié)合數(shù)值模擬方法與現(xiàn)場溫度摸底試驗，使旁路煙氣量及溫度與脫硝入口煙氣狀況匹配，從而均勻提升煙溫。姚廣平等[14]利用數(shù)值模擬方法得到了最優(yōu)脫硝煙氣旁路設(shè)計方案，流場分布均勻性的相關(guān)物理量符合要求值，項目改造完成后，溫度偏差在允許范圍內(nèi)，達(dá)到預(yù)期提溫效果。

上述研究成果使煙氣旁路改造技術(shù)在國內(nèi)成功應(yīng)用案例較多，但鮮見施工空間受限條件下及旁路是否投運對流場分布的影響研究。為此，筆者以某600 MW機(jī)組寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路改造工程為例，提出了一種適用于空間受限條件時的高溫旁路煙道結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)值模擬方法對其高、低負(fù)荷條件下的流場分布情況進(jìn)行分析。

1 寬負(fù)荷脫硝工程概況

某燃煤電廠600 MW機(jī)組SCR系統(tǒng)采用高溫高塵型工藝，沿鍋爐中心線對稱布置兩側(cè)SCR反應(yīng)器，選取單側(cè)反應(yīng)器為研究對象，如圖1所示。由于空間受限，使煙氣旁路只有很短的水平煙道。該脫硝系統(tǒng)采用3層催化劑布置，運行煙溫要求不低于290 ℃。寬負(fù)荷脫硝改造后，40%設(shè)計負(fù)荷時開啟高溫旁路煙道，煙氣參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 初始方案脫硝系統(tǒng)三維模型

2 流場模擬方法及指標(biāo)

2.1 數(shù)值方法

經(jīng)過大量學(xué)者[15-20]的物理模型和工程試驗驗證，商用CFD軟件ANSYS Fluent能較準(zhǔn)確模擬SCR系統(tǒng)內(nèi)部煙氣流動過程，具有工程指導(dǎo)應(yīng)用價值。

脫硝煙氣流動過程遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程，假設(shè)煙氣不可壓縮、穩(wěn)態(tài)流動。采用Standradk-ε雙方程模型求解煙氣湍流過程，采用組分輸運模型求解煙氣成分及氨氣的混合/擴(kuò)散作用，采用多孔介質(zhì)模型替代催化劑阻力的影響。噴氨入口和煙氣入口采用均勻速度入口邊界，根據(jù)噴氨量和煙氣量計算得到速度大?。粺煔獬隹诓捎脡毫Τ隹谶吔?，壓力值為-2 000 Pa；導(dǎo)流板、混合器等采用無滑移絕熱壁面邊界。主要控制方程為

連續(xù)性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

組分守恒方程：

(6)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；ux、uy、uz分別為x、y、z三個方向的速度分量，m/s；u為速度矢量；p為流體壓強(qiáng)，Pa；μ為動力黏度，Pa·s；Sx、Sy、Sz分別為x、y、z三個方向的動量源項，N/m3；E為流體微團(tuán)的總能，J·kg；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；T為流體溫度，K；hj為組分j的焓，J·kg；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；τeff為有效黏性系數(shù)；SH為能量源項，W/m3；Yj為組分j的質(zhì)量；Si為源項導(dǎo)致的額外生成速率。

2.2 衡量指標(biāo)

參照J(rèn)B/T 13175—2017《燃煤煙氣脫硝數(shù)值和物理模擬試驗方法》，采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv衡量選取斷面速度、氨氮物質(zhì)的量比的分布均勻性，Cv越小，表示均勻性越好。采用溫度偏差衡量選取斷面的溫度分布均勻性，為測點溫度與斷面平均溫度Tavg的差值。脫硝系統(tǒng)的流場技術(shù)指標(biāo)如下：首層催化劑上游0.5 m處斷面入口速度的Cv小于15%、氨氮物質(zhì)的量比的Cv小于5%、溫度偏差在±15 ℃以內(nèi)。

此外，將旁路煙道回?zé)熆?即旁路與省煤器下游煙道的接口)作為起始點，通過監(jiān)測起始點下游不同距離的最高溫度Tmax、最低溫度Tmin來分析主、旁路煙氣之間的煙溫混合情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 初始設(shè)計方案流場模擬

3.1.1初始方案

初始設(shè)計方案主要結(jié)構(gòu)特征為：噴氨混合裝置采用“噴氨管+圓盤”形式；主路煙道內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)流板、整流格柵等用來優(yōu)化速度場；頂部水平煙道設(shè)置有1組2×10個φ1.1 m的圓盤混合器以強(qiáng)化主路煙氣和旁路煙氣的混合作用；旁路煙道的取煙口(旁路與省煤器上游的煙道接口)為2個3.80 m×1.62 m斷面，沿?zé)煔饬飨蚪?jīng)水平煙道擴(kuò)徑段后分別形成5.00 m×1.77 m和5.80 m×1.77 m兩個回?zé)熆凇?/p>

3.1.2初始方案速度場分析

初始方案高、低2種負(fù)荷條件下的首層催化劑入口速度分布情況如圖2所示?？芍?種負(fù)荷下的速度分布趨勢基本一致，Cv相近，分別為11.9%、11.3%，滿足小于15%的技術(shù)指標(biāo)，說明旁路是否投運對速度場的影響較小。主要原因是回?zé)熆谙掠卧O(shè)置有導(dǎo)流板、圓盤混合器、整流格柵等一系列導(dǎo)/混流措施，且結(jié)構(gòu)比較緊湊，對氣流起到均流效果，削弱了主、旁路煙氣之間混合產(chǎn)生的湍流作用。

圖2 初始方案的首層催化劑入口速度分布

3.1.3初始方案濃度場分析

初始方案高、低2種負(fù)荷條件下的首層催化劑入口氨氮物質(zhì)的量比分布如圖3所示?？芍?種負(fù)荷下氨氮物質(zhì)的量比分布趨勢完全不同，說明旁路是否投運對氨氮物質(zhì)的量比分布影響很大。旁路投運后，首層催化劑入口氨氮物質(zhì)的量比分布Cv由未投運時的3.9%增至20.5%，氨氮物質(zhì)的量比均勻性由滿足技術(shù)指標(biāo)(小于5%)變?yōu)檫h(yuǎn)超指標(biāo)，氨氮物質(zhì)的量比分布范圍也由未投運時的0.884～1.129增至0.536～1.364，使氨氮物質(zhì)的量比過低區(qū)域不能充分脫除NOx，而過高區(qū)域出現(xiàn)氨逃逸超標(biāo)，不利于脫硝反應(yīng)和設(shè)備運行。

圖3 初始方案的首層催化劑入口氨氮物質(zhì)的量比分布

由圖3(b)可知，旁路投運后，首層催化劑入口氨氮物質(zhì)的量比分布左側(cè)大、右側(cè)小，這是由主、旁路煙氣之間混合不均勻造成。旁路煙氣流線如圖4所示，可知引入不含氨的旁路煙氣主要沿靠近旁路煙道的外側(cè)流動，旁路煙氣沒有流經(jīng)煙道內(nèi)側(cè)區(qū)域。而噴氨裝置位于旁路回?zé)熆谏嫌危沟猛鈧?cè)對應(yīng)區(qū)域煙氣的氨被稀釋，即氨氮物質(zhì)的量比低，另一側(cè)氨氮物質(zhì)的量比會高。

圖4 初始方案旁路投運時的旁路煙氣流線

3.1.4初始方案溫度場分析

脫硝系統(tǒng)絕熱條件下，旁路未投運時煙氣中的熱量損失僅源于噴氨過程，而噴氨量不足煙氣量的1%，對溫度分布影響很小，可忽略。

初始方案旁路投運時SCR系統(tǒng)和首層催化劑入口的溫度分布情況如圖5所示。可知首層催化劑入口溫度分布呈左側(cè)小、右側(cè)大趨勢，斷面平均溫度Tavg為304.9 ℃，溫度偏差為-21.6～51.5 ℃，不滿足±15 ℃以內(nèi)的技術(shù)指標(biāo)，最低溫度為283.3 ℃，低于催化劑的最低運行溫度290 ℃，將導(dǎo)致催化劑活性降低，影響脫硝效率。與上述氨氮物質(zhì)的量比分布不均勻的原因類似，主、旁路煙氣混合不均使引入旁路煙氣后旁路煙氣量少的煙道內(nèi)側(cè)區(qū)域溫度低；反之，旁路煙氣量多的煙道外側(cè)區(qū)域溫度高。

圖5 初始方案旁路投運時的溫度分布

初始方案旁路投運時沿?zé)煔饬飨虻臏囟茸兓鐖D6所示?？芍S混合距離(相對于旁路回?zé)熆?增大，最低溫度Tmin幾乎不變，這是因為主路煙氣量大，局部區(qū)域幾乎無法吸收來自旁路煙氣的熱量傳遞；而最高溫度Tmax變化大致分為3個階段，混合距離0～4.0 m，煙氣在自然溫度梯度擴(kuò)散作用下，Tmax以1.42 ℃/m速率緩慢降溫；混合距離4.0～9.5 m，煙氣在圓盤的強(qiáng)制混合擴(kuò)散作用下，Tmax以10.16 ℃/m 速率迅速降溫；最后9.5～12.0 m混合距離內(nèi)，煙氣在整流格柵作用下，主要依賴于自然熱擴(kuò)散作用，傳熱慢，Tmax降溫速率僅為0.45 ℃/m。

圖6 初始方案煙氣溫度隨混合距離的變化

3.1.5初始方案壓力場分析

統(tǒng)計得到初始方案SCR系統(tǒng)的阻力情況，旁路未投運時脫硝入口煙道的壓降損失為410 Pa。旁路投運時，旁路取煙口與主路入口(省煤器出口)的全壓差為-57 Pa，說明旁路煙道的阻力較小，實際運行中若想達(dá)到設(shè)計風(fēng)量應(yīng)調(diào)小旁路調(diào)節(jié)擋板，以避免旁路煙氣量過大。

3.2 高溫旁路煙道優(yōu)化設(shè)計思路

3.2.1難點分析

根據(jù)該項目SCR煙道結(jié)構(gòu)特征和初始方案的SCR流場分布情況，分析得到空間受限條件下的高溫旁路煙道設(shè)計難點如下：

1)施工改造空間限小。旁路煙道取煙口到回?zé)熆诘闹本€距離僅約2.5 m，空間很窄。同時，受梁、柱等支撐結(jié)構(gòu)限制，煙道能夠擴(kuò)徑的范圍有限。

2)主、旁路煙氣之間的混合距離短。從旁路煙道回?zé)熆谥潦讓哟呋瘎┑幕旌暇嚯x僅12 m，且中間有2個直角轉(zhuǎn)彎，沒有充分強(qiáng)化混合的直段煙道。

3)氨氮物質(zhì)的量比分布均勻性差。由于旁路煙道回?zé)熆谖挥趪姲毖b置下游，不含氨的旁路煙氣和含氨的主路煙氣混合后，很難保證氨氮物質(zhì)的量比的分布均勻性，要求主、旁路煙氣之間均勻混合。

3.2.2優(yōu)化設(shè)計思路及方案

針對上述空間受限的難點，提出高溫旁路煙道優(yōu)化設(shè)計方案(圖7)。

圖7 優(yōu)化方案脫硝系統(tǒng)三維模型

1)設(shè)法增大施工改造空間和延長主、旁路煙氣之間的混合距離。實現(xiàn)方式是將主路煙道的豎直段分隔成2部分，一部分作為旁路煙道。此時主、旁路煙氣之間的混合距離為20 m，相比于初始方案延長了66.7%，并增加了可用于強(qiáng)化混合的直段煙道。同時，可將旁路煙道在深度方向(Y軸)擴(kuò)徑至與主路煙道相同，有利于主、旁路煙氣的均勻混合。

2)將主、旁路煙氣分隔成多股氣流分別均勻混合。實現(xiàn)方式是：① 主路分隔得到的旁路煙道的回?zé)熆诓捎?4個等間距布置的小通道口形式，可使旁路煙氣均勻覆蓋在整個主路煙道深度方向；② 在各小通道回?zé)熆诘某隹谠O(shè)置引流板，以控制旁路煙氣的出流方向，并增強(qiáng)旁路煙氣的“剛性”來控制噴射距離，使得旁路煙氣均勻覆蓋在整個主路煙道寬度方向(X軸)。同時，小通道和引流板分隔了主、旁路兩路煙氣，使其錯位、分區(qū)域流動。

3)將噴氨裝置布置于旁路回?zé)熆谙掠尾⒃O(shè)置相應(yīng)均/混流措施。實現(xiàn)方式是：① 將噴氨混合裝置布置在分隔后的主路煙道內(nèi)，噴氨格柵形式由不同高度的2層噴氨管構(gòu)成，在噴氨管上開有小噴氨孔，噴氨下游設(shè)置2×12個φ0.9 m圓盤作為混合器；② 在引流板和噴氨格柵之間設(shè)置均流板，使氣流能較均勻流過噴氨區(qū)域。

3.3 優(yōu)化設(shè)計方案流場模擬

3.3.1優(yōu)化方案速度場分析

優(yōu)化方案高、低2種負(fù)荷條件下的首層催化劑入口速度分布情況如圖8所示。對比可知，旁路未投運和投運2種負(fù)荷下的速度分布趨勢相似，但有一定差異，Cv分別為9.4%、8.4%，滿足小于15%的技術(shù)指標(biāo)。產(chǎn)生差異的原因是旁路回?zé)熆谥链呋瘎┲g的煙道留有一小段主、旁路煙氣混合湍流作用區(qū)域，即分隔后的主路煙道區(qū)域，使得該區(qū)域在旁路是否投運2種條件下煙氣流動狀態(tài)有所不同。

圖8 優(yōu)化方案的首層催化劑入口速度分布

3.3.2優(yōu)化方案濃度場分析

優(yōu)化方案2種高、低負(fù)荷條件下的首層催化劑入口氨氮物質(zhì)的量比分布情況如圖9所示。對比可知，旁路未投運和投運2種負(fù)荷下氨氮物質(zhì)的量比分布趨勢相似，但有一定差異，其原因與速度差異相同。2種負(fù)荷的濃度Cv分別為4.5%、3.7%，滿足小于5%的技術(shù)指標(biāo)，有利于脫硝反應(yīng)。

圖9 優(yōu)化方案的首層催化劑入口氨氮物質(zhì)的量比分布

與初始方案相比，經(jīng)過旁路煙道優(yōu)化設(shè)計后，旁路投運時的首層催化劑入口氨氮物質(zhì)的量比的Cv由初始方案的20.5%降至3.7%，說明將噴氨格柵布置在旁路回?zé)熆谙掠慰尚小?/p>

3.3.3優(yōu)化方案溫度場分析

優(yōu)化方案旁路投運時的旁路煙氣流線如圖10所示。可知旁路煙氣能很好地覆蓋煙道斷面，極大改善溫度場的分布均勻性。

圖10 優(yōu)化方案旁路投運時的旁路煙氣流線

優(yōu)化方案旁路投運時SCR系統(tǒng)和首層催化劑入口溫度分布情況如圖11所示?？芍獌?yōu)化后首層催化劑入口的溫度分布趨勢與初始方案相同，表現(xiàn)為左側(cè)小、右側(cè)大，但溫度分布均勻性大幅改善，溫度偏差由初始方案的-21.6 ～51.5 ℃減小為-13.8～9.5 ℃，滿足±15℃以內(nèi)的技術(shù)指標(biāo)，最低溫度為291.1 ℃，滿足催化劑的最低運行溫度。溫差分布均勻性明顯改善，說明在主路煙道深度方向設(shè)置小通道回?zé)熆诤蛯挾确较蛟O(shè)置引流板可行。

優(yōu)化方案旁路投運時沿?zé)煔饬飨虻臏囟茸兓鐖D12所示?？芍S混合距離的增大，最低溫度Tmin的變化大致分為4個階段，混合距離為0～7 m豎直煙道內(nèi)，Tmin幾乎沒有增加，在該區(qū)域煙氣需損失小部分熱量來加熱氨氣，局部主路煙氣受到來自高溫旁路煙氣的傳熱作用也很弱；混合距離為7～12 m豎直煙道內(nèi)，加熱氨氣已經(jīng)完成，在圓盤的渦流混合作用和高、低溫?zé)煔忾g的溫度梯度作用下，Tmin以2.12 ℃/m速率緩慢升溫；混合距離為12～20 m煙道內(nèi)，氣流較穩(wěn)定，斷面上混合煙氣溫度梯度較小，傳熱作用弱，Tmin以0.25 ℃/m速率緩慢升溫。

最高溫度Tmax的變化大致分為4個階段，混合距離為0～3 m豎直煙道內(nèi)，小通道回?zé)熆诘慕Y(jié)構(gòu)使高溫旁路煙氣分成14股分別與低溫主路煙氣混合，大幅增加了主、旁路煙氣間的接觸傳熱面積，增強(qiáng)了傳熱效率，Tmax以12.9 ℃/m速率迅速降溫；混合距離為3～7 m豎直煙道內(nèi)，在圓盤的渦流混合作用下，Tmax以4.33 ℃/m速率降溫；混合距離為7～12 m煙道內(nèi)，圓盤產(chǎn)生的湍流作用減弱，斷面上混合煙氣間溫差較小，Tmax降溫速率進(jìn)一步降低，平均降溫速率為1.93 ℃/m；混合距離為12～20 m煙道內(nèi)，氣流穩(wěn)定，Tmax以0.40 ℃/m速率緩慢降溫。

3.3.4優(yōu)化方案壓力場分析

統(tǒng)計得到優(yōu)化方案SCR系統(tǒng)的阻力情況，在旁路未投運時脫硝入口煙道的壓降損失為515 Pa，與初始方案相比增加了115 Pa，增加的阻力主要由于將豎直煙道分隔一部分作為旁路煙道，使該區(qū)域煙氣流速增大，進(jìn)而導(dǎo)致阻力增大。但相比于低負(fù)荷脫硝系統(tǒng)無法投運的問題，所增加阻力尚在可接受范圍。在旁路投運時，旁路取煙口與主路入口的全壓差為-10 Pa，說明旁路煙道的阻力較小，可保證有充足的旁路煙氣量引入主路煙道進(jìn)行調(diào)溫。

4 結(jié) 論

1)以某工程為例，通過數(shù)值模擬分析得出，空間受限條件對SCR脫硝高溫旁路煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計造成的難點主要有主、旁路煙氣之間的混合距離短、影響氨氮物質(zhì)的量比分布均勻性2方面。

2)針對空間受限的難點，提出了一種高溫旁路煙道優(yōu)化的設(shè)計思路——將一段主路煙道分隔成2部分，其中一部分作為旁路煙道，以增加施工改造空間和延長主、旁路煙氣之間的混合距離；采取小通道回?zé)熆诤鸵靼宓慕Y(jié)構(gòu)將主、旁路煙氣分割成多股錯位、分區(qū)域的氣流，實現(xiàn)其均勻混合；將噴氨混合裝置布置于旁路回?zé)熆谙掠?，避免不含氨旁路煙氣帶來的氨氮物質(zhì)的量比偏差。

3)模擬結(jié)果表明，提出的優(yōu)化設(shè)計方案能大幅改善SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)部的流場分布，旁路投運和不投運時都能滿足相應(yīng)的速度、氨氮物質(zhì)的量比和溫度場技術(shù)指標(biāo)。尤其旁路投運時，首層催化劑入口速度分布Cv由初始方案的11.3%降至8.4%，氨氮物質(zhì)的量比分布Cv值由初始方案的20.5%降至3.7%、溫度偏差由初始方案的-21.6 ～51.5 ℃減小為-13.8～9.5 ℃，流場顯著改善，對寬負(fù)荷脫硝改造工程具有借鑒意義。