王為術(shù)，上官閃閃，路 統(tǒng)，楊智峰，鄭春雄，陳 剛

(1．華北水利水電大學(xué) 熱能工程研究中心，河南 鄭州450011;2．大唐安陽發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 安陽455004;3．深圳粵能環(huán)保再生能源有限公司，廣東 深圳518111)

0 引言

火電廠燃煤產(chǎn)生的氮氧化物造成大氣污染的問題日益嚴(yán)重，燃煤電站超凈排放NOx最新標(biāo)準(zhǔn)要求低于50 mg/Nm3，控制NOx排放已成為當(dāng)前電力行業(yè)發(fā)展的重要工作環(huán)節(jié)［1-2］． 為適應(yīng)日益嚴(yán)格的氮排放標(biāo)準(zhǔn)，選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術(shù)已成為大型燃煤機(jī)組煙氣脫硝的主要選擇．脫硝效率和氨逃逸率是衡量SCR 脫硝系統(tǒng)性能的兩大指標(biāo)，在SCR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成而且選定催化劑的前提下，SCR 系統(tǒng)煙道內(nèi)的均流特性將是影響脫硝效率和氨逃逸率的重要因素． 因此，在SCR 脫硝煙道內(nèi)加裝導(dǎo)流板，成為保證煙氣分布均勻的主要方式［3］． 毛劍宏等［4-5］通過數(shù)值模擬和冷態(tài)試驗(yàn)的方法對(duì)SCR 脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化． 楊超等［6］針對(duì)600 MW 機(jī)組3 種方案SCR 脫硝系統(tǒng)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，為導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)和合理配置提供參考依據(jù)．賈興豪等［7］通過在彎管內(nèi)部加裝不同形式的導(dǎo)流板，模擬彎管內(nèi)流體流動(dòng)特性，證明在彎管內(nèi)部加裝不同形式的導(dǎo)流板，模擬彎管內(nèi)流體流動(dòng)特性，證明加裝導(dǎo)流板能顯著改善彎管內(nèi)流體流動(dòng)．張彥軍等［8］則通過對(duì)SCR 入口煙道的模擬計(jì)算，指出SCR 入口煙道的設(shè)計(jì)布置以及導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響其工作的關(guān)鍵因素． 雷達(dá)等［9］對(duì)布置有導(dǎo)流板的SCR 煙道流場(chǎng)進(jìn)行研究，分析了不同導(dǎo)流方案對(duì)SCR 系統(tǒng)運(yùn)行的影響． 筆者基于FLUENT 6．3 軟件，針對(duì)某電廠600 MW SCR 煙道流場(chǎng)均化導(dǎo)流方案優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)研究，對(duì)工程技術(shù)改造提供參考．

1 數(shù)值模型

1．1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為某電廠燃煤機(jī)組的SCR 脫硝系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組布置兩臺(tái)SCR 反應(yīng)器，采用高塵區(qū)布置，布置在鍋爐省煤器煙道和空氣預(yù)熱器之間．選取省煤器出口到空預(yù)器入口前煙道系統(tǒng)作為模擬對(duì)象，由于兩臺(tái)反應(yīng)器布置結(jié)構(gòu)對(duì)稱，選取一個(gè)模擬研究．以100%工況為模擬工況．

1．2 三維幾何模型

三維幾何模型和實(shí)際SCR 系統(tǒng)按1∶1 尺寸構(gòu)建．根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，在建模和模擬中做出簡化如下:將煙氣視為不可壓縮牛頓流體;假設(shè)煙氣入口速度均勻;氨噴射以垂直面射流近似模擬;穩(wěn)流裝置和催化劑層簡化為均勻多孔結(jié)構(gòu);多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)流體壓降采用多孔介質(zhì)模型模擬．

利用GAMBIT 軟件對(duì)SCR 系統(tǒng)進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖1 所示． 應(yīng)用結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)管屏與導(dǎo)流板處進(jìn)行局部加密，在計(jì)算過程中通過逐步細(xì)化網(wǎng)格得到近似網(wǎng)格無關(guān)解，網(wǎng)格總數(shù)為400 萬．

圖1 SCR 系統(tǒng)網(wǎng)格示意Fig．1 Grid of SCR system

1．3 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

模擬中的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及組分守恒方程可用一個(gè)通用微分方程表示為

式中:φ 是通用變量;Γ 是擴(kuò)散系數(shù);S 是源項(xiàng)． 方程中4 項(xiàng)依次是非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)．

多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程具有附加的動(dòng)量源項(xiàng)．源項(xiàng)由兩部分組成，一部分是黏性損失項(xiàng)(Darcy);另一部分是內(nèi)部損失項(xiàng)，如下式所示．

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2．1 無導(dǎo)流板時(shí)SCR 系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

圖2 為無導(dǎo)流板時(shí)SCR 系統(tǒng)內(nèi)的速度分布．SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度流線如圖2(a)所示，由于SCR系統(tǒng)煙道截面變化劇烈，而煙氣在寬度方向發(fā)展有限，導(dǎo)致煙氣在擴(kuò)展面速度分布不均;在彎頭處因離心作用出現(xiàn)低速區(qū)域，而且由于慣性，煙氣無法充滿彎頭整個(gè)區(qū)域． 煙氣進(jìn)入噴氨區(qū)域和反應(yīng)器區(qū)域時(shí)，速度分布不均加劇，區(qū)域內(nèi)流體充滿度很差，在催化劑層有效的體積只有近70%． 利用效率低，嚴(yán)重影響SCR 系統(tǒng)的脫硝效率．此外，在系統(tǒng)尾部煙道處，煙氣流態(tài)依然紊亂，會(huì)影響下游空氣預(yù)熱器的工作效率．

式中:Si是i 向(x，y 或者z)動(dòng)量源項(xiàng);D 和C 是規(guī)定的矩陣．在多孔介質(zhì)單元中，動(dòng)量損失對(duì)于壓力梯度有貢獻(xiàn)，壓降和流體速度成比例．

煙氣的流動(dòng)采用RNG k-ε 雙方程模型來模擬，采用一階迎風(fēng)差分格式，隱式算法求解;選用SIMPLE 算法對(duì)壓力速度進(jìn)行耦合;同時(shí)采用壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)域，應(yīng)用組分輸運(yùn)模型來模擬各組分的混合，計(jì)算采用低松弛迭代的變松弛系數(shù)法．模型進(jìn)口采用速度入口條件，入口流場(chǎng)為斷面平均流速，模擬機(jī)組BMCR 工況;出口為自由出流．

為使煙道內(nèi)的流場(chǎng)分布均勻，首先對(duì)無導(dǎo)流方案進(jìn)行數(shù)值模擬，再根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，先通過局部模擬得到該處導(dǎo)流板的安裝位置、數(shù)量和形狀，設(shè)計(jì)出兩套導(dǎo)流方案，再通過整體模擬得到系統(tǒng)的流場(chǎng)分布．

圖2 無導(dǎo)流板時(shí)SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布Fig．2 Velocitydistributionof SCR system without splitters

由圖2(b)可見，在入口的大小頭的上部出現(xiàn)高速區(qū)，速度達(dá)20 m/s 左右，在彎頭處由于出現(xiàn)大范圍的低速區(qū)，彎頭內(nèi)側(cè)速度高，且在25 m/s以上，外側(cè)低速區(qū)內(nèi)煙氣速度只有5 m/s 左右;進(jìn)入豎直煙道后速度仍然分布不均，如圖2(c)所示，近鍋爐側(cè)速度較低，只有1 m/s，近脫硝側(cè)速度則高達(dá)16 m/s，這對(duì)氨氮的混合十分不利;當(dāng)煙氣到達(dá)反應(yīng)器入口處時(shí)，速度分布如圖2(d)所示，反應(yīng)器入口處最大速度為16 m/s，最小速度為11 m/s，速度偏差高達(dá)31．25%，這會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入反應(yīng)器區(qū)域的煙氣分布不均，降低催化劑利用率，且過高的流速進(jìn)入反應(yīng)器區(qū)域會(huì)降低煙氣與催化劑的接觸時(shí)間，影響反應(yīng)效果，進(jìn)而造成脫硝效率較低和氨逃逸較大．

2．2 導(dǎo)流優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)無導(dǎo)流板時(shí)系統(tǒng)內(nèi)煙氣速度分布不均的結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)做導(dǎo)流優(yōu)化設(shè)計(jì)．先通過局部模擬得到該處導(dǎo)流板的安裝位置、數(shù)量和形狀，再將局部導(dǎo)流設(shè)計(jì)整合得到兩種導(dǎo)流優(yōu)化方案，如圖3所示．由于入口大小頭處寬度方向單向擴(kuò)充段角度為36°，高度方向單向減縮角度為20°，因此方案一在此處分別設(shè)計(jì)一排橫向和一排縱向的導(dǎo)流板，方案二則設(shè)計(jì)兩排縱向?qū)Я靼?彎頭處導(dǎo)流板均采用變間隔布置，方案二加裝了延伸導(dǎo)流段．

圖3 導(dǎo)流優(yōu)化方案Fig．3 The optimizing schemes of flow guidance

2．3 導(dǎo)流優(yōu)化方案模擬與分析

方案一優(yōu)化后SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布如圖4所示，經(jīng)方案一導(dǎo)流板優(yōu)化后，由于導(dǎo)流板的作用，SCR 系統(tǒng)內(nèi)流體充滿度得到較大改善，在反應(yīng)器區(qū)域內(nèi)，煙氣基本充滿反應(yīng)器空間，煙道彎頭處依然存在低速區(qū)域，尤其在SCR 系統(tǒng)尾部煙道內(nèi)，速度分布嚴(yán)重不均．在入口大小頭處分別設(shè)計(jì)一排橫向?qū)Я靼搴鸵慌趴v向?qū)Я靼宓姆桨刚餍Ч幻黠@，煙道兩側(cè)仍有10 m/s 左右的速度差;由此導(dǎo)致煙氣在AIG 下游處速度分布不均，最大速度為19 m/s，最小速度只有4 m/s;反應(yīng)器入口處的速度偏差為30%． 由此可見，由于寬度方向的擴(kuò)充對(duì)下游煙道的影響較大，若擴(kuò)充段速度分配不均，將會(huì)對(duì)下游煙氣分布產(chǎn)生影響，導(dǎo)致機(jī)組脫硝效率降低．

方案二優(yōu)化后SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布如圖5所示，導(dǎo)流優(yōu)化方案二加入后，SCR 系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)得到明顯改善，煙氣充滿整個(gè)反應(yīng)器空間;彎頭處煙氣分布均勻，已無明顯低速區(qū)，煙氣速度在10 m/s 左右．入口大小頭處設(shè)計(jì)兩排縱向?qū)Я靼逭餍Ч黠@，速度分布均勻，煙氣流速均在15 m/s 左右;煙氣在AIG 下游處速度分布依然保持均勻，速度偏差為15%;在反應(yīng)器入口處的速度偏差則降為13%． 此外，由于彎頭處的導(dǎo)流板都加裝了延伸導(dǎo)流段，在SCR 系統(tǒng)尾部煙道內(nèi)速度分布依然均勻，從而減小了對(duì)下游機(jī)組的影響．由此可見．方案二整流優(yōu)化效果明顯高于方案一．

圖4 方案一優(yōu)化后SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布Fig．4 Velocity distribution of optimized SCR system with first scheme

圖5 方案二優(yōu)化后SCR 系統(tǒng)內(nèi)速度分布Fig．5 Velocity distribution of optimized SCR system with second scheme

3 結(jié)論

(1)在SCR 系統(tǒng)無導(dǎo)流裝置時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)煙氣充滿度很差，煙道內(nèi)速度場(chǎng)分布嚴(yán)重不均，嚴(yán)重影響SCR 系統(tǒng)的運(yùn)行效率．

(2)采用導(dǎo)流板能有效改變煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求;SCR 系統(tǒng)煙道加裝導(dǎo)流板可降低AIG 下游截面和反應(yīng)器入口的速度偏差，改善AIG 下游氨氮混合和反應(yīng)器內(nèi)煙氣速度的均勻性．

(3)系統(tǒng)入口大小頭處應(yīng)從對(duì)下游煙氣分布影響較大的方面進(jìn)行整流優(yōu)化，方案二的設(shè)計(jì)，不僅改善了煙氣在大小頭處的速度分布，還對(duì)下游AIG 處的氨氮混合和反應(yīng)器的穩(wěn)定高效運(yùn)行提供了保證．

［1］ 湯元強(qiáng)． 燃煤電廠SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化與飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)的研究［D］． 上海:上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2012．

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［4］ 毛劍宏，蔣新偉，鐘毅，等．變截面傾斜煙道導(dǎo)流板對(duì)AIG 入口流場(chǎng)的影響［J］． 浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2011，45(8):1453 -1457．

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［7］ 賈興豪，彎管導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和數(shù)值模擬研究［D］． 重慶:重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，2011．

［8］ 張彥軍，高翔，駱仲渙，等． SCR 脫硝系統(tǒng)入口煙道設(shè)計(jì)模擬研究［J］． 熱力發(fā)電，2007，36(1):15 -17，23．

［9］ 雷達(dá)，金寶升．燃煤電站SCR 內(nèi)煙氣流場(chǎng)及還原劑濃度場(chǎng)模擬與優(yōu)化［J］． 煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(3):394 -399．