胡志光，李 麗，朱怡儒，徐 勁

(1. 華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003；2. 中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?湖北武漢430000；3. 華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

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1 000 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)流場模擬與優(yōu)化

胡志光1，李 麗1，朱怡儒2，徐 勁3

(1. 華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003；2. 中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?， 湖北武漢430000；3. 華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

脫硝裝置中流場分布不均會嚴(yán)重影響脫硝效率及催化劑使用壽命。針對超超臨界1 000 MW機(jī)組配套脫硝系統(tǒng)實際應(yīng)用案例較少，經(jīng)驗不足等問題，以1 000 MW機(jī)組配套脫硝裝置為仿真對象，通過改直角彎道為圓角彎道，在不同位置增設(shè)不同尺寸、形狀的導(dǎo)流板，催化劑上方增設(shè)整流格柵對其內(nèi)部流場進(jìn)行優(yōu)化，并通過云圖及均方根值進(jìn)行定性及定量分析。研究表明：導(dǎo)流板及整流格柵可以改變煙氣流動的方向，對煙氣進(jìn)行深度整流，使煙道及催化劑上方截面速度分布偏差系數(shù)降低到15%以下。在SCR反應(yīng)器及煙道內(nèi)合理增設(shè)導(dǎo)流及整流裝置，可以使流場分布趨于均勻，提高脫硝反應(yīng)效率和催化劑使用壽命。

脫硝；流場；均勻性；數(shù)值模擬；優(yōu)化

0 引言

NOx是造成酸雨的主要物質(zhì)，同時也是光化學(xué)煙霧、霧霾、溫室效應(yīng)等重大環(huán)境污染的首要成因[1,2]。隨著國家對NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，普通低氮燃燒技術(shù)已無法滿足新標(biāo)準(zhǔn)的排放要求，選擇性催化還原脫硝技術(shù)以其脫硝效率高，技術(shù)應(yīng)用成熟可靠而被廣泛采用[3,4]。研究表明，若脫硝系統(tǒng)氣流分布均勻性差時，在運行過程中高流速區(qū)域催化劑易發(fā)生磨損，而低速區(qū)大顆?；胰菀壮练e堵塞催化劑孔，造成該區(qū)域氣流不能通過，同時對煙氣與氨的混合均勻程度、反應(yīng)效果、氨逃逸率、壓降特性等均存在影響[5]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對流場分布的研究主要采取數(shù)值模擬與模型試驗兩種方法。數(shù)值模擬以其對脫硝反應(yīng)器內(nèi)氣流分布狀況模擬可靠性較好、經(jīng)濟(jì)性好、試驗周期短、結(jié)果形象直觀，可大大提高設(shè)計效率等優(yōu)點而被廣泛采用[6]。潘伶等對無錫某電廠脫硝反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了導(dǎo)流板安裝前、安裝后、優(yōu)化后三種情況煙氣及顆粒流動狀況[5]。葉貴峰通過對SCR脫硝系統(tǒng)煙道導(dǎo)流板及催化劑層上方整流格柵進(jìn)行模擬，說明導(dǎo)流及整流裝置可以減小進(jìn)入催化劑前的煙氣的流線角[7]。毛劍宏等利用Fluent數(shù)值模擬加冷態(tài)實驗的方法，證明了在SCR反應(yīng)器內(nèi)添加導(dǎo)流板可以降低流場速度偏差[8]。以上學(xué)者通過不同方式對SCR反應(yīng)器流場進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化，但SCR反應(yīng)器流場均勻性與來流煙氣通道每個部分導(dǎo)流及整流結(jié)構(gòu)設(shè)計均存在很大關(guān)聯(lián)，針對脫硝裝置在國內(nèi)大型機(jī)組安裝和使用經(jīng)驗相對較少的問題，根據(jù)SCR脫硝效率的影響因素，采用商用計算流體力學(xué)(CFD)軟件Fluent在1 000 MW機(jī)組配套脫硝系統(tǒng)噴氨煙道上、下轉(zhuǎn)向彎通道，SCR反應(yīng)器進(jìn)口，首層催化劑上方添加導(dǎo)流及整流裝置對流場進(jìn)行綜合模擬及優(yōu)化。

1 模型建立

1.1 物理模型的建立

以1 000 MW燃煤機(jī)組的SCR脫硝反應(yīng)器為模型，高塵區(qū)布置，采用兩臺相同的SCR反應(yīng)器并聯(lián)方式，現(xiàn)對其中一臺反應(yīng)器按與實際尺寸1∶1在Gambit中進(jìn)行建模。SCR反應(yīng)器具體模型及X軸方向與Y軸方向尺寸如圖1所示，單位m。寬(Z軸方向)均為11m。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最終網(wǎng)格數(shù)為327萬。

圖1 SCR反應(yīng)器及煙道模型示意圖

1.2 模擬條件設(shè)置

模擬條件設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置

進(jìn)口速度設(shè)置為速度進(jìn)口，SCR出口設(shè)置為自由出口，反應(yīng)器內(nèi)流動為湍流流動，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行模擬。物料選擇混合煙氣(mixture-template)，Species中各物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)如表2所示。

2 數(shù)值實驗及結(jié)果分析

2.1 煙道內(nèi)流場優(yōu)化

空塔布置情況下，系統(tǒng)煙道內(nèi)中心平面速度流場分布如圖2所示。

表2 脫硝系統(tǒng)入口煙氣成分

圖2 中心平面速度分布云圖

可以看出，噴氨煙道右側(cè)速度值偏大，最大高達(dá)32 m/s；左側(cè)速度值偏小最小的不足3 m/s，并在煙道彎道處速度值很低形成渦流。這種速度分布不利于煙氣與NH3混合，對催化反應(yīng)效果有直接影響。經(jīng)過觀察分析煙道內(nèi)的流場分布，采取增設(shè)直弧形導(dǎo)流板的方式減緩流體通過煙道時的離心偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，改變煙氣流經(jīng)彎道后的流場分布，同時降低由二次流引起的阻力，減小壓降[9-11]。

具體優(yōu)化方案如下：

(1)噴氨煙道的兩個直角彎道改為圓角彎道，外側(cè)的彎道半徑為1 m，內(nèi)側(cè)彎道半徑為0.5 m。在上下兩個彎道處，分別增設(shè)兩塊圓弧半徑為1 m，尾部延伸為1 m和3 m的直弧形導(dǎo)流板。

(2)在方案一的基礎(chǔ)上，上下兩個彎道均增設(shè)一塊圓弧半徑為1 m，尾部延伸為2 m的直弧形導(dǎo)流板。

(3)在方案二的基礎(chǔ)上，上下兩個彎道均增設(shè)一塊圓弧半徑為1 m，尾部延伸為2 m的直弧形導(dǎo)流板。同時將下方尾部延伸為1 m的直弧形導(dǎo)流板在Y軸方向升高0.5 m；上方尾部延伸為1 m的直弧形導(dǎo)流板在Y軸方向降低0.5 m。

相應(yīng)系統(tǒng)中心平面速度云圖如圖3所示。

圖3 中心平面速度分布云圖

由圖3可知，進(jìn)行優(yōu)化后，噴氨煙道彎道處的速度得到明顯改善，抑制了煙氣因速度和壓力所產(chǎn)生的的渦流狀況，減小了流場分離現(xiàn)象。隨著導(dǎo)流板數(shù)量的增加，噴氨煙道速度云圖的色差越來越小，反應(yīng)出速度分布均勻性變好。有效消除了噴氨段煙道流場內(nèi)的低速區(qū)域，使煙氣與NH3能夠在噴氨段內(nèi)均勻混合，對提高在反應(yīng)器內(nèi)的催化反應(yīng)效率有重要影響。同時選取空塔時與三種導(dǎo)流板方案時距噴氨煙道底部9 m處的橫截面為研究對象，通過美國RMS標(biāo)準(zhǔn)的相對均方根法進(jìn)行定量分析評定氣流均布性質(zhì)量。其判定公式為[12]：

(1)

式中：CV表示速度分布偏差系數(shù)；Vi表示第i個采樣點的速度值；V0表示采樣點速度的平均值；n表示采樣點個數(shù)。

得出的速度分布偏差系數(shù)如圖4所示。

圖4 速度分布偏差系數(shù)對比

觀察可得，空塔情況下，Cv值最大，達(dá)不到合格標(biāo)準(zhǔn)，流場分布均勻性最差。隨著導(dǎo)流板數(shù)量的增加Cv值不斷降低，方案2、方案3已經(jīng)符合氣流分布優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，方案2的Cv值最低。并且由于添加導(dǎo)流板數(shù)量越多，對整個系統(tǒng)壓降影響越大，所以選擇方案2，添加三塊導(dǎo)流板。

2.2 反應(yīng)器催化劑前流場均勻性模擬優(yōu)化

上述過程中，在噴氨煙道上下拐彎處增設(shè)導(dǎo)流板，目的是使噴氨煙道內(nèi)流場分布均勻，煙氣與NH3均勻混合，提高催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。但是根據(jù)圖3(b)可知，在反應(yīng)器催化劑上方0.5 m處，煙氣速度分布仍然不均勻，反應(yīng)器左側(cè)的速度明顯低于右側(cè)速度。為了使煙氣在進(jìn)入催化劑前的流場分布滿足CV<15%，參考相關(guān)文獻(xiàn)，整流格柵可以對煙氣進(jìn)行深度整流，均流效果顯著，同時可以減小速度流線方向與豎直方向的夾角，避免催化劑表面過度沖刷，延長催化劑使用壽命，達(dá)到提高催化反應(yīng)效率的目的[13-15]。故選擇在催化劑層上方增設(shè)整流格柵。分析不同數(shù)量的整流格柵會對氣流產(chǎn)生不同的影響。同時格柵數(shù)量過多，壓損過高；數(shù)目過少，整流作用不夠明顯。選取長度為0.3 m的整流格柵，確定優(yōu)化方案如表3所示。

表3 具體模擬方案

相應(yīng)SCR反應(yīng)器中心平面速度云圖分別如圖5所示。

圖5 中心平面速度分布云圖

對比圖5可以看出整流格柵起到明顯的整流作用。方案一較無格柵方案時，反應(yīng)器右側(cè)速度明顯減小，并且分布相對均勻。但是由于慣性作用，煙氣還是偏右側(cè)進(jìn)入反應(yīng)器，左側(cè)速度較低。方案二較方案一相比，速度流場分布相對均勻一些，但兩側(cè)的速度相對偏低，中間速度相對均勻。整體速度分布在三種方案中相對均勻。方案三較方案二相比，右側(cè)低速區(qū)減小，但左側(cè)的低速區(qū)沒有改善。對4種方案催化劑層上方0.5m處截面根據(jù)公式(1)求取Cv值，進(jìn)行定量分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 速度分布偏差系數(shù)對比

從圖6可以看出，設(shè)置整流格柵后，對煙氣流場分布的均勻性有很大改善。設(shè)置25塊整流格柵時Cv值較低，考慮壓降因素，綜合考慮，選取增設(shè)25塊整流格柵的方案。

2.3 增設(shè)導(dǎo)流板后的優(yōu)化結(jié)果

反應(yīng)器內(nèi)布置25塊整流格柵時，催化劑上方0.5 m處截面的煙氣速度分布偏差系數(shù)為20.88，仍達(dá)不到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。左側(cè)流場速度仍然偏小，考慮原因，是因為煙氣經(jīng)過噴氨煙道上方的拐彎時，由于慣性，速度方向向前。選擇在格柵上方增設(shè)導(dǎo)流板，利用導(dǎo)流板來改變煙氣流動方向，使煙氣流場分布均勻。具體優(yōu)化方案如下：

(1)在噴氨煙道向過渡煙道轉(zhuǎn)彎處中間位置增設(shè)一塊長度為1.118 m，與水平方向夾角為26°的直形導(dǎo)流板。

(2)增設(shè)兩塊相同的導(dǎo)流板，在豎直位置等間隔分布。

(3)增設(shè)三塊相同的導(dǎo)流板，在豎直位置等間隔分布。

(4)在方案3基礎(chǔ)上，改下方導(dǎo)流板為半徑0.5 m的弧形板。

對應(yīng)SCR反應(yīng)器中心平面速度云圖如圖7所示，催化劑上方0.5 m平面速度云圖如圖8所示。

圖7 中心平面速度分布云圖

圖8 橫截面速度分布云圖

根據(jù)圖7，圖8可知，在催化劑上方增設(shè)導(dǎo)流板后，相對無導(dǎo)流板的工況，流場分布更加均勻。方案1中設(shè)置一塊導(dǎo)流板后，速度流場分布相對無導(dǎo)流板截面流場分布，中部和右側(cè)流場分布更均勻，左側(cè)速度分布有改善，左側(cè)低速區(qū)明顯減小，但依然存在，仍需改善。方案2中設(shè)置兩塊導(dǎo)流板，低速區(qū)主要集中在緊靠SCR反應(yīng)器左側(cè)壁面部分的較窄區(qū)域，其他區(qū)域速度分布相對均勻。方案3中設(shè)置三塊導(dǎo)流板，低速區(qū)已經(jīng)基本改善，中部和右部的流場分布也很均勻。方案4在方案3的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器左側(cè)低速區(qū)，將最下面的直形導(dǎo)流板改成弧形導(dǎo)流板。低速區(qū)部分已經(jīng)減少至SCR反應(yīng)器邊緣部分，流場分布已經(jīng)大大改善。右側(cè)低速部分由于絕熱、氣流渦流以及氣流對壁面碰撞后反彈造成的，整體氣流分布CV值已達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)公式(1)求取催化劑上方0.5m處平面速度分布偏差系數(shù)結(jié)果如圖9所示。

圖9 速度分布偏差系數(shù)對比

從圖9可以看出，設(shè)導(dǎo)流板后，對SCR反應(yīng)器催化劑上方煙氣速度分布均布性有很大改善。隨著導(dǎo)流板的增加，速度分布偏差系數(shù)逐漸減小。綜合比較，方案4最優(yōu)。

3 結(jié)論

(1)通過FLUENT模擬，可以得到脫硝反應(yīng)器流場內(nèi)各個位置上速度、壓力、溫度、濃度等的分布狀況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等，為脫硝系統(tǒng)氣流均布裝置設(shè)計提供了依據(jù)[5]。

(2)將入口煙道處直角改為圓角，并在煙道拐彎處合理布置導(dǎo)流板能有效減緩流體通過煙道時的離心偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，優(yōu)化煙氣流經(jīng)彎道后的流場分布，同時降低由二次流引起的阻力，減小壓降。

(3)整流格柵可以對煙氣進(jìn)行深度整流，均流效果明顯；同時可以改變速度方向，減小煙氣速度方向與豎直方向的夾角，避免催化劑被過度沖刷，效果顯著。

(4)在整流格柵上方合理布置導(dǎo)流板，可以改善煙氣因慣性力而造成的反應(yīng)器左側(cè)速度偏低的狀況，進(jìn)一步優(yōu)化流場分布。

(5)燃煤電廠在實際運行中應(yīng)進(jìn)一步對其燃燒時的氧量、一次風(fēng)量等運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。已確保NOx排放量達(dá)到國家最新排放標(biāo)準(zhǔn)[16,17]。

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HU Zhiguang1，LI Li1，ZHU Yiru2，XU Jin3(1.School of Environmental Science and Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2.Sinosteel Tiancheng Environmental Protection Science & Technology Co. Ltd., Wuhan 430000, China; 3.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Simulation and Optimization of Flow Field of 1000 MW Unit DeNOx System

The uneven flow field distribution of denitration device will seriously affect the denitration efficiency and service life of catalyst. In the light of the fact that the 1 000MW ultra-super critical units supporting denitrification systems lack practical cases and experiences, by changing right-angle corners into rounded ones, adding baffle of different size and shape in different position, and adding rectification grid above catalyst to optimize its internal flow field, the 1 000MW units supporting denitration system is set up as a simulation object via qualitative and quantitative analysis through contours and RMS Results of the research show that the deflector and rectifier grille can change the direction of flue gas, so by rectifying the gas flow deeply the Cv value of flue and the section above catalyst can be reduced to 15% or even less. Appropriate arrangement of deflector and rectification grid in denitrification reactor and flue can improve the uniformity of the flow distribution and denitration reaction efficiency and catalyst life as well.

DeNOx； flow field； uniformity； numerical simulation； optimization

2016-06-23。

胡志光(1958-)，男，教授，主要研究方向為燃煤電廠煙氣治理、電除塵器的計算機(jī)仿真控制技術(shù)和專家故障診斷技術(shù)等方面，E-mail:hzg2991@126.com。

X511

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.09.011