高建強(qiáng)， 梁勝瑩

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

SCR煙氣脫硝技術(shù)已在電廠廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)氮氧化物超低排放，需要進(jìn)一步提高脫硝效率。催化劑前煙道中流場(chǎng)以及氨氣濃度分布的均勻性是影響脫硝效率的關(guān)鍵因素[1]。對(duì)于SCR脫硝系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)流裝置可以很好地保證流場(chǎng)及濃度場(chǎng)的均勻性。

在導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)布置方面，文獻(xiàn)[2]利用數(shù)值模擬分析導(dǎo)流板布置方式對(duì)流場(chǎng)的影響，通過(guò)在脫硝系統(tǒng)煙氣入口處、上升彎道處加裝導(dǎo)流板，實(shí)現(xiàn)了SCR煙道流場(chǎng)的優(yōu)化，并對(duì)導(dǎo)流板間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了煙道界面內(nèi)最佳的煙氣分布。文獻(xiàn)[3]提出改善反應(yīng)區(qū)前的流場(chǎng)分布可降低催化劑入口氨氮比的偏差。徐妍采用Fluent軟件，應(yīng)用k-ε雙方程模型計(jì)算煙道內(nèi)氣體湍流運(yùn)動(dòng)，對(duì)SCR入口煙道處楔形頂結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到直/弧導(dǎo)流板相結(jié)合的最優(yōu)布置方案[4]。文獻(xiàn)[5～6]采用Fluent對(duì)SCR脫硝煙道內(nèi)彎道處導(dǎo)流板設(shè)置方案進(jìn)行了模擬分析，探討了導(dǎo)流板布置方式對(duì)脫硝煙道出口速度分布、進(jìn)出口壓差及流動(dòng)過(guò)程能量損耗的影響。以上學(xué)者通過(guò)在不同位置進(jìn)行導(dǎo)流板優(yōu)化來(lái)改善流場(chǎng)分布，但并沒(méi)有充分考慮脫硝裝置中煙氣飛灰的運(yùn)動(dòng)軌跡及濃度分布。煙氣中攜帶的固態(tài)飛灰會(huì)對(duì)催化劑造成嚴(yán)重的磨損，而對(duì)于脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)飛灰分布及沉積區(qū)變化的研究經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，需要對(duì)導(dǎo)流板優(yōu)化技術(shù)深入研究，以改善催化劑層的煙氣入射偏角分布，減少煙氣對(duì)催化劑層的沖刷，同時(shí)加入離散相模擬，對(duì)飛灰沉積區(qū)進(jìn)行研究，為導(dǎo)流板優(yōu)化布置提供參考。

針對(duì)某電廠SCR脫硝系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于煤質(zhì)、燃燒條件等運(yùn)行工況的變化，出現(xiàn)的催化劑孔堵灰、氨逃逸偏高及催化劑失活等問(wèn)題，在不同的安裝位置，綜合考慮導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、弧形板的開(kāi)度等，將不同形式及不同弧度的導(dǎo)流板合理的布置在煙道擴(kuò)口處、煙道上升拐彎處，在反應(yīng)區(qū)頂部加裝整流格柵對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行深度優(yōu)化，同時(shí)對(duì)飛灰沉積區(qū)進(jìn)行模擬研究，對(duì)原SCR系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化改造，通過(guò)數(shù)值模擬與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)耦合的研究方法更加科學(xué)、準(zhǔn)確地找到最佳優(yōu)化方案，并驗(yàn)證了改造方案的有效性。

1 SCR系統(tǒng)模型

1.1 模型建立

以某電廠SCR脫硝裝置為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。煙氣由省煤器出口進(jìn)入脫硝系統(tǒng)，經(jīng)下方水平煙道、渦流混合器、上轉(zhuǎn)彎處導(dǎo)流板、入口罩、整流格柵到達(dá)SCR脫硝塔。噴氨格柵包括244個(gè)噴氨孔，孔徑為0.05 m。脫硝反應(yīng)器有三層催化基層(其中第三層為備用層)，在首層催化劑上部設(shè)有整流格柵，為了使流入催化劑層的煙氣更加均勻，SCR入口煙道變截面或轉(zhuǎn)角處布置導(dǎo)流板。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

利用Fluent對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，使用k-epsilon湍流模型(簡(jiǎn)稱k-ε模型)對(duì)煙氣及飛灰在SCR煙道內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算。為考慮催化劑層的阻力及多孔特性，催化劑層結(jié)構(gòu)采用多孔介質(zhì)模型，孔隙率設(shè)置為0.9，各變量的收斂殘差值設(shè)置成10-6，同時(shí)做出以下不影響計(jì)算精度的簡(jiǎn)化：煙氣為單相氣體，連續(xù)介質(zhì)，脫硝入口界面煙氣流速及組分分布均勻[7]。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，需要對(duì)幾何模型進(jìn)行分塊劃分，SCR脫硝系統(tǒng)總共被劃分成14個(gè)區(qū)域。對(duì)于形狀規(guī)則的煙道、催化劑層等區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而噴氨格柵和整流板等復(fù)雜區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，在噴氨格柵、導(dǎo)流板和整流格柵處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密[8～10]。為了檢驗(yàn)計(jì)算的網(wǎng)格是否達(dá)到求解問(wèn)題的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，在相同工況下，采用不同網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬，結(jié)果如表1所示。劃分過(guò)程中對(duì)網(wǎng)格逐步細(xì)化到294萬(wàn)后，再進(jìn)行網(wǎng)格加密模擬計(jì)算結(jié)果相差在2%以內(nèi)，故采用294萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬計(jì)算。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查

1.2 邊界條件及評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)置邊界條件如表2所示。

表2 煙氣參數(shù)及邊界條件

首層催化劑入口截面速度以及氨氣濃度分布的均勻性是評(píng)判脫硝效率高低的關(guān)鍵之一。工程項(xiàng)目常用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv來(lái)評(píng)價(jià)某截面參數(shù)的均勻性，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv值越小代表速度及濃度分布越均勻，有益于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。Cv的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

2 原模型流場(chǎng)模擬

圖2(a)(b)為煙道內(nèi)不同寬度方向上的煙氣流速變化云圖。從速度云圖可以看出：來(lái)流煙氣通過(guò)下水平煙道進(jìn)入SCR反應(yīng)塔后，在反應(yīng)塔右側(cè)均形成了一個(gè)低速區(qū)。由圖可知：煙氣由水平煙道進(jìn)入SCR反應(yīng)器后，由于水平煙道末端直角轉(zhuǎn)彎的阻擋作用，煙氣在自身慣性作用下絕大部分從反應(yīng)器左側(cè)通過(guò)，而在右側(cè)煙氣流量很小，相應(yīng)壓力也較小，反應(yīng)器右側(cè)出現(xiàn)一個(gè)低速區(qū)，導(dǎo)致左側(cè)的煙氣中一部分回流到右側(cè)低壓區(qū)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)渦流。

圖2中(c)(d)為煙道內(nèi)噴氨格柵下游及首層催化劑入口處的煙氣流速變化云圖。計(jì)算分析優(yōu)化前煙道各截面速度分布可知：加裝導(dǎo)流板前噴氨下游速度偏差為23.3%；首層催化劑入口截面煙氣速度偏差為18.6%，高于常規(guī)定量分析的標(biāo)準(zhǔn)偏差(15%)，煙氣速度分布均勻性差，會(huì)導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)氨氮混合不均，脫硝效率較低，氨逃逸超標(biāo)等問(wèn)題。

圖2 優(yōu)化前煙道流場(chǎng)分布

3 優(yōu)化后模擬分析

在SCR脫硝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，噴氨合理性及脫硝效率達(dá)標(biāo)在很大程度上依賴于反應(yīng)系統(tǒng)的流場(chǎng)及濃度場(chǎng)的均勻性[11]。布置適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流板在SCR煙道內(nèi)，煙氣流速會(huì)降低，煙氣與催化劑的接觸及反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)，有利于氣體的擴(kuò)散、吸附和產(chǎn)物氣體的擴(kuò)散，從而提高脫硝效率；但是導(dǎo)流板偏多時(shí)，煙氣與催化劑接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，發(fā)生NOx氧化反應(yīng)，反而降低脫硝效率，且導(dǎo)流板數(shù)目增加時(shí)壓損增加，使引風(fēng)機(jī)的能耗增加[12]。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及流體理論知識(shí)，分別在圖1中不同位置設(shè)置不同數(shù)量的導(dǎo)流板，使得流場(chǎng)優(yōu)化效果最大化。首層催化劑上方整流格柵導(dǎo)板間距0.15 m，各轉(zhuǎn)角布置導(dǎo)板數(shù)量如表3所示。

3.1 流場(chǎng)及濃度場(chǎng)

煙道內(nèi)導(dǎo)流板的布置方式將會(huì)直接影響煙道流場(chǎng)的分布狀況，進(jìn)而影響SCR首層催化劑入口煙氣速度?；谝延形墨I(xiàn)的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，在不同的變截面處及彎道采用不同開(kāi)度的弧形板或弧直板引導(dǎo)煙氣流動(dòng)，使煙氣更加均勻地充滿煙道。經(jīng)過(guò)多次模擬及改進(jìn)，得到最佳的整體導(dǎo)流板布置方案。

表3 優(yōu)化方案導(dǎo)流板布置

圖3(a)(b)是優(yōu)化改造后煙道內(nèi)不同寬度方向上的煙氣流速變化云圖。圖3(c)(d)分別為噴氨格柵下游、首層催化劑入口煙氣流速變化云圖。

圖3 優(yōu)化后煙道流場(chǎng)分布

由圖3(a)(b)可知，通過(guò)布置導(dǎo)流板可以：(1)減少了煙道內(nèi)前墻壁面上的速度邊界層的影響，布置導(dǎo)流板后速度邊界層的影響區(qū)域減小，只在尖角處存在較小的回流區(qū)域；(2)加裝導(dǎo)流板后噴氨格柵下游速度偏差由23.3%降至12.7%，煙氣速度分布更加均勻；(3)對(duì)比優(yōu)化前后首層催化劑入口處流線分布圖可以看出：加裝導(dǎo)流板可以引導(dǎo)弧形板后煙氣的流動(dòng)，減小煙氣回流作用，使得煙氣進(jìn)入上層催化劑層時(shí)更加均勻。同時(shí)，首層催化劑入口截面煙氣速度偏差由18.6%降至9.7%，優(yōu)化后煙氣均勻性更佳。相同機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)煙道的導(dǎo)流板優(yōu)化方案研究還有文獻(xiàn)[13]，在入口煙道轉(zhuǎn)彎處布置弧形導(dǎo)流板，較好地改善了流場(chǎng)及濃度場(chǎng)。以首層催化劑入口截面為例，經(jīng)過(guò)加裝弧形或弧直形導(dǎo)流板均將截面的速度偏差降到10%以下。

3.2 煙氣入射角

計(jì)算得出優(yōu)化前后催化劑上方煙氣入射角度分布如圖4所示。優(yōu)化前催化劑上方速度入射角分布范圍很廣從0°到180°都存在。文獻(xiàn)[14]模擬發(fā)現(xiàn)在入口煙道增加導(dǎo)流板，可以減小首層催化劑入口截面的氣流偏角，分析優(yōu)化改造后催化劑層煙氣入射角，發(fā)現(xiàn)在10°范圍內(nèi)的入射煙氣由優(yōu)化前的27.03%升至36.73%，且煙氣偏角處于90°以下的比例由86.7%升至91.3%，煙氣整體回流降低。

圖4 優(yōu)化前后入射角角度分布

3.3 優(yōu)化后飛灰磨損

煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的飛灰顆粒的存在會(huì)對(duì)SCR系統(tǒng)流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響，而流場(chǎng)的變化對(duì)飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)和沉積也會(huì)產(chǎn)生影響。大量的飛灰顆粒在煙道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)撞擊，會(huì)在催化劑表面產(chǎn)生沉積及搭橋現(xiàn)象，造成催化劑的磨損與堵塞等。加入離散相進(jìn)行數(shù)值模擬，能得到飛灰顆粒在SCR煙道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡與濃度分布，預(yù)測(cè)SCR反應(yīng)器內(nèi)部的飛灰特性，有助于SCR脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行[15]。

如圖5(a)(b)所示為SCR脫硝煙道內(nèi)各個(gè)截面內(nèi)飛灰濃度分布，首層催化劑上方飛灰濃度分布如圖5(c)所示，圖5(d)是不同寬度截面上沿深度方向飛灰濃度分布圖，x軸代表SCR脫硝塔催化劑層的深度(前墻與后墻間距)。在此基礎(chǔ)上，原模型中飛灰顆粒在流經(jīng)SCR脫硝塔時(shí)，其主要分布于偏右側(cè)煙道，此區(qū)域煙氣流速較低，對(duì)飛灰攜帶作用相對(duì)較弱，這里飛灰濃度很大，故在催化劑表層產(chǎn)生大量積灰，與文獻(xiàn)[16]得到的結(jié)論基本一致。

由圖5分析可知：優(yōu)化后的煙道內(nèi)飛灰分布合理，只有在彎道處、前后墻貼壁處以及闊口區(qū)域存在部分的飛灰沉積區(qū)，在實(shí)際運(yùn)行中只要在以上部位設(shè)置吹灰裝置即可減輕飛灰沉積及磨損問(wèn)題。

圖5 飛灰濃度圖

通過(guò)優(yōu)化改造方案的流場(chǎng)、煙氣偏角、飛灰濃度場(chǎng)模擬可知，彎道中加裝導(dǎo)流板可以起到以下作用：(1)在噴氨格柵前合理的布置導(dǎo)流板可以保證噴氨格柵下游煙氣流速均勻性，避免了煙氣速度偏差過(guò)大引起的噴氨不合理；(2)合理的布置導(dǎo)流板可以改善彎道內(nèi)的速度場(chǎng)，減小由于彎道處渦流和回流導(dǎo)致的磨損嚴(yán)重；(3)合理的布置導(dǎo)流板可以保證進(jìn)入首層催化劑的煙氣流場(chǎng)均勻性，避免由于流場(chǎng)因素導(dǎo)致的脫硝效率偏低。在噴氨前煙道內(nèi)加裝導(dǎo)流板可以很好地減少首個(gè)彎道帶來(lái)的擾流，尤其是減小了倒U型煙道上升階段煙氣界面上的速度偏差，同時(shí)可以改善流體流經(jīng)彎道時(shí)的分離現(xiàn)象，減小流體流經(jīng)彎道時(shí)產(chǎn)生的二次流所帶來(lái)的阻力，使得煙氣在噴氨區(qū)與煙氣更好地混合。

4 SCR反應(yīng)器模型實(shí)驗(yàn)研究

4.1 冷態(tài)試驗(yàn)及方法

冷態(tài)?；夹g(shù)是一種省時(shí)省力、更接近實(shí)際脫硝系統(tǒng)運(yùn)行工況的實(shí)驗(yàn)研究方法，通過(guò)冷態(tài)模化試驗(yàn)對(duì)上述脫硝系統(tǒng)優(yōu)化改造方案進(jìn)行驗(yàn)證，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)由SCR反應(yīng)塔模型、引風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥及若干管道組成。測(cè)量?jī)x器由熱線風(fēng)速儀、水平尺、三角板、量角器等組成。實(shí)驗(yàn)主要步驟：(1)打開(kāi)引風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)，檢測(cè)管路有無(wú)漏風(fēng)；(2)平置水平尺，將其固定于測(cè)孔正下方，把三角板直角邊緊貼于水平尺上；(3)將熱線風(fēng)速分別伸入催化層前上下兩排各個(gè)測(cè)孔中測(cè)量速度值并記錄；(4)計(jì)算相對(duì)速度偏差。

圖6 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖7(a)為未優(yōu)化前測(cè)孔速度分布，圖7(b)為優(yōu)化后測(cè)孔速度分布。由圖可知，當(dāng)SCR脫硝煙道未進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，速度均勻性較差，在近爐側(cè)存在一個(gè)低速區(qū)，速度相對(duì)偏差為19.3%；SCR脫硝煙道進(jìn)行優(yōu)化后，速度均勻性明顯有所改善，速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相比較，其規(guī)律和基本趨勢(shì)均保持一致，但實(shí)驗(yàn)中的速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值都略微大于模擬結(jié)果，分析其原因：可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中由于粘合板之間的縫隙造成漏風(fēng)，也可能是因?yàn)槟M進(jìn)口煙氣流速是均勻的，而實(shí)驗(yàn)中很難保證入口流速均勻。

圖7 實(shí)驗(yàn)速度分布圖

5 結(jié)論

(1)加裝導(dǎo)流板后噴氨下游截面速度偏差由23.3%降至12.7%，煙氣速度分布更加均勻；首層催化劑入口截面煙氣速度偏差由18.6%降至9.7%，優(yōu)化后煙氣均勻性更佳；煙氣偏角處于90°以下的比例由86.7%升至91.3%，煙氣整體回流降低。

(2)優(yōu)化后的煙道內(nèi)只在彎道處、前后墻貼壁處以及闊口區(qū)域存在部分的飛灰沉積區(qū)，在實(shí)際運(yùn)行中只要在以上部位設(shè)置吹灰裝置即可減輕飛灰沉積及磨損問(wèn)題。

(3)導(dǎo)流板布置方式直接影響煙道內(nèi)流場(chǎng)的分布，分別在煙道內(nèi)不同彎道處設(shè)置不同數(shù)量、不同形式的導(dǎo)流板，使得流場(chǎng)優(yōu)化最大化，并進(jìn)行冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化改造方案的合理性。