張峰
(華電新疆發(fā)電有限公司昌吉熱電廠,新疆 昌吉 831100)
昌吉熱電廠1、2號(hào)機(jī)組原脫硝裝置采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù),單臺(tái)機(jī)組脫硝催化劑分為“2+1”層設(shè)計(jì),初裝兩層,脫硝裝置入口NOx濃度按450mg/Nm3(標(biāo)干,6%O2),出口NOx濃度不高于100mg/m3(標(biāo)態(tài),干基,6%O2)設(shè)計(jì)。CFD模型的建立主要是從省煤器下部到空預(yù)器入口法蘭,如下圖1所示為初步設(shè)計(jì)階段的SCR系統(tǒng)形狀示意圖。如圖2所示氨氣及空氣混合其他主要通過噴氨格柵噴入SCR脫硝系統(tǒng)煙道并與其內(nèi)部的煙氣混合,最后進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi),在催化劑的作用下NH3與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)水和氮?dú)?,煙氣脫硝后?jīng)SCR出口煙道排出,然后進(jìn)入空氣預(yù)熱器等下游各級(jí)輔機(jī)設(shè)備。
圖1 CFD模型圖
通過利用加裝導(dǎo)流板的形式可以將煙氣進(jìn)入催化劑層前盡可能分布均勻,為確保氣流的均勻性需要在每一個(gè)煙氣流向改變處及變徑段設(shè)置相應(yīng)的導(dǎo)流板。如圖1所示,導(dǎo)流板統(tǒng)一安裝在調(diào)整管道的頂部及反應(yīng)器入口位置。另外為了確保脫硝的效率,通常需要在噴氨格柵前加裝導(dǎo)流板來使氨和煙氣能夠充分混合,如圖2,同時(shí)導(dǎo)流板的安置還要充分考慮到系統(tǒng)阻力的影響情況。
圖2 噴氨格柵、上升煙道頂部導(dǎo)流板
(1)數(shù)學(xué)模型。在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中,科學(xué)合理地選取數(shù)學(xué)模型對(duì)后期的計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。本次模擬對(duì)象主要針對(duì)流場(chǎng)的改進(jìn)設(shè)計(jì),所以在確保高精度的條件下,為了減少計(jì)算量,主要應(yīng)用氣相湍流模型。依據(jù)SCR裝置內(nèi)煙氣流動(dòng)時(shí)湍流的情況,主要采取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來模擬系統(tǒng)內(nèi)煙氣的湍流運(yùn)動(dòng)。在正交直角坐標(biāo)系下,k-ε湍流模型基本控制方程可以表示:
其中,φ為因變量,Γφ為因變量φ的擴(kuò)散系數(shù),Sφ為因變量守恒方程中所對(duì)應(yīng)的源項(xiàng)。
(2)多孔介質(zhì)模型。對(duì)于SCR反應(yīng)器內(nèi)的催化劑層壓降,通過將催化劑層看作多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬。其壓降損失模擬公式如下:
式中:Si——i方向上動(dòng)量源項(xiàng),Pa/m;μ——流動(dòng)動(dòng)力粘度,Pa·s;α——介質(zhì)滲透性;vi——i向速度分量,m/s;ρ——密度,kg/m3;C2——內(nèi)部阻力因子,1/m。
(3)物質(zhì)運(yùn)輸模型。由于在進(jìn)行催化還原過程中的流動(dòng)介質(zhì)存在混合情況,因此選用混合物物質(zhì)輸運(yùn)模型進(jìn)行模擬。通過求解描述每種組成物質(zhì)的對(duì)流、擴(kuò)散和反應(yīng)源的守恒方程來模擬混合和輸運(yùn),可以模擬多種同時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)選擇解化學(xué)物質(zhì)的守恒方程時(shí),通過第i種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程預(yù)估每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yi守恒方程采用以下的通用形式:
(1)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算分析。隨著對(duì)氮氧化合物排放的控制及人們對(duì)SCR系統(tǒng)性能要求的不斷提高,目前我們主要通過偏差系數(shù)的大小來衡量SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能。偏差系數(shù)的計(jì)算公式如下式:
式中:Cv——標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù);σ——標(biāo)準(zhǔn)偏差;x——平均值。
在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),一般常用鍋爐最大連續(xù)運(yùn)行工況時(shí),SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑上面的速度及NH3濃度分布等偏差(Cv值)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)來考核系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。
(2)數(shù)值模擬結(jié)果分析。根據(jù)SCR脫硝裝置的幾何尺寸及運(yùn)行參數(shù)等,對(duì)初步設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行模擬及分析,經(jīng)過反復(fù)的模擬和調(diào)整,得到優(yōu)化后的導(dǎo)流板布置方式和技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過校驗(yàn)和對(duì)比,發(fā)現(xiàn)原有煙道導(dǎo)流板流場(chǎng)分布基本合理,建議改進(jìn)方案如下:將導(dǎo)流板3間距減少一半,進(jìn)行加密;調(diào)整導(dǎo)流板4角度;調(diào)整導(dǎo)流板5兩側(cè)各五塊導(dǎo)流板長(zhǎng)度;加密導(dǎo)流板6,間隔減少一倍,并減少噴氨側(cè)前五塊導(dǎo)流板長(zhǎng)度。其余原有導(dǎo)流板及整流格柵可以利舊,保持不變。研究結(jié)果表明,該建議設(shè)計(jì)方案能取得很好地?zé)煔饬鲃?dòng)分布和維持系統(tǒng)較低的壓降。實(shí)驗(yàn)在100%BMCR工況下測(cè)定,圖3為優(yōu)化方案100%BMCR工況下第一層催化劑入口截面速度分布,將該截面的各點(diǎn)速度大小導(dǎo)出代入公式(4),計(jì)算速度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為9.08%,滿足技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“速度最大偏差為±10%”的要求。
圖4為優(yōu)化方案100%BMCR工況下SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入處的氨濃度分布圖,將該截面的各點(diǎn)氨濃度分布大小導(dǎo)出代入公式(4),求得標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為4.81%,符合技術(shù)指標(biāo)要求。
圖3 100%BMCR工況下第一催化劑床層速度云圖
圖4 100%BMCR工況下催化劑第一床層氨濃度云圖
圖5 為建議優(yōu)化方案100%BMCR第一層催化劑上游速度偏角余弦值分布云圖,將該截面的各點(diǎn)余弦值分布大小導(dǎo)出代入公式(4),求得標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為0.20%,速度偏角平均值為3.51o(即cos(θ)平均值為0.99813,θ=3.51o),滿足技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“速度偏角小于±5°”的要求。
圖5 100%BMCR工況下第一層催化劑入口速度偏角
通過對(duì)華電新疆發(fā)電有限公司昌吉熱電廠1、2號(hào)機(jī)組煙氣脫硝超低排放改造工程的CFD研究分析發(fā)現(xiàn),原始方案模擬結(jié)果顯示流場(chǎng)分布中速度場(chǎng)大小和方向基本合理,能夠達(dá)到第一層催化劑入口處關(guān)于煙氣速度和煙氣入射角度不滿足相關(guān)要求。改造方案模擬結(jié)果顯示第一層催化劑入口處的速度分布更加均勻,速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)降至9.08%;氨濃度分布更均勻,氨濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)下降至4.81%,達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“氨濃度偏差小于±5%”的要求。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)與物理模擬測(cè)試的結(jié)果相吻合,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求。該項(xiàng)目導(dǎo)流板方案的成功設(shè)計(jì)對(duì)于其他機(jī)組脫硝SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。