劉 江

(神華國(guó)華孟津發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471112)

隨著環(huán)保技術(shù)指標(biāo)的提高，特別是當(dāng)前對(duì)NOx控制更加嚴(yán)格，近年來，各電廠先后進(jìn)行了煙氣超低排放脫硝改造工程。在實(shí)際電廠改造項(xiàng)目中，一般根據(jù)省煤器出口的實(shí)際煙氣條件校核脫硝裝置內(nèi)部流場(chǎng)情況，然后結(jié)合流場(chǎng)具體情況，對(duì)SCR脫硝反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)原有流體調(diào)節(jié)裝置、氨噴射系統(tǒng)等進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期取得較好的流動(dòng)場(chǎng)和較低的系統(tǒng)壓降。導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)原則為盡量利用原有導(dǎo)流板，并根據(jù)實(shí)際煙氣進(jìn)行導(dǎo)流板的優(yōu)化調(diào)整。

目前，針對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了許多數(shù)值模擬和冷態(tài)試驗(yàn)研究，大部分主要關(guān)心在流場(chǎng)、組分分布，導(dǎo)流板布置方案。Rogers K等[1]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)SCR系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)與安裝了分析和優(yōu)化。毛劍宏等[2]針對(duì)某SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和冷態(tài)試驗(yàn)，研究了導(dǎo)流裝置形式對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布的影響。Zukerman R等[3-4]發(fā)現(xiàn)在噴氨格柵后加裝靜態(tài)混合器，可以顯著改善流場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布。目前，針對(duì)反應(yīng)器內(nèi)能量損失分布情況的研究較少，并且關(guān)于反應(yīng)器內(nèi)能量損失的研究也大多是關(guān)心反應(yīng)器系統(tǒng)壓損。

近年來，熵產(chǎn)分析方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備內(nèi)流動(dòng)和傳熱問題的研究[4]。Bejan首先提出了熵產(chǎn)最小化的概念，并推導(dǎo)僅考慮流動(dòng)和換熱時(shí)微元體內(nèi)的熵產(chǎn)。Herwig H等[5]提出基于質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程的CFD程序可以通過后處理過程，提出直接和間接2種熵產(chǎn)計(jì)算方法。Kock F等[6]分析了不可壓湍流黏性流體流動(dòng)，提出熵產(chǎn)的4種影響因素，并提出相應(yīng)的適合高雷諾數(shù)流動(dòng)的壁面方程。段璐等[7]以旋風(fēng)分離器為例，使用熵產(chǎn)分析方法對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值分析，驗(yàn)證了利用熱力學(xué)第二定律研究流場(chǎng)能量損失方法的可行性。王松嶺等[8]利用熵產(chǎn)原理對(duì)流體設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有較好的效果。目前，國(guó)內(nèi)還未見到熵產(chǎn)理論在煙氣超低排放脫硝改造工程的應(yīng)用。

本文通過求解三維RANS方程和熵產(chǎn)理論方程，對(duì)某600 MW的燃煤電站鍋爐的SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬和熵產(chǎn)計(jì)算，綜合考量能量損失分布情況以及流場(chǎng)均勻性要求，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)流裝置進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，在改造施工量較少的情況下，完成工程目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)較少的系統(tǒng)能量損失。

1 熵產(chǎn)分析方法

熵是系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)中熵的變化來自2個(gè)方面：①不可逆過程，其引起的熵的變化叫熵產(chǎn)；②系統(tǒng)與外界的熱量和質(zhì)量交換。通過計(jì)算熵產(chǎn)可以得到系統(tǒng)內(nèi)不可逆損失的分布情況，進(jìn)而有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或改造，實(shí)現(xiàn)減少不可逆損失的目的。對(duì)于單相不可壓縮流動(dòng)，具有以下熵方程：

(1)

其中，Φ/T用于描述耗散作用引起的熵產(chǎn)；Φθ/T2用于描述傳熱引起的熵產(chǎn)。不同因素引起的不可逆熵產(chǎn)可以分為：黏性熵產(chǎn)、湍流熵產(chǎn)、溫差傳熱熵產(chǎn)以及壁面熵產(chǎn)。單相系統(tǒng)在熵方程中，各方向的速度u、v、w以及溫度T可以在CFD程序中求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程來獲得。對(duì)于單相流動(dòng)，狀態(tài)參數(shù)熵s，僅是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù)，而這2個(gè)參數(shù)也可以在傳統(tǒng)CFD計(jì)算中獲得[9-12]。因此，可以在CFD后處理程序中獲取這些參數(shù)。

(2)

(3)

(4)

由脈動(dòng)速度場(chǎng)不易測(cè)量計(jì)算，用湍動(dòng)能耗散率代替脈動(dòng)速度場(chǎng)對(duì)湍流熵產(chǎn)進(jìn)行求解，該模型建立了湍動(dòng)能耗散率ε與湍流熵產(chǎn)的函數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：

(5)

系統(tǒng)的黏性熵產(chǎn)、湍流熵產(chǎn)可以通過對(duì)式(5)在積分區(qū)域內(nèi)進(jìn)行體積積分得到，即對(duì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)單位體積熵產(chǎn)率和網(wǎng)格體積的成績(jī)進(jìn)行積分求和得到其熵產(chǎn)。因此，系統(tǒng)的湍流熵產(chǎn)和黏性熵產(chǎn)可以表示為：

(6)

2 物理模型與數(shù)值計(jì)算方法

本文選取的研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)某600 MW電廠燃煤鍋爐脫硝系統(tǒng)，采用雙反應(yīng)器并聯(lián)設(shè)置，選取省煤器出口到反應(yīng)器出口煙道之間的區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，系統(tǒng)主要由煙道、導(dǎo)流板、噴氨格柵、整流器以及催化劑層構(gòu)成。已知煙道入口尺寸高3.50 m、寬13.95 m，反應(yīng)器本體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)11.67 m、寬13.95 m、高21.00 m，豎直煙道距離反應(yīng)器4 m。根據(jù)已知系統(tǒng)的實(shí)際尺寸，利用三維建模軟件Solidworks對(duì)SCR裝置模型進(jìn)行等比例建模，SCR脫銷系統(tǒng)幾何模型[13-15]如圖1所示。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)幾何模型Fig.1 Geometric model of SCR denitration system

采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格加密，提高壁面和導(dǎo)流板附近的網(wǎng)格質(zhì)量。首先進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性的計(jì)算，選定網(wǎng)格數(shù)量為400萬。為在模擬中體現(xiàn)出煙氣中的多組分，啟用組分輸運(yùn)模型[16]，設(shè)定煙氣各成分的比例具體數(shù)值見表1，SCR出口設(shè)定為Outflow邊界條件。固體壁面、導(dǎo)流板和整流板均設(shè)為壁面(wall)，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，無滑移邊界條件。噴氨入口都選擇速度入口，具體設(shè)置見表2。煙氣入口設(shè)定為速度入口，湍流參數(shù)通過湍流強(qiáng)度和水利直徑來定義，具體設(shè)置見表3。本文主要研究速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，對(duì)催化劑的化學(xué)反應(yīng)不做研究，所以對(duì)催化劑層模型選擇多孔介質(zhì)模型，沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向，多孔介質(zhì)的慣性阻力因子、黏性阻力因子取較大設(shè)定值[17-18]，多孔率為0.8。此外，近壁區(qū)處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法[19]。

表1 煙氣各組分質(zhì)量百分比Tab.1 The components of flue gas %

表2 噴氨量Tab.2 Spray ammonia

表3 不同工況下煙氣入口條件Tab.3 Inlet conditions of flue gas under different conditions

本文在模擬計(jì)算中，忽略反應(yīng)器內(nèi)對(duì)流動(dòng)影響不大的支撐桿、支撐梁等內(nèi)部構(gòu)件，且認(rèn)為SCR反應(yīng)器內(nèi)入口速度、組分濃度等均勻分布，忽略飛灰影響。省煤器出口處煙氣速度分布均勻且定常。

3 分析與討論

本文選取SCR脫硝系統(tǒng)煙道幾處轉(zhuǎn)彎和漸擴(kuò)處為研究特征面，研究?jī)?yōu)化前后熵產(chǎn)率的變化。SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)(原始工況)如圖2所示。由圖2可知，由湍流耗散所引起的熵產(chǎn)大于黏性耗散所引起的熵產(chǎn)，且二者間相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此SCR反引起內(nèi)部的熵產(chǎn)的主要來源是內(nèi)部煙氣高雷諾數(shù)湍流脈動(dòng)。與此同時(shí)，由黏性耗散所引起的熵產(chǎn)幾乎可以忽略。

圖2 SCR反應(yīng)器內(nèi)熵產(chǎn)分布(原始工況)Fig.2 Distribution of entropy generation in SCR reactor(original condition)

比較幾處熵產(chǎn)較大的位置可以看出，煙道轉(zhuǎn)彎段、煙道漸擴(kuò)段以及導(dǎo)流板附近是熵產(chǎn)主要產(chǎn)生位置，流道中熵產(chǎn)率最小。導(dǎo)流板附近熵產(chǎn)較大，一方面，是由于導(dǎo)流板前端存在沖擊現(xiàn)象，導(dǎo)流板后緣表面存在邊界層分離；另一方面，導(dǎo)流板布置在煙道的轉(zhuǎn)彎段或漸擴(kuò)段，流道的急劇變化會(huì)使導(dǎo)流板上會(huì)產(chǎn)生邊界層分離，導(dǎo)流板之間流道內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生二次流和劇烈的漩渦流動(dòng)等復(fù)雜現(xiàn)象，將產(chǎn)生較大的能量損失。這與煙氣在SCR反應(yīng)器中的流動(dòng)情況是相一致的。

催化劑前整流格柵主要是用于保證煙氣進(jìn)入催化層均勻性良好，間距較小，起到整流和使煙氣平穩(wěn)轉(zhuǎn)向的作用。由于流道急劇變化，在這個(gè)區(qū)域，一方面煙氣流動(dòng)方向變化劇烈，另一方面煙氣在此處實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到壓強(qiáng)勢(shì)能的能量轉(zhuǎn)換過程。導(dǎo)流板之間流道內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生二次流和劇烈的漩渦流動(dòng)等復(fù)雜現(xiàn)象，將產(chǎn)生較大的能量損失。

對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到改造后的SCR反應(yīng)器內(nèi)熵產(chǎn)分布，如圖3所示。由圖3可知，優(yōu)化后的反應(yīng)器內(nèi)的熵產(chǎn)降低，流動(dòng)損失減少，有效地改善了煙氣流動(dòng)情況。

圖3 SCR反應(yīng)器內(nèi)熵產(chǎn)分布(改造工況)Fig.3 Distribution of entropy generation in SCR reactor(transformation condition1)

4 實(shí)際應(yīng)用

某電廠8、9 號(hào)機(jī)組脫硝入口煙道內(nèi)護(hù)板、煙道進(jìn)口側(cè)1～3 排煙氣導(dǎo)向板磨損嚴(yán)重，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，SCR入口NOx可控制在設(shè)計(jì)值以內(nèi)，其分布較為均勻，但SCR NOx分布存在很大偏差。其中，SCR反應(yīng)器A側(cè)出口的NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差約為34.3%，B側(cè)出口的NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差約為39.7%。SCR反應(yīng)器內(nèi)第1層催化劑的速度(Cv值)、NH3/NOx摩爾比及SCR反應(yīng)器內(nèi)同一橫截面上溫度偏差均超出標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)性能處于較低的水平。

通過上述技術(shù)的應(yīng)用，經(jīng)過反復(fù)的模擬和調(diào)整，得到優(yōu)化的導(dǎo)流板布置方式和技術(shù)指標(biāo)。改造后的系統(tǒng)流線分布均勻，無明顯渦流，第1層催化劑入口截面平均速度為3.97 m/s，速度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為8.6%，滿足技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“速度最大偏差為平均值的±10%”的要求；第1層催化劑入口截面的各點(diǎn)氨濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為4.80%，氨氮摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為4.85%，滿足技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“氨氮摩爾比最大偏差為平均值的5%”的要求；第1層催化劑入口截面溫度分布均勻，且其平均溫度為596 K，溫度變化范圍在±2 ℃以內(nèi)，滿足技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“溫度偏差小于10 ℃”的要求；第1層催化劑上游速度偏角余弦值的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為0.11%，速度偏角平均值為3.34°(即cos(θ)平均值為0.998，θ=3.34°)，滿足技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“速度偏角小于10°”的要求，系統(tǒng)性能得到一定程度的提升。

5 結(jié)論

本文對(duì)國(guó)內(nèi)某電站配套SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過計(jì)算熵產(chǎn)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的能耗分布情況進(jìn)行研究，并結(jié)合傳統(tǒng)的優(yōu)化理論對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

(1)定量比較了SCR反應(yīng)器內(nèi)熵產(chǎn)的大小及其產(chǎn)生原因，認(rèn)為煙道轉(zhuǎn)彎段、煙道漸擴(kuò)段以及導(dǎo)流板附近是熵產(chǎn)主要產(chǎn)生位置，且主要原因是由于湍流耗散引起的。

(2)對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后反應(yīng)器內(nèi)的熵產(chǎn)降低，流動(dòng)損失減少，有效地改善了煙氣流動(dòng)情況，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證了技術(shù)的可靠性。