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        SCR脫硝裝置大顆?;覕r截網(wǎng)壓降特性

        2022-06-28 07:15:14劉小偉岳樸杰谷小兵
        潔凈煤技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:長條形網(wǎng)壓孔率

        孟 磊,雷 彧,陳 晟,劉小偉,岳樸杰,谷小兵

        (1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司,北京 100097;2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

        0 引 言

        選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)技術(shù)是我國當(dāng)前燃煤鍋爐最主要脫硝手段[1-3]。我國燃煤鍋爐的SCR脫硝裝置幾乎全為無煙氣旁路的高塵布置[4],煙氣中顆粒會導(dǎo)致催化劑磨損和堵塞。堵塞嚴(yán)重不僅會大幅降低裝置脫硝性能,甚至?xí)?dǎo)致主機(jī)非計劃停機(jī)[5]。其中,煙氣中尺寸大于催化劑通道的大顆?;沂且鸲氯闹匾騕6-9]。目前國內(nèi)外針對SCR裝置前的大顆粒灰防治技術(shù)可大致分為2類:① 對省煤器灰斗進(jìn)行改造,通過增設(shè)擋板、導(dǎo)流板、擴(kuò)容等方式調(diào)整流場結(jié)構(gòu)[10-12],利用慣性將大顆?;覐臒煔庵蟹蛛x出來[13];② 加裝大顆?;覕r截網(wǎng),在合適位置安裝帶孔攔截網(wǎng),保證煙氣通過的情況下分離出大顆?;襕14-16]。相比于前者,加裝攔截網(wǎng)技術(shù)具有對流場設(shè)計要求低、捕集效率高、改造與安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。目前,大顆?;覕r截裝置已在國內(nèi)百萬機(jī)組選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)上成功應(yīng)用[17]。然而,目前攔截網(wǎng)的設(shè)計依賴于試驗(yàn)測量與工程經(jīng)驗(yàn),缺少通用設(shè)計準(zhǔn)則與理論依據(jù),對于攔截網(wǎng)開孔形狀、煙氣流速、開孔率以及攔截網(wǎng)厚度等參數(shù)對攔截效率以及壓降的影響認(rèn)識尚不深入。

        針對上述問題,金理鵬等[18]研究了攔截網(wǎng)開孔形狀、外形結(jié)構(gòu)與安裝位置對攔灰效率和系統(tǒng)阻力的影響,發(fā)現(xiàn)攔截網(wǎng)壓降與開孔率的3次方成反比,同時對比了屋脊式和平板式攔截網(wǎng),發(fā)現(xiàn)二者阻力、攔灰效果基本相同。陳鴻偉等[19]通過冷態(tài)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長條形孔型的攔截網(wǎng)性能優(yōu)于正方形開孔的攔截網(wǎng),攔截網(wǎng)引起的壓降為140~160 Pa,大顆?;覕r截效率可達(dá)92.2%,發(fā)現(xiàn)攔截網(wǎng)安裝角度與長度均會影響壓降。上述試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了大顆?;覕r截技術(shù)的可行性,但實(shí)際工程中對于攔截網(wǎng)壓降的要求較高,可接受的壓降范圍通常在150 Pa以內(nèi),在保證攔截效果的前提下應(yīng)使壓降盡可能小。目前,試驗(yàn)中攔截網(wǎng)引起的壓降仍較大,存在優(yōu)化空間。此外,試驗(yàn)手段難以對攔截網(wǎng)孔型、安裝位置、角度以及長度等參數(shù)同時全面測量從而找到最優(yōu)參數(shù)。相比之下,計算流體力學(xué)方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)能夠便捷地改變設(shè)計參數(shù)進(jìn)行掃描計算,從而獲得攔截網(wǎng)最優(yōu)設(shè)計方案。

        由于攔截網(wǎng)網(wǎng)孔尺遠(yuǎn)小于煙道尺寸,CFD計算建模長度尺度跨度大,因此常采用多孔介質(zhì)對攔截網(wǎng)進(jìn)行等效模擬,基于攔截網(wǎng)孔隙率和滲透率等宏觀參數(shù)即可等效求解出流場經(jīng)過攔截網(wǎng)的壓力損失。已有研究采用CFD方法模擬了攔截網(wǎng)安裝在省煤器灰斗上方時的流場分布[16],對攔截網(wǎng)單元和SCR系統(tǒng)整體流場分別進(jìn)行了模擬,獲得流場分布、壓降信息[17]以及大顆粒灰運(yùn)動軌跡[20]。其中滲透率表示多孔介質(zhì)允許流體通過空隙流動能力的強(qiáng)弱,其大小與孔隙率、流體滲透方向上空隙的幾何形狀、顆粒大小以及排列方向等因素有關(guān)。等效多孔介質(zhì)滲透率的準(zhǔn)確估計對提升整體設(shè)備流場解的精確度具有重要意義,但并未對滲透率設(shè)置依據(jù)進(jìn)行詳細(xì)探討。筆者通過CFD方法,利用Ansys Fluent仿真軟件對網(wǎng)孔尺度流場進(jìn)行求解,探究攔截網(wǎng)開孔形狀、煙氣流速、開孔率以及攔截網(wǎng)厚度等參數(shù)對攔截網(wǎng)壓降的影響,進(jìn)一步推導(dǎo)了達(dá)西定律下等效多孔介質(zhì)滲透率的關(guān)聯(lián)公式,對于SCR系統(tǒng)整體CFD模擬以及攔截網(wǎng)選型設(shè)計具有重要意義。

        1 研究方法

        1.1 CFD計算模型

        研究選取了3種最常見開孔形狀的攔截網(wǎng)作為研究對象:長條形、正六邊形和正方形攔截網(wǎng)。由于SCR催化劑通道的孔徑尺寸限制,粒徑大于4 mm的大顆?;壹纯稍斐纱呋瘎┐矊佣氯鸞14]。為衡量攔截網(wǎng)對不同粒徑大顆?;业臄r截效果,將攔截網(wǎng)可攔截的最小顆粒尺寸定義為“臨界尺寸”。不同開孔形狀攔截網(wǎng)的臨界尺寸如圖1(a)所示,其中a為臨界尺寸,x為相鄰網(wǎng)孔間的距離,λ為長條形網(wǎng)孔的長寬比,六邊形、正方形的臨界尺寸為其開孔的內(nèi)接圓直徑,長條形的臨界尺寸為其開孔寬度,當(dāng)3者的臨界尺寸一致,即可認(rèn)為3者攔截效果一致。利用Ansys Fluent仿真軟件按照1∶1比例建立了攔截網(wǎng)局部網(wǎng)孔的三維模型,以長條形攔截網(wǎng)為例(圖1(b)),計算區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)孔單位附近一個長方體區(qū)域,左側(cè)為煙氣入口,右側(cè)為壓力出口,具體參數(shù)見表1,其余邊界均設(shè)置為周期性邊界條件。模擬采用有限元分析法進(jìn)行計算,在網(wǎng)格劃分時對攔截網(wǎng)單元附近等小尺度空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理,網(wǎng)格總數(shù)約200萬個。

        圖1 攔截網(wǎng)局部CFD計算模型Fig.1 Pore-scale CFD model of interceptor

        表1 模擬工況參數(shù)條件Table 1 Physical parameters for the simulations

        1.2 控制方程

        根據(jù)實(shí)際情況對模型做出如下簡化:來流煙氣為不可壓縮牛頓流體;煙氣在入口邊界處均勻分布且完全垂直于入口截面;煙氣之間的不同組分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),物性參數(shù)為常數(shù)。流體的控制方程包括連續(xù)性方程與動量方程,表達(dá)式為

        ρ▽u=0,

        (1)

        ρ(u▽)u=▽(-pI+K)+F。

        (2)

        其中,ρ為流體密度,kg/m3;u為流體的速度矢量,m/s;p為微元流體上的壓強(qiáng),Pa;I為單位矩陣;F為單位體積流體所受外力,N,本文只考慮流體所受重力,故F=ρg,g為重力加速度,m/s2;K為黏性應(yīng)力,Pa,其表達(dá)式為

        K=(μ+μT)(▽u+(▽u)T)。

        (3)

        其中,μ為流體動力學(xué)黏度,Pa·s;μT為湍流黏度,Pa·s,其表達(dá)式為

        (4)

        其中,Cμ為模型常數(shù);k為湍動能,J;ε為湍動能耗散率。煙氣的流動狀態(tài)為湍流,研究選取典型的k-ε模型對其進(jìn)行模擬。

        2 結(jié)果與討論

        入口氣流速度為15.5 m/s時,3種不同開孔形狀攔截網(wǎng)的速度分布與表觀壓力分布的截面圖如圖2所示,可知網(wǎng)孔后側(cè)存在高速區(qū)域,實(shí)體結(jié)構(gòu)后側(cè)則存在一個低速區(qū)域。流場不均勻性在攔截網(wǎng)后側(cè)較短區(qū)域內(nèi)逐漸衰減,最終流場變得均勻。不同開孔形狀的攔截網(wǎng)后側(cè)流場結(jié)構(gòu)相似,可以推斷不同孔型攔截網(wǎng)對于煙氣整體流場影響規(guī)律接近。氣流表壓在攔截網(wǎng)前后產(chǎn)生明顯變化,在其他區(qū)域幾乎沒有變化。因此,計算域入口和出口的壓力差可以定義為攔截網(wǎng)壓降,后續(xù)對不同條件下的壓降規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析。

        圖2 不同形狀攔截網(wǎng)速度與壓力分布云圖Fig.2 Velocity and pressure distribution of interceptor with different pore structures

        2.1 開孔形狀對壓降的影響

        3種攔截網(wǎng)在典型煙氣流速下的壓降情況見表2,其中流速大小5.1、15.5、19.6 m/s分別對應(yīng)國內(nèi)某600 MW燃煤鍋爐滿負(fù)荷工況下省煤器灰斗上方、水平緩流煙道、豎直煙道截面的平均流速。可知在最小攔截粒徑(即臨界尺寸)均為5 mm的條件下,壓降最大的是正方形攔截網(wǎng),其次為正六邊形攔截網(wǎng),壓降最小的是長條形攔截網(wǎng)。對比文獻(xiàn)[13]試驗(yàn)結(jié)果,開孔率為48.5%~61.0%的平板式攔截網(wǎng)安裝在豎直煙道時(對應(yīng)本文流速19.6 m/s的工況),試驗(yàn)壓降在169~414 Pa,二者在開孔率接近的工況點(diǎn)數(shù)據(jù)較為吻合,驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。不同開孔形狀攔截網(wǎng)在不同入口流速時的壓降變化如圖3所示,可知3種攔截網(wǎng)壓降均隨入口流速增大而增大,且在本文研究流速范圍內(nèi),仍符合長條形攔截網(wǎng)的壓降最小、正六邊形其次、正方形壓降最大這一規(guī)律,且隨著流速增大3者差別越明顯。

        表2 典型流速下3種攔截網(wǎng)的壓降Table 2 Pressure drops of interceptors at typical flow velocities

        圖3 不同開孔形狀攔截網(wǎng)壓降與流速的關(guān)系Fig.3 Relationship between pressure drop and flow velocity of interceptor with different pore structures

        分析認(rèn)為造成長條形攔截網(wǎng)壓降小的原因是其開孔率較高。開孔率χ定義為網(wǎng)孔面積S0與攔截網(wǎng)總面積S的比值,是攔截網(wǎng)的重要設(shè)計參數(shù),其表達(dá)式為

        (5)

        比較3種攔截網(wǎng)的開孔率(表1)可知,在相同攔截效果(即臨界顆粒尺寸相同)前提下,長條形攔截網(wǎng)開孔率最高,其次是正六邊形,正方形最小,這與攔截網(wǎng)壓降規(guī)律一致。又由于長條形攔截網(wǎng)的開孔率與其長寬比相關(guān),保持流速不變進(jìn)一步模擬了不同長寬比(開孔率)下的長條形攔截網(wǎng)的壓降情況見表3,證明長條形攔截網(wǎng)的壓降隨著長寬比(開孔率)增大而減小。

        表3 長條形長寬比對開孔率及壓降的影響Table 3 Influence of length-to-width ratio on porosity and pressure drop

        結(jié)果表明,開孔率與煙氣流速是影響壓降的重要因素,開孔形狀對壓降的影響可能源自開孔率的變化,下文將對開孔率及煙氣流速的影響進(jìn)行定量描述。

        2.2 開孔率和煙氣流速對壓降的影響

        基于第2.1節(jié)結(jié)論,進(jìn)一步探究開孔率對壓降的影響。通過改變開孔孔徑、相鄰網(wǎng)孔的距離等方式改變攔截網(wǎng)的開孔率χ,模擬計算3種孔型攔截網(wǎng)在不同開孔率(通過改變臨界尺寸實(shí)現(xiàn))、不同流速下的壓降情況,如圖4所示。

        圖4 攔截網(wǎng)壓降與開孔率的關(guān)系Fig.4 Relationship between interceptor pressure drop and porosity

        使用冪函數(shù)對相同流速下的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合,具體為

        ΔP=Cχβ,

        (6)

        式中,ΔP為壓降,Pa;C為擬合系數(shù),Pa;β為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

        可知3個流速下的擬合曲線決定系數(shù)分別為0.994、0.998、0.992。同一流速下不同開孔形狀的數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布在同一條曲線附近,證明攔截網(wǎng)壓降主要與開孔率相關(guān),開孔率越高壓降越小。在相同開孔率下,開孔形狀對攔截網(wǎng)壓降的影響幾乎可以忽略。不同流速下的壓降隨開孔率變化規(guī)律類似,流速增加會使壓降曲線上移。

        根據(jù)以上結(jié)果,可以推斷出實(shí)際攔截網(wǎng)設(shè)計時,在確保攔截效果前提下,盡量選取開孔率較高的孔型(即長條形),同時應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加工成本等因素后進(jìn)行選型設(shè)計。

        2.3 攔截網(wǎng)厚度對壓降的影響

        為探究攔截網(wǎng)厚度對其壓降的影響,改變攔截網(wǎng)厚度n,計算入口流速5.1 m/s時3種孔型攔截網(wǎng)在不同開孔率下的壓降情況,如圖5所示(藍(lán)色、橙色和紅色代表厚度分別為6、12、18 mm),曲線為n=6 mm的壓降擬合曲線。由圖5可知,隨厚度增加,相同開孔率攔截網(wǎng)的壓降均小幅增加。為了更清晰展示攔截網(wǎng)厚度的影響,選取開孔率為0.51的攔截網(wǎng),繪制壓降隨厚度變化關(guān)系(圖6)。可知隨厚度增加,壓降呈準(zhǔn)線性增加。在實(shí)際工程應(yīng)用中,受限于加工難度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等,攔截網(wǎng)厚度變化范圍有限,與煙氣流速和開孔率相比,攔截網(wǎng)厚度對壓降影響較小。

        圖5 攔截網(wǎng)壓降與厚度的關(guān)系Fig.5 Relationship between pressure drop and thickness of interceptor

        圖6 開孔率為0.51時,壓降隨厚度變化Fig.6 Change of pressure drop with thickness at the porosity of 0.51

        2.4 壓降及滲透率關(guān)聯(lián)式

        攔截網(wǎng)開孔率、厚度以及流速對攔截網(wǎng)壓降的影響可用冪函數(shù)的形式來量化,因此將攔截網(wǎng)壓降進(jìn)行擬合:

        ΔP=(An+B)uαχβ。

        (7)

        其中,u為攔截網(wǎng)區(qū)域煙氣流速,m/s;A、B、α均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),A單位為Pa·sα·m-α-1,B單位為Pa·sα·m-α。對大量不同模擬工況下的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合,得到:

        ΔP=(2.12n+0.24)u1.82χ-2.87。

        (8)

        可知式(8)的擬合決定系數(shù)為0.996,平均絕對百分比誤差為3.4%,擬合效果良好。已有研究報道攔截網(wǎng)阻力與其開孔率的3次方成反比[13],即ΔP∝χ-3,這與式(8)規(guī)律接近,驗(yàn)證了該擬合公式的可靠性。選取110個不同開孔形狀、煙氣流速、開孔率以及攔截網(wǎng)厚度組合工況,以模擬計算得到的壓降為橫坐標(biāo),以關(guān)聯(lián)式(8)預(yù)測壓降為縱坐標(biāo),將數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制于圖7,當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于y=x實(shí)線上時,表明公式預(yù)測與模擬結(jié)果吻合。可知所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于±10%誤差范圍內(nèi)(圖7虛線),證明上述關(guān)聯(lián)公式在流速5~20 m/s、攔截網(wǎng)開孔率40%~65%、厚度6~18 mm的工況下可以綜合反映三者對壓降的影響。

        圖7 壓降公式預(yù)測值(式(8))與模擬結(jié)果值對比Fig.7 Prediction of pressure drop (Eq.(8))versus simulation results

        對實(shí)際SCR系統(tǒng)進(jìn)行CFD設(shè)計計算,通常采用多孔介質(zhì)對攔截網(wǎng)進(jìn)行等效模擬,即采用多孔介質(zhì)代替具體的攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)型式,基于攔截網(wǎng)開孔率和滲透率等宏觀參數(shù)可以求解出流場經(jīng)過攔截網(wǎng)的壓力損失。滲透率kl的計算通?;谶_(dá)西定律,具體為

        (9)

        其中,Q為單位時間滲流量,m3/s;L為滲流長度,m;A0為流體通過多孔介質(zhì)的截面積,m2。該定律將流量、流體的物理性質(zhì)及多孔介質(zhì)的壓力梯度相聯(lián)系。將壓降公式代入基于達(dá)西定律的滲透率定義式,得到等效多孔介質(zhì)滲透率kl為

        (10)

        以上擬合公式為預(yù)測攔截網(wǎng)壓降以及設(shè)備尺度CFD等效模擬提供基礎(chǔ),具有一定參考指導(dǎo)意義。

        3 結(jié) 論

        1)影響攔截網(wǎng)壓降的主要因素為氣流速度和攔截網(wǎng)開孔率。流速5~20 m/s、開孔率40%~65%時,攔截網(wǎng)壓降約與煙氣流速的2次方成正比,與開孔率的3次方成反比。

        2)攔截網(wǎng)壓降與開孔形狀無明顯關(guān)聯(lián),不同攔截網(wǎng)開孔形狀對攔截網(wǎng)壓降的影響主要通過開孔率變化實(shí)現(xiàn)。在確保攔截效果前提下,應(yīng)盡量選取開孔率較高的孔型(如大長寬比的長條形)。

        3)攔截網(wǎng)厚度為6~18 mm時,壓降隨厚度增加呈準(zhǔn)線性增加,但受限于工程實(shí)際應(yīng)用,攔截網(wǎng)厚度可變范圍小,故其對壓降的影響也較小。

        4)基于模擬數(shù)據(jù),給出了冪函數(shù)形式的壓降預(yù)測公式,描述壓降與開孔率、流速、厚度之間的關(guān)聯(lián),并進(jìn)一步推導(dǎo)了攔截網(wǎng)等效多孔介質(zhì)滲透率的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式,為攔截網(wǎng)的選型設(shè)計及全尺度模擬計算提供理論依據(jù)。

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