某300 MW燃煤鍋爐選擇性催化還原脫硝導(dǎo)流系統(tǒng)的分析

苗世昌

(大唐洛陽(yáng)熱電有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

摘要：為探究某300 MW燃煤鍋爐選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙道導(dǎo)流方案的可行性，利用FLUENT 6.3軟件，對(duì)該導(dǎo)流方案下SCR系統(tǒng)的流場(chǎng)和氨濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究.結(jié)果表明：煙道截面變化以及彎頭偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致系統(tǒng)流場(chǎng)嚴(yán)重不均，且現(xiàn)有導(dǎo)流系統(tǒng)導(dǎo)流效果較差，AIG下游截面最大速度偏差達(dá)31.25 m/s，反應(yīng)器入口速度也存在偏差，且尾部煙道內(nèi)流場(chǎng)不均，會(huì)對(duì)下游設(shè)備產(chǎn)生影響；系統(tǒng)流場(chǎng)不均導(dǎo)致氨濃度不均，AIG下游截面氨的濃度偏差達(dá)60.0%，反應(yīng)器入口截面氨的濃度偏差達(dá)38.4%，大的濃度偏差嚴(yán)重影響系統(tǒng)的脫硝效率，且反應(yīng)器出口氨逃逸量達(dá)5.266 ppm，這會(huì)對(duì)大氣造成二次污染.這些研究結(jié)果可為燃煤鍋爐選擇性催化還原脫硝導(dǎo)流系統(tǒng)的改進(jìn)提供參考.

關(guān)鍵詞：選擇性催化還原；導(dǎo)流系統(tǒng)；速度場(chǎng)；氨濃度；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TK11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-5634(2015)03-0089-04

在火電廠排放的煙氣中，氮氧化物NOx是主要的污染物之一，根據(jù)最新燃煤電站超凈排放標(biāo)準(zhǔn)，NOx的含量必須低于50 mg/Nm3.控制NOx排放已成為當(dāng)前電力行業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)[1].為適應(yīng)日益嚴(yán)格的氮排放標(biāo)準(zhǔn)，選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)煙氣脫硝技術(shù)作為目前國(guó)際上應(yīng)用最廣、技術(shù)較為成熟的煙氣后處理脫硝技術(shù)，已成為我國(guó)大型燃煤機(jī)組煙氣脫硝的主要選擇[2].

對(duì)SCR系統(tǒng)的脫硝效率和氨逃逸率進(jìn)行模擬研究，以便衡量SCR脫硝系統(tǒng)性能.SCR系統(tǒng)煙道內(nèi)的均流特性將直接影響脫硝效率和氨逃逸率，而煙道導(dǎo)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性是保證煙氣均勻的重要因素.Waltcr Nischt等[3]使用數(shù)值模擬的方法分別模擬了SCR系統(tǒng)的溫度、壓力、速度分布.雷達(dá)等[4]對(duì)布置有導(dǎo)流板的SCR煙道流場(chǎng)進(jìn)行了研究，分析了不同導(dǎo)流方案對(duì)SCR系統(tǒng)運(yùn)行的影響，得到出口處的NOx濃度分布，催化劑層中氨氮比分布等.沈丹等[5]以某600 MW電廠SCR煙道系統(tǒng)中的導(dǎo)流板為研究對(duì)象，對(duì)設(shè)計(jì)出3種不同形態(tài)的導(dǎo)流板分別進(jìn)行數(shù)值模擬.董建勛等[6]在假設(shè)到達(dá)反應(yīng)器入口處的流體溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)等均勻的前提下，結(jié)合孔道自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)蜂窩狀催化劑中單個(gè)孔道建立其數(shù)學(xué)模型，催化劑表面反應(yīng)過(guò)程采用E-R機(jī)理模型處理，考慮外部傳質(zhì)和內(nèi)部傳質(zhì)過(guò)程，與前期脫硝裝置試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比有較好的符合度.周響球等[7]進(jìn)一步深入研究了反應(yīng)器內(nèi)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，如用Langmuir方程來(lái)求解催化劑層表面的NH3吸附、解吸附速率，用E-R機(jī)理處理NO與NH3發(fā)生的主化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)探討了NH3的氧化反應(yīng)率等副反應(yīng)過(guò)程.該模型仿真試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上能夠體現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程，接近實(shí)際運(yùn)行情況.筆者基于FLUENT 6.3軟件，針對(duì)某電廠300 MW燃煤鍋爐選擇性催化還原脫硝導(dǎo)流系統(tǒng)的合理性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以期為導(dǎo)流系統(tǒng)的工程技術(shù)改進(jìn)提供參考.

1數(shù)值模型

1.1　研究對(duì)象

研究對(duì)象為某電廠300 MW亞臨界燃煤鍋爐的選擇性催化還原脫硝導(dǎo)流系統(tǒng).SCR脫硝系統(tǒng)布置在鍋爐省煤器下游和空氣預(yù)熱器上游之間.每臺(tái)機(jī)組均設(shè)置2個(gè)SCR反應(yīng)器分別處理50%的煙氣量，反應(yīng)器相對(duì)于鍋爐呈對(duì)稱分布且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)相同，可認(rèn)為其內(nèi)部煙氣流動(dòng)及氨在煙氣中的擴(kuò)散過(guò)程相似.故利用FLUENT 6.3軟件僅對(duì)其中一個(gè)單元進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分析其煙道系統(tǒng)的速度場(chǎng)與脫硝性能.

以100%工況為模擬工況，反應(yīng)器煙道入口煙氣量為980 000 m3/h，噴氨入口處溫度為300 K，氨氣體積分?jǐn)?shù)為5%，氨氣流量為146.5 kg/(h·爐).煙氣主要組分見表1.

表1　入口煙氣組分

1.2　三維幾何模型

三維幾何模型和實(shí)際SCR導(dǎo)流系統(tǒng)按1∶1尺寸構(gòu)建.系統(tǒng)主要由前部煙道系統(tǒng)、噴氨格柵、反應(yīng)器系統(tǒng)和導(dǎo)流板等組成.根據(jù)實(shí)際情況，利用GAMBIT軟件對(duì)SCR導(dǎo)流系統(tǒng)進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，三維模型如圖1所示.

圖1　SCR導(dǎo)流系統(tǒng)的三維模型

應(yīng)用結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)管屏與導(dǎo)流板處進(jìn)行局部加密，在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)逐步細(xì)化網(wǎng)格得到近似網(wǎng)格無(wú)關(guān)解.網(wǎng)格總數(shù)為400萬(wàn)，網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2　SCR導(dǎo)流系統(tǒng)的網(wǎng)格模型

1.3　數(shù)學(xué)模型

模擬中的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及組分守恒方程可用一個(gè)通用微分方程表示如下：

(1)

式中：φ為通用的因變量；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；S為源項(xiàng).方程中的四項(xiàng)依次是非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng).

多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程具有附加的動(dòng)量源項(xiàng).源項(xiàng)由兩部分組成；一部分是黏性損失項(xiàng)(Darcy)；另一部分是內(nèi)部損失項(xiàng).即

(2)

式中：Si為i向(x,y或者z向)動(dòng)量源項(xiàng)；Dij和Cij為規(guī)定的矩陣系數(shù).在多孔介質(zhì)單元中，動(dòng)量損失對(duì)于壓力梯度有貢獻(xiàn)，壓降和流體速度或速度方陣成比例.

1.4　求解條件

采用RNGκ-ε雙方程模型來(lái)模擬煙氣的流動(dòng)，用標(biāo)準(zhǔn)近壁面函數(shù)進(jìn)行計(jì)算；組分模型為物質(zhì)輸運(yùn)模型，對(duì)前部煙道混合狀況模擬時(shí)，不考慮各物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；均流格柵和反應(yīng)器采用多孔介質(zhì)模型處理；選用SIMPLE算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合.模型進(jìn)口采用速度入口條件，出口為自由出流.

2計(jì)算結(jié)果與分析

選擇性催化還原脫硝導(dǎo)流系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)流裝置需達(dá)到系統(tǒng)速度場(chǎng)均勻和氨氮混合均勻的效果.其中，AIG下游速度場(chǎng)將影響氨與煙氣的混合，而反應(yīng)器入口的流速和氨分布直接影響反應(yīng)器內(nèi)的脫硝效率.

2.1　SCR系統(tǒng)內(nèi)的速度場(chǎng)分布

SCR系統(tǒng)內(nèi)的速度場(chǎng)分布如圖3所示.由圖3(a)可知，由于SCR系統(tǒng)煙道截面的變化，煙氣在SCR系統(tǒng)內(nèi)速度分布不均：在系統(tǒng)入口處，由于大小頭在寬度方向的漸擴(kuò)、高度方向的減縮，致使煙道寬度擴(kuò)展處出現(xiàn)低速區(qū).導(dǎo)流板雖在高度方向上將煙氣均流，但是在寬度方向起不到導(dǎo)流作用，導(dǎo)致在煙道擴(kuò)展處流體慣性沖刷而無(wú)法偏轉(zhuǎn)，最終出現(xiàn)低速漩渦區(qū)域.在急轉(zhuǎn)彎頭處因離心作用出現(xiàn)速度不均，煙氣無(wú)法充滿彎頭整個(gè)區(qū)域，彎頭處的導(dǎo)流葉片因間距不合理且太貼近于彎頭內(nèi)徑而在外徑處導(dǎo)流不充分，進(jìn)而影響豎直煙道內(nèi)速度均勻性和氨與煙氣的充分混合.煙氣進(jìn)入噴氨區(qū)域和反應(yīng)器區(qū)域后，流體充滿度很差，嚴(yán)重影響SCR系統(tǒng)的脫硝效率.此外，在系統(tǒng)尾部煙道處，煙氣流態(tài)依然紊亂，會(huì)對(duì)下游空氣預(yù)熱器的工作效率產(chǎn)生影響.

圖3　SCR系統(tǒng)內(nèi)速度分布

由圖3(b)可知：在入口的大小頭處因橫向?qū)Я鞑怀浞侄霈F(xiàn)速度不均，最高速度達(dá)20 m/s左右；在彎頭處由于離心作用且導(dǎo)流葉片布置不合理，導(dǎo)致彎頭內(nèi)側(cè)速度高達(dá)20 m/s以上，而外側(cè)低速區(qū)內(nèi)煙氣速度只有5 m/s左右.

進(jìn)入豎直煙道后速度分布仍然不均,如圖3(c)所示.近鍋爐側(cè)速度較低，為11 m/s，而近反應(yīng)器側(cè)速度則高達(dá)16 m/s，速度偏差高達(dá)31.25%，這對(duì)氨氮混合十分不利.

當(dāng)煙氣到達(dá)反應(yīng)器入口處時(shí)，速度分布如圖3(d)所示.反應(yīng)器入口處最大速度為15 m/s，近鍋爐側(cè)速度稍低，為13 m/s，兩側(cè)速度差會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入反應(yīng)器區(qū)域的煙氣分布不均，降低催化劑的利用率，且進(jìn)入反應(yīng)器區(qū)域后，流場(chǎng)的不均會(huì)影響煙氣與催化劑的接觸效果，進(jìn)而造成脫硝效率較低和氨逃逸量較大.

2.2　SCR系統(tǒng)內(nèi)氨分布

圖4為SCR系統(tǒng)內(nèi)的氨濃度分布圖.

圖4　SCR系統(tǒng)內(nèi)氨濃度分布

SCR系統(tǒng)內(nèi)氨濃度分布如圖4(a)所示，在SCR系統(tǒng)內(nèi)，由于煙氣速度場(chǎng)的不均勻，從而導(dǎo)致了還原劑氨在整個(gè)煙道系統(tǒng)內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)分布不均勻.

在AIG下游處，因截面流速一側(cè)高、一側(cè)低，導(dǎo)致噴入氨的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)，如圖4(b)所示.由于近脫硝側(cè)煙氣速度較大，該處氨的體積分?jǐn)?shù)只有0.000 2，而近鍋爐側(cè)煙氣速度較小，噴入的氨有充分的停留混合時(shí)間，體積分?jǐn)?shù)達(dá)0.000 5；到達(dá)反應(yīng)器入口后，因反應(yīng)器前彎頭處的流速不均加劇了氨分布的不均勻性.

由圖4(c)可知，在反應(yīng)器入口截面處，氨的體積分?jǐn)?shù)最大為0.000 52，最小為0.000 32，氨的濃度偏差達(dá)38.4%.由于在反應(yīng)器區(qū)域速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不充分，而速度過(guò)低將會(huì)堵塞催化劑層.所以氨在SCR系統(tǒng)內(nèi)的分布不均將嚴(yán)重影響SCR系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)的脫硝反應(yīng)，進(jìn)而造成系統(tǒng)脫硝效率較低和氨逃逸量較大.該系統(tǒng)反應(yīng)器出口氨逃逸濃度為5.266 ppm，超過(guò)規(guī)定的2~5 ppm控制范圍，將對(duì)大氣造成二次污染.

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)某電廠300 MW燃煤鍋爐選擇性催化還原脫硝導(dǎo)流系統(tǒng)進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1)在該導(dǎo)流系統(tǒng)下，SCR系統(tǒng)內(nèi)煙氣充滿度很差，煙道內(nèi)速度場(chǎng)分布嚴(yán)重不均，嚴(yán)重影響SCR系統(tǒng)的運(yùn)行效率，所以應(yīng)對(duì)導(dǎo)流系統(tǒng)的布置進(jìn)行優(yōu)化.

2)由于系統(tǒng)內(nèi)煙氣速度場(chǎng)的不均勻性，導(dǎo)致氨的分布不均，AIG下游和反應(yīng)器入口處氨的體積分?jǐn)?shù)均存在一定的偏差，這將會(huì)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的氨氮混合和反應(yīng)器的穩(wěn)定高效運(yùn)行產(chǎn)生影響.反應(yīng)器出口處的氨逃逸濃度為5.266 ppm，會(huì)污染大氣.

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Analysis of the Selective Catalytic Reduction Denitrification and

Diversion System for a 300 MW Coal-fired Boiler

MIAO Shichang

(Datang Luoyang Thermoelectric Generation Co., Ltd., Luoyang 471000, China)

Abstract:In order to explore the feasibility of the fluid diversion in the flue of the Selective Catalytic Reduction denitrification system for a 300 MW coal-fired boiler, utilizing the software FLUENT 6.3, the flow field and the distribution of ammonia concentration of the Selective Catalytic Reduction system under the diversion schemes were analyzed by numerical simulation. The results show that the flow field of the system is severely nonuniform because of the variation of the flue′s sections and the deflection of the elbow, and the efficiency of the present diversion system is poor, the maximum velocity deviation is up to 31.25 m/s in the downstream sections of AIG. The deviations exist among the inlet velocities of reactors, the flow field in the tail flue is nonuniform, which will affect the operation of the devices in the downstream. The nonuniform flow field of the system results in the nonuniform distribution of ammonia concentration. The deviation of ammonia concentration is up to 60.0% in the downstream sections of AIG, and the deviation of ammonia concentration is up to 38.4% in the inlet sections of reactors, which severely affects the denitrification efficiency. The quantity of ammonia escape is up to 5.266 ppm in the outlet of reactors, which will cause secondary pollution to atmosphere. The investigation results have important reference for the improvement of the Selective Catalytic Reduction denitrification and diversion system for coal-fired boilers.

Keywords:Selective Catalytic Reduction; diversion system; velocity field; ammonia concentration; numerical simulation

(責(zé)任編輯: 杜明俠)