汪 超， 韋紅旗， 胡善苗， 沙遠(yuǎn)超

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

近年來，隨著工業(yè)飛速發(fā)展，氮氧化物(NOx)的污染日趨嚴(yán)重，所以國家加大了對NOx排放的控制力度。燃煤電廠作為NOx排放大戶，其排放量要滿足NOx排放質(zhì)量濃度低于50 mg/m3的超低排放要求[1]。為達(dá)到超低排放要求，許多電廠都在對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。在電廠煙氣脫硝處理中，選擇性催化還原(SCR)技術(shù)因具有脫硝效率高、技術(shù)成熟且經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點，成為燃煤電廠脫硝處理的首選技術(shù)[2]。

煙氣進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器前，需要在豎井煙道內(nèi)與氨氣充分混合。脫硝裝置內(nèi)部噴氨格柵上游煙氣速度場分布不均勻會直接影響煙氣和氨氣的混合效果，進(jìn)而影響脫硝效率。煙氣中灰濃度分布不均勻也會對煙道內(nèi)重要部件的磨損和積灰產(chǎn)生巨大影響。合理設(shè)計和布置脫硝裝置內(nèi)的導(dǎo)流板，可以明顯改善裝置內(nèi)部速度場及灰濃度場的均勻性[3]，從而提高脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。因此，對脫硝裝置內(nèi)部導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和布置，是提高電廠脫硝效率、減輕脫硝裝置內(nèi)部積灰和磨損的有效方法。

近年來，針對SCR脫硝裝置內(nèi)部速度場優(yōu)化的研究越來越完善[2-8]，但是對于灰濃度場優(yōu)化的研究卻不多。筆者以某350 MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)為研究對象，采用計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法，對SCR脫硝裝置內(nèi)部速度場和灰濃度(本文中的灰濃度均為灰質(zhì)量濃度)場進(jìn)行模擬分析，針對原結(jié)構(gòu)裝置內(nèi)2個關(guān)鍵截面的速度場及灰濃度場存在的主要問題，對2個關(guān)鍵部位導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過研究截面煙氣速度分布和灰濃度分布對優(yōu)化效果進(jìn)行評價，分析比較不同導(dǎo)流板布置方案對速度場和灰濃度場的影響，確定最終優(yōu)化方案，可為SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化改造提供參考。

1 設(shè)備概況

該機(jī)組燃用劣質(zhì)煤，煤的灰分含量較高，煙氣含塵量大，配有2套SCR脫硝反應(yīng)器(對稱布置)。脫硝技術(shù)采用SCR脫硝技術(shù)，噴氨裝置采用噴氨格柵，SCR脫硝反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間的高塵區(qū)域，反應(yīng)器催化劑為平板型，脫硝效率可達(dá)到84%。煙氣從省煤器出口經(jīng)水平擴(kuò)張段進(jìn)入豎井煙道，豎井煙道中的噴氨格柵噴出氨氣等還原劑與煙氣混合，在催化劑的作用下與煙氣中的NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮氣和水[9]，從而完成脫硝過程。脫硝后的煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器中進(jìn)行余熱利用。由于兩側(cè)的SCR脫硝反應(yīng)器對稱布置，故取其中一側(cè)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

數(shù)值模擬所用三維模型根據(jù)現(xiàn)場施工圖紙按1∶1比例建立，模型自省煤器出口至空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)入口，包括導(dǎo)流裝置、整流格柵、脫硝反應(yīng)器和煙道系統(tǒng)等，建立的原結(jié)構(gòu)脫硝裝置模型見圖1，噴氨格柵上游截面為截面1、首層催化劑入口截面為截面2，省煤器出口水平煙道擴(kuò)張側(cè)為B側(cè)。為便于建模和計算，在滿足工程要求的前提下，數(shù)值模擬時進(jìn)行如下假設(shè)：

圖1 原結(jié)構(gòu)脫硝裝置模型

(1) 將煙氣視為不可壓縮牛頓流體，定常流動。

(2) 假設(shè)省煤器出口煙氣流速分布均勻。

(3) 忽略煙道中支撐桿、噴氨格柵等內(nèi)部構(gòu)件對速度場和灰濃度場的影響。

(4) 假設(shè)所有灰顆粒都是球形，且不考慮顆粒間的碰撞。

(5) 導(dǎo)流板的厚度相對煙道尺寸很小，忽略其厚度對速度場和灰濃度場的影響。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對壁面處、導(dǎo)流板附近及速度梯度較大的部位進(jìn)行加密處理，以適應(yīng)此處速度場的劇烈變化。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，最終網(wǎng)格數(shù)量為590萬。原結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 原結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2.3 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬煙氣湍流流動，采用SIMPLE算法耦合速度和壓力；采用多孔介質(zhì)模型處理煙氣在催化劑層的流動；通過設(shè)置不同方向上的黏性阻力和慣性阻力，使模擬時的阻力與實際運(yùn)行時的阻力相近；采用DP模型將灰顆粒視為離散相，以模擬灰顆粒在煙道內(nèi)的流動[10]。

模擬工況為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況，脫硝系統(tǒng)邊界條件見表1(文中壓力均為相對壓力)。模型入口邊界條件設(shè)為均勻速度入口，模型出口為壓力出口，出口壓力設(shè)為0 Pa，催化劑層設(shè)為多孔介質(zhì)模型，按實際壓力損失(150 Pa)設(shè)置阻力系數(shù)，導(dǎo)流板、壁面、整流格柵均設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面。

表1 BMCR工況下脫硝系統(tǒng)邊界條件

2.4 速度場及灰濃度場優(yōu)化評價指標(biāo)

對于煙氣系統(tǒng)優(yōu)化效果的評價，一般采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)[11]。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)是指特征截面上某參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差占該截面參數(shù)平均值的比，其計算公式為：

(1)

在本文中，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)反映的是速度(或灰濃度)分布的均勻程度，其值越小表示截面的速度(或灰濃度)分布得越均勻。

3 原結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果及分析

通過模擬BMCR工況下原結(jié)構(gòu)脫硝裝置內(nèi)煙氣的流動，得到煙道內(nèi)部速度場和灰濃度場分布，選取2個關(guān)鍵截面分析其速度場和灰濃度場存在的主要問題。

3.1 速度場

截面1和截面2的速度分布見圖3。

圖3 原結(jié)構(gòu)截面1和截面2的速度分布

由圖3(a)可得：截面1速度分布均勻性很差，A側(cè)流速較高，B側(cè)(擴(kuò)張側(cè))流速較低，是因為省煤器出口水平煙道擴(kuò)張段導(dǎo)流板1布置數(shù)量少且傾斜角度過大。截面1的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為32.32%，遠(yuǎn)大于指標(biāo)要求(15%)[10]，最大偏差為16.5 m/s。截面1速度分布不均勻會直接影響煙氣和氨氣的混合，從而影響脫硝效率。

由圖3(b)可得：截面2速度分布均勻性也較差，前墻側(cè)流速較低，后墻側(cè)流速高(超過6 m/s)，是因為整流格柵上方煙道轉(zhuǎn)彎處沒有布置導(dǎo)流設(shè)施，不能引導(dǎo)煙氣平穩(wěn)地進(jìn)入脫硝反應(yīng)器區(qū)域，煙氣由于慣性作用沖向后墻。截面2的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為9.63%，最大偏差為1.96 m/s。截面2的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)雖然滿足了指標(biāo)要求，但后墻側(cè)仍存在明顯的高速區(qū)，該截面最大煙氣入射角高達(dá)51.0°(出現(xiàn)在前墻側(cè)區(qū)域)，容易對首層催化劑產(chǎn)生嚴(yán)重的斜向切削磨損，因此需要進(jìn)一步對截面2的灰濃度場進(jìn)行分析。

3.2 灰濃度場

截面1和截面2的灰濃度分布見圖4。

圖4 原結(jié)構(gòu)截面1和截面2的灰濃度分布

由圖4(a)可得：截面1的灰濃度分布均勻性較差，后墻側(cè)灰濃度高，前墻側(cè)灰濃度低，是因為煙氣速度分布較差且飛灰存在慣性作用，灰顆粒沖刷后墻。截面1的灰濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為69.43%，最大偏差為0.106 kg/m3。截面1的灰濃度分布不均勻容易造成噴氨格柵靠后墻部分磨損，并且灰顆粒由于重力作用會沿著后墻落到豎井煙道底部，引起積灰。

由圖4(b)可得：截面2的灰濃度分布均勻性也較差，靠近前墻1/3處存在局部高灰濃度區(qū)，并且灰質(zhì)量濃度超過0.12 kg/m3，主要是因為豎井煙道段后墻附近的高濃度灰分沿著煙道流至整流格柵上方轉(zhuǎn)彎處時，灰存在慣性作用。局部高灰濃度區(qū)極易磨損，這與廠方反映首層催化劑出現(xiàn)磨損區(qū)域一致。截面2的灰濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為48.82%，最大偏差為0.092 kg/m3。

4 優(yōu)化方案分析

針對原結(jié)構(gòu)速度和灰濃度分布不均勻的問題，對導(dǎo)流板1進(jìn)行優(yōu)化改造，并在整流格柵上方轉(zhuǎn)彎處新增一組導(dǎo)流板4，以更好地引導(dǎo)煙氣流過水平擴(kuò)張段和整流格柵上方彎道，提高速度分布的均勻性并消除高灰濃度區(qū)。提出了3種優(yōu)化導(dǎo)流板1的方案和4種新增導(dǎo)流板4的方案，通過數(shù)值模擬的方法分析比較關(guān)鍵部位導(dǎo)流板的布置情況對煙氣速度分布和灰濃度分布的影響。

創(chuàng)業(yè)集群內(nèi)部存在的創(chuàng)業(yè)精神氛圍，在一定程度上潛移默化地影響創(chuàng)業(yè)者的理念和行為，通過默示性創(chuàng)業(yè)精神的傳播，提升鄉(xiāng)村地區(qū)創(chuàng)業(yè)精神水平。同時在集群內(nèi)部創(chuàng)業(yè)文化的熏陶下，集群內(nèi)部其他主體容易增強(qiáng)冒險精神、創(chuàng)新性等個人特質(zhì)，有利于培育新企業(yè)家精神。

4.1 優(yōu)化導(dǎo)流板1的影響

主要通過調(diào)整導(dǎo)流板的數(shù)量、長度和傾斜角度對導(dǎo)流板1進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)流板1的優(yōu)化方案見圖5，沒有標(biāo)傾斜角度的導(dǎo)流板與相鄰導(dǎo)流板保持相同傾斜角度。

圖5 導(dǎo)流板1的優(yōu)化方案俯視圖

優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的速度分布見圖6。

圖6 優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的速度分布

由圖6可得：3種方案截面1的速度分布均勻性均明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。方案1僅在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加了一塊導(dǎo)流板并調(diào)整了長度，所以截面1的整體速度分布與原結(jié)構(gòu)相似，但更均勻，并且高速區(qū)和低速區(qū)面積明顯減?。环桨?和方案3均不存在明顯的高速區(qū)和低速區(qū)，速度分布均勻性顯著提升，且方案3中速度較高和較低的區(qū)域較方案2進(jìn)一步減小。

優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的灰濃度分布見圖7。

圖7 優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的灰濃度分布

由圖7可得：導(dǎo)流板的優(yōu)化對截面1灰濃度的影響比對速度的影響小。方案1和方案2的低灰濃度區(qū)有所減小，但后墻和B側(cè)的高灰濃度區(qū)仍然較明顯，并且方案2中A側(cè)附近高灰濃度區(qū)面積略有增加；方案3對消除高灰濃度區(qū)的效果較好，后墻高灰濃度區(qū)面積明顯減小。

對各方案截面1的速度和灰濃度的均勻性進(jìn)行定量分析，計算得到截面1的速度和灰濃度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)見圖8。

圖8 優(yōu)化導(dǎo)流板1后截面1的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)

由圖8可得：方案3的速度分布均勻性最佳，與速度分布得到的結(jié)論一致。導(dǎo)流板的布置對速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)的影響很大，針對大角度煙道擴(kuò)張段，通過適當(dāng)增加導(dǎo)流板的數(shù)量、增大傾斜角度(以煙道擴(kuò)張角度為限)等方式可以有效改善速度分布均勻性。由于灰顆粒有一定大小且需要考慮其重力影響，灰濃度分布變化趨勢并不與煙氣速度分布變化一致，并且其變化規(guī)律較為復(fù)雜。對比3種方案的速度與灰濃度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)后，采用方案3作為優(yōu)化導(dǎo)流板1的最終方案。

4.2 新增導(dǎo)流板4的影響

在采用方案3作為優(yōu)化導(dǎo)流板1的最終方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計新增導(dǎo)流板4的布置方案，具體見圖9。

圖9 新增導(dǎo)流板4的布置方案主視圖

圖10 新增導(dǎo)流板4后截面2的速度分布

新增導(dǎo)流板4后截面2的灰濃度分布見圖11。由圖11可得：原結(jié)構(gòu)前墻1/3處的高灰濃度區(qū)已基本消除，采用4種方案后，均不存在明顯的高灰濃度區(qū)域。

圖11 新增導(dǎo)流板4后截面2的灰濃度分布

對各方案截面2的速度和灰濃度的均勻性進(jìn)行定量分析，計算得到截面2的速度和灰濃度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)見圖12。

圖12 各方案截面2的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)

由圖12可得：4種方案的速度分布均勻性均明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，且優(yōu)化效果相差不大，方案3優(yōu)化效果最佳。因此，在整流格柵上方煙道轉(zhuǎn)彎處布置4塊導(dǎo)流板要優(yōu)于3塊，并且需要選取合適的長度和傾斜角度。4種方案的灰濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)相差不大，均優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，方案2和方案3的灰濃度分布得較均勻。對比4種方案后，采用方案3為新增導(dǎo)流板4的布置方案。

4.3 優(yōu)化前后壓力損失分析

脫硝系統(tǒng)的壓力損失對引風(fēng)機(jī)功率和機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要影響，確定了優(yōu)化導(dǎo)流板1(采用方案3)和新增導(dǎo)流板4(采用方案3)的優(yōu)化方案后，對優(yōu)化前后各段壓力損失進(jìn)行計算和匯總，結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后各段壓力損失 Pa

由表2可得：優(yōu)化后模型入口至截面1的壓力損失較原結(jié)構(gòu)顯著下降，模型總壓力損失下降129 Pa，下降了17.7%，優(yōu)化降阻效果顯著。

4.4 指導(dǎo)意義

對于省煤器出口水平煙道存在大角度擴(kuò)張段的機(jī)組，導(dǎo)流板長度不需要過長，一般將其設(shè)置為1 000～1 200 mm即可；導(dǎo)流板的數(shù)量視煙道擴(kuò)張角度和兩側(cè)寬度而定，但是要保證由非擴(kuò)張側(cè)到擴(kuò)張側(cè)的煙道壁面及導(dǎo)流板傾斜角度逐漸增大，每塊導(dǎo)流板遞增3°～12°，兩板間距控制在300～1 200 mm，非擴(kuò)張側(cè)板間距較大，至擴(kuò)張側(cè)板間距逐漸減小。

對于脫硝裝置整流格柵上方轉(zhuǎn)彎處煙道頂部為斜直面的機(jī)組，導(dǎo)流板可采用斜直板，宜取4塊，將其較為均勻地分布，導(dǎo)流板長度取800 mm左右，具體可以根據(jù)實際煙道前后墻寬度適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整；導(dǎo)流板的傾斜角度與頂部壁面傾斜角度保持一致，根據(jù)實際情況進(jìn)行1°～4°的微小調(diào)整。

5 結(jié)語

(1) 原結(jié)構(gòu)脫硝裝置水平擴(kuò)張段導(dǎo)流板布置不合理，且整流格柵上方無導(dǎo)流裝置，使得煙道內(nèi)部關(guān)鍵截面的速度分布和灰濃度分布的均勻性較差，嚴(yán)重影響脫硝效率，同時容易引起噴氨格柵、催化劑層等部件的積灰、磨損。

(2) 提出了關(guān)于水平擴(kuò)張段導(dǎo)流板和整流格柵上方導(dǎo)流板的多種優(yōu)化設(shè)計方案，通過對比分析各方案速度分布和灰濃度分布的均勻性，選取適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流板數(shù)量和傾斜角度，可有效提升速度分布和灰濃度分布的均勻性，為同類型機(jī)組煙道導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計提供思路。

(3) 確定了最佳優(yōu)化方案，并計算了優(yōu)化前后裝置的壓力損失。優(yōu)化后總壓力損失相對于原結(jié)構(gòu)減小了17.7%，對提高脫硝效率并減輕積灰磨損具有重要意義。