吳宇星，張晉滔，朱曙光，方俊

(1.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，南京 210094；2.蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009)

氮氧化物是主要的大氣污染物之一，它會對環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。根據(jù)最新的排放標(biāo)準(zhǔn)，燃煤電廠進(jìn)行超低排放后NO的排放質(zhì)量濃度限值應(yīng)低于50 mg/m3[1]，這就要求在煙氣排放前對煙氣進(jìn)行脫硝處理。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)成熟，脫硝效率能達(dá)到80%～90%，遠(yuǎn)高于其它方式，在火電廠煙氣脫硝中應(yīng)用廣泛[2]。當(dāng)前SCR脫硝技術(shù)在應(yīng)用過程中面臨脫硝設(shè)備在運行一段時間后出現(xiàn)脫硝效率降低和氨逃逸率升高等問題。原因是反應(yīng)器煙道內(nèi)部煙氣流速不均勻，導(dǎo)致煙氣與還原劑在進(jìn)入催化劑層前未能充分混合。通過對脫硝反應(yīng)器進(jìn)行流場優(yōu)化能有效減少上述問題的發(fā)生[3]。本文針對某電廠脫硝煙道噴氨格柵前及首層催化劑層前煙氣速度分布不均的問題，用數(shù)值模擬的方法，在原有流場方案的基礎(chǔ)上通過添加部分導(dǎo)流板，以及更換導(dǎo)流板樣式，使得經(jīng)過流場優(yōu)化后的反應(yīng)器在不同工況下均能滿足噴氨格柵前及首層催化劑層前煙氣速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15%的工程要求。

1 數(shù)值模型

1.1 研究對象及幾何模型

某電廠600 MW機組每臺鍋爐配置兩臺SCR脫硝反應(yīng)器，反應(yīng)器以鍋爐中心線鏡像布置，故僅以單側(cè)反應(yīng)器作為研究對象。取省煤器出口至空氣預(yù)熱器入口處作為計算區(qū)域，以1∶1的比例在SOLIDWORKS軟件中建立SCR脫硝反應(yīng)器的三維幾何模型，考慮到導(dǎo)流板和整流格柵等裝置的壁面厚度遠(yuǎn)小于流場尺寸，建模時將其作為無厚度壁面處理SOLIDWORKS中完成建模后將其導(dǎo)入ICEM軟件，SCR系統(tǒng)現(xiàn)有導(dǎo)流板設(shè)計安裝圖如圖1所示。

圖1 SCR系統(tǒng)現(xiàn)有導(dǎo)流板設(shè)計安裝圖

1.2 網(wǎng)格劃分

在ICEM中對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作，由于反應(yīng)器整體幾何模型較為復(fù)雜，將其拆分為多段幾何模型簡單的小段進(jìn)行網(wǎng)格繪制，對于較為規(guī)則的反應(yīng)器煙道區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格繪制，能夠提高計算精度，減少計算工作量。第三組擋板區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格繪制，用Interface面將各段網(wǎng)格相連接。針對噴氨格柵、導(dǎo)流板等流場變化較大的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密。在計算過程中逐步加密網(wǎng)格得到近似網(wǎng)格無關(guān)解。最終網(wǎng)格數(shù)量585萬個。

1.3 邊界條件及控制方程

采用速度入口邊界條件，將入口劃分為4×11個均勻區(qū)域，反應(yīng)器速度入口劃分如圖2所示。對各入口分別賦以實測速度值，煙道壁面和內(nèi)部導(dǎo)流板等采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，催化劑層設(shè)置為多孔介質(zhì)模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，煙氣在反應(yīng)器內(nèi)的湍流流動模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程[4]。其k方程和ε方程分別為：

圖2 反應(yīng)器速度入口劃分

(1)

(2)

1.4 評價標(biāo)準(zhǔn)

為了評價煙氣在噴氨格柵前和首層催化劑層前的速度場均勻性，常采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差這一衡量尺度。速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差的定義是在某一截面云圖隨機截取若干點進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得樣本點的速度值xi(i=0，1，2……n)，然后用公式(3)和(4)進(jìn)行計算[6]：

(3)

(4)

(5)

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)有SCR系統(tǒng)方案的模擬結(jié)果

基于fluent對電廠現(xiàn)有的導(dǎo)流板布置方案進(jìn)行模擬，以機組在輸出功率為475 MW時所測得的反應(yīng)器入口風(fēng)速作為模擬時的入口速度。反應(yīng)器入口風(fēng)速見表1，從上至下為測點距離入口頂端的距離。初始結(jié)構(gòu)噴氨格柵前速度分布如圖3所示，初始結(jié)構(gòu)首層催化劑層前的速度分布如圖4所示。

圖3 初始結(jié)構(gòu)噴氨格柵前速度分布

表1 反應(yīng)器入口風(fēng)速 m·s-1

圖4 初始結(jié)構(gòu)首層催化劑層前的速度分布

由表1可以看出，由于采用非均勻來流條件，反應(yīng)器入口風(fēng)速差異較為明顯，A9一列煙氣速度較周圍速度明顯偏高。水平煙道在入口端不遠(yuǎn)處存在一個向鍋爐一側(cè)的偏折角，加之噴氨格柵布置在水平煙道處，沒有采取通常布置在第一個90°拐角后的豎直煙道處的做法，這些都會使噴氨格柵前煙氣速度分布不均。從圖3中可以看到在靠近鍋爐一側(cè)(即圖3的右側(cè))存在明顯的低速區(qū)域。煙氣流速呈現(xiàn)格柵式分布，部分區(qū)域上方和下方存在明顯的低速區(qū)域。煙氣流速呈現(xiàn)格柵式分布是由于截面后的噴氨格柵對煙氣流動起到了阻礙作用，中間部分上方區(qū)域和下方區(qū)域出現(xiàn)低速區(qū)是由于入口處上方和下方的入口速度過低。通過計算，噴氨格柵前截面處的煙氣流速相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為17.84%，高于15%的工程要求。噴氨格柵前不均勻的速度場會導(dǎo)致還原劑NH3與NOx的混合不均勻，同時噴氨格柵前速度場不均勻也會進(jìn)一步加劇首層催化劑層前速度場的不均勻性，從而使整個反應(yīng)器的脫硝效率降低，氨逃逸率升高。從圖4中還可以明顯看出，煙氣的高速區(qū)域呈現(xiàn)條狀分布，最左側(cè)存在低速區(qū)域，從左往右煙氣流速分布總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。左側(cè)低速區(qū)域的存在是由于煙氣經(jīng)過第二組擋板后方的水平煙道后，煙道面積突然增大，在流體流動慣性的影響下，左側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了低速渦流區(qū)域。高速區(qū)域之間存在的條狀低速區(qū)域一方面是由于弧形導(dǎo)流板布置數(shù)量較少，未能均勻的分流煙氣，另一方面是因為采用圓弧形導(dǎo)流板使得導(dǎo)流板末端存在低速渦流區(qū)域。由于大部分煙氣經(jīng)過導(dǎo)流板導(dǎo)流轉(zhuǎn)向，使得到達(dá)反應(yīng)器外側(cè)(即圖1或圖4右側(cè))煙氣較少，煙氣流速較低。經(jīng)過計算，在初始情況下首層催化劑層前的煙氣速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到17.12%，不滿足工程上的低于15%的要求。催化劑層前速度場的不均會導(dǎo)致催化劑磨損和堵塞等問題，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的脫硝效率。

2.2 優(yōu)化方案

基于上述分析，本文利用數(shù)值模擬對原有導(dǎo)流板的數(shù)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于入口端與噴氨格柵之間距離較短，并且各個入口的煙氣流速差距較大，原方案導(dǎo)流板難以在較短距離實現(xiàn)煙氣的充分混合。本文采用的優(yōu)化方案為等距離布置12個與煙氣流動方向呈現(xiàn)90°夾角的擋板，輔以兩塊平行于煙氣流動方向的導(dǎo)流板的方案，入口段導(dǎo)流板優(yōu)化方案如圖5所示。催化劑層上方區(qū)域通過增加導(dǎo)流板數(shù)量，從原有的6塊導(dǎo)流板增至11塊，同時將弧形導(dǎo)流板替換為斜直板來實現(xiàn)流場優(yōu)化，催化劑層上方導(dǎo)流板優(yōu)化方案如圖6所示。

圖5 入口段導(dǎo)流板優(yōu)化方案

圖6 催化劑層上方導(dǎo)流板優(yōu)化方案

2.3 優(yōu)化方案模擬結(jié)果

按照圖5和圖6所示的導(dǎo)流板布置優(yōu)化方案，優(yōu)化后噴氨格柵前煙氣速度分布如圖7所示。通過在入口段均勻布置了與煙氣流動方向垂直的擋板，起到了類似擾流器的作用，較好的對煙氣進(jìn)行了混合。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，煙氣的速度分布較之前更為均勻。AIG前截面中間部分之前存在的上下區(qū)域之間的低速區(qū)域得到了有效緩解，截面右側(cè)存在的低速區(qū)域也得到了很大改善，經(jīng)過計算，此時截面處煙氣速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降至13.92%，較之前下降了3.92%，滿足工程中低于15%的要求。

圖7 優(yōu)化后噴氨格柵前煙氣速度分布

經(jīng)過優(yōu)化后首層催化劑層前的煙氣速度分布如圖8所示，從圖8中可以看到通過增加導(dǎo)流板數(shù)量，并將弧形導(dǎo)流板更改為折型導(dǎo)流板后，截面速度分布更加均勻。通過將導(dǎo)流板位置與煙道內(nèi)側(cè)壁面貼近，使得原來由于煙道面積擴(kuò)大造成的低速渦流區(qū)域得到有效緩解，同時通過增大導(dǎo)流板數(shù)量，使得之前速度分布圖上的條狀低速區(qū)域大大減小。經(jīng)過計算，通過流場優(yōu)化后首層催化劑層前煙氣速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.37%，較前下降了5.75%，滿足工程要求。

圖8 優(yōu)化后首層催化劑層前的煙氣速度分布

2.4 不同運行工況下優(yōu)化方案的模擬結(jié)果

為了考量優(yōu)化后的導(dǎo)流板系統(tǒng)在不同工況下的適應(yīng)情況，選取510 MW和572 MW兩個運行工況來驗證優(yōu)化結(jié)果，兩個工況的入口速度如同表1采用實測值。經(jīng)模擬計算，510 MW工況噴氨格柵前速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.75%，催化劑層前速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.73%，572 MW工況噴氨格柵前速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.63%，催化劑層前速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.68%，均滿足低于15%的工程要求。510 MW下噴氨格柵前煙氣的速度分布如圖9所示，510 MW下催化劑層前煙氣的速度分布如圖10所示，572 MW下噴氨格柵前煙氣的速度分布如圖11所示，572 MW下催化劑層前煙氣的速度分布如圖12所示。

圖9 510 MW下噴氨格柵前煙氣的速度分布

圖10 510 MW下催化劑層前煙氣的速度分布

圖11 572 MW下噴氨格柵前煙氣的速度分布

圖12 572 MW下催化劑層前煙氣的速度分布

3 結(jié)語

SCR系統(tǒng)內(nèi)原有的導(dǎo)流板布置下，噴氨格柵前煙氣速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為17.84%，首層催化劑層前的煙氣速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為17.12%，均高于15%，需要通過添加導(dǎo)流板等方式對其內(nèi)部流場進(jìn)行優(yōu)化，使之符合工程要求。

數(shù)值模擬表明，通過在入口段設(shè)置與煙氣流動方向垂直的導(dǎo)流板，并將催化劑層上方的導(dǎo)流板更改為折型導(dǎo)流板，將催化劑層上方的導(dǎo)流板數(shù)量從一開始的6塊添至11塊，反應(yīng)器噴氨格柵前和首層催化劑層前的煙氣速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于15%，該模擬結(jié)果對反應(yīng)器后續(xù)進(jìn)行流場優(yōu)化改造具有較大的參考價值。