電站鍋爐SCR系統(tǒng)改造前后數(shù)值模擬分析

摘要：以某電站鍋爐脫硝系統(tǒng)為例，對(duì)催化劑磨損、脫硝效率低等問(wèn)題進(jìn)行分析研究，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的方法，確定煙道內(nèi)流場(chǎng)及灰場(chǎng)分布，對(duì)上述問(wèn)題影響較大，最后提出對(duì)三角筋及導(dǎo)流板進(jìn)行改造，極大地改善了氣流和灰場(chǎng)的分布，減輕了催化劑的磨損，確保脫硝系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

隨著電力生產(chǎn)的高速發(fā)展，能源消耗劇增，隨之而來(lái)的環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重，能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題已成為社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問(wèn)題之一。在此大背景下，電力行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始全面推行燃煤機(jī)組超低排放改造，要求NOx排放濃度嚴(yán)格控制在50mg/Nm3以下，為此對(duì)SCR系統(tǒng)提出更為嚴(yán)苛的要求。為了應(yīng)對(duì)上述環(huán)保壓力，需要在原有備用層位置加裝一層催化劑，這種三層催化劑運(yùn)行方式會(huì)在煙氣流場(chǎng)、催化劑磨損、脫硝效率低等方面帶來(lái)新的問(wèn)題。

隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外很多廠家都在脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)中涉及流體流動(dòng)、熱交換、化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬不僅可以得到和冷態(tài)試驗(yàn)同一標(biāo)準(zhǔn)的流動(dòng)特性，還可精確地對(duì)煙氣的溫度分布、NOx分布、NH3/NOx分布以及飛灰濃度分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。針對(duì)脫硝系統(tǒng)催化劑局部磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，利用數(shù)值模擬計(jì)算的方式尋求最優(yōu)改造策略，避免局部催化劑磨穿失效導(dǎo)致脫硝效率下降、氨逃逸上升等問(wèn)題，從整體上提高脫硝系統(tǒng)的性能。

1鍋爐概況

某公司#1機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司制造的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，其型號(hào)為DG1160.5/17.4-Ⅱ13，一次中間再熱、四角切圓燃燒、單爐膛、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、平衡通風(fēng)、露天布置、Π型鍋爐。鍋爐煙氣脫硝裝置采用“高含塵布置方式”的選擇性催化還原法，在設(shè)計(jì)煤種、鍋爐最大工況、處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于85%，脫硝裝置出口NOx濃度不高于50mg/Nm3（6%氧含量，干煙氣），布置3層催化劑。脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1所示。

圖1SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

煙氣從省煤器出口進(jìn)入漸擴(kuò)段煙道，經(jīng)下轉(zhuǎn)角煙道進(jìn)入垂直的上升煙道，在其中和還原劑氨混合，經(jīng)上轉(zhuǎn)角段煙道、整流格柵和鋼梁進(jìn)入催化劑層。

2數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法

2.1數(shù)學(xué)模型

由于整個(gè)脫硝系統(tǒng)不涉及換熱，故作為絕熱過(guò)程來(lái)進(jìn)行模擬，煙氣的溫度不變，從而相關(guān)的物理參數(shù)也取常數(shù)。脫硝入口設(shè)置為速度入口邊界，假設(shè)入口處流速分布均勻，脫硝出口設(shè)置為壓力出口邊界，按照常規(guī)運(yùn)行值進(jìn)行設(shè)定。采用修正k??模型模擬氣體湍流流動(dòng)，采用物質(zhì)輸運(yùn)模型模擬多種物質(zhì)的混合，采用拉格朗日-顆粒隨機(jī)軌道模型模擬飛灰顆粒的運(yùn)行，相關(guān)的具體值見(jiàn)表1所示。

表1數(shù)值模擬主要參數(shù)設(shè)定

2.2計(jì)算方法

k方程

3SCR煙道內(nèi)主要界面流場(chǎng)和灰場(chǎng)分布及改造方案

為了弄清煙氣和飛灰在SCR煙道內(nèi)的流動(dòng)特性，通過(guò)數(shù)值模擬的計(jì)算方法模擬出SCR煙道內(nèi)主要截面流場(chǎng)和灰場(chǎng)分布，如圖2所示。

由圖2可知，煙氣速度大的位置主要集中在兩組橫梁的梁前，飛灰濃度大的位置主要集中在前墻和第一組鋼梁之間。因此，第一組鋼梁前至SCR反應(yīng)器前墻位置煙氣流速和飛灰濃度均處于較高水平，造成這一位置催化劑磨損強(qiáng)度較大，因此，本次模擬改造方案是通過(guò)優(yōu)化催化劑入口的流場(chǎng)和灰場(chǎng)，達(dá)到減弱催化劑局部磨損較重的現(xiàn)象。催化劑入口飛灰濃度分布是由SCR整體煙道設(shè)計(jì)決定。其中由于飛灰的慣性遠(yuǎn)高于煙氣，容易在轉(zhuǎn)角煙道分離出主流煙氣，上升煙道的上下轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板是灰場(chǎng)的重要影響因素。具體見(jiàn)圖3所示。

圖2原始SCR結(jié)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)和灰場(chǎng)分布

圖3催化劑上方流場(chǎng)分布

橫梁結(jié)構(gòu)分橫縱兩種布置，與氣流方向垂直的是橫梁結(jié)構(gòu)，與氣流方向平行的是縱梁結(jié)構(gòu)。橫梁結(jié)構(gòu)主要由“工”字型鋼和防積灰三角（三角筋）組成。其中，“工”字型鋼主要起承重作用；防積灰三角的主要作用就是防止飛灰顆粒因慣性及離心力作用跟隨氣流積聚在后墻側(cè)，對(duì)靠后墻側(cè)的催化劑造成嚴(yán)重磨損。

綜上所述，隨即提出兩條措施進(jìn)行整改：一是對(duì)整流格柵進(jìn)行改造，具體為將防積灰三角即三角筋切除；二是對(duì)上升煙道上下轉(zhuǎn)角煙道的導(dǎo)流板進(jìn)行改造。

4數(shù)值模擬結(jié)果及分析

橫梁結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)三角筋，其目的是控制飛灰顆粒向后墻聚集，防止嚴(yán)重磨損后墻的催化劑，但卻對(duì)煙道內(nèi)的流場(chǎng)造成了破壞。圖4是切除三角筋后流場(chǎng)和灰場(chǎng)的分布。

導(dǎo)流板的數(shù)目對(duì)脫硝反應(yīng)器入口的煙氣速度有直接影響，當(dāng)導(dǎo)流板較多時(shí)，煙氣速度較小，煙氣與催化劑接觸時(shí)間增加，提高了脫硝效率；但是導(dǎo)流板過(guò)多時(shí)，煙氣與催化劑接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)發(fā)生氮氧化物的氧化反應(yīng)，另外煙道的阻力會(huì)上升，風(fēng)機(jī)單耗也會(huì)升高；當(dāng)導(dǎo)流板較少時(shí)，不能很好的發(fā)揮導(dǎo)流作用，煙氣速度較大，煙氣與催化劑接觸時(shí)間短，脫硝效率低。原脫硝系統(tǒng)在煙道上下轉(zhuǎn)角分別設(shè)計(jì)了2塊導(dǎo)流板，改造時(shí)分別采用4塊導(dǎo)流板進(jìn)行模擬。效果見(jiàn)圖5所示。

圖4改造三角筋后的流場(chǎng)和灰場(chǎng)分布

圖5改造上下轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板后的流場(chǎng)和灰場(chǎng)分布

由圖可知，通過(guò)改造上下轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板，改造后SCR整體沿程煙道的流場(chǎng)和灰場(chǎng)均得到改善，特別是催化劑前飛灰分布均勻性顯著提高。

圖6是上下轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板改造前、后截面3上（位置見(jiàn)圖4）飛灰濃度及平均粒徑沿著Y方向（煙道深度方向）的分布。

圖6截面3上飛灰顆粒數(shù)目及平均粒徑分布

由圖6可知，經(jīng)過(guò)改造，第一組鋼梁前至SCR反應(yīng)器前墻位置的飛灰顆粒數(shù)目及粒徑的高峰區(qū)被抹平，證明該位置的高濃度飛灰區(qū)被有效的消除。

催化劑的磨損取決于上方飛灰顆粒撞擊催化劑的作用力，而作用力受催化劑上方飛灰攜帶動(dòng)量決定。而區(qū)域內(nèi)飛灰的速度和質(zhì)量分布決定了該區(qū)域飛灰攜帶的動(dòng)量。因此，本項(xiàng)目將飛灰攜帶動(dòng)量的均勻性作為衡量催化劑磨損分布的依據(jù)，圖7為改造上下轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板前、后催化劑上方飛灰顆粒動(dòng)量分布。

圖7改造上下轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板前、后催化劑上方飛灰顆粒動(dòng)量分布

由圖7可知，在將飛灰濃度場(chǎng)調(diào)勻后，催化劑上方飛灰動(dòng)量峰值效應(yīng)得到明顯減弱，若結(jié)合流場(chǎng)的鋼梁改造，有能力將所有區(qū)域動(dòng)量降至10mg·m/s以下。

5結(jié)論及展望

(1)催化劑上方三角筋和工字鋼結(jié)構(gòu)在緊挨催化劑的SCR反應(yīng)器煙道，它是催化劑入口流場(chǎng)影響的重要因素。

(2)催化劑入口飛灰濃度分布是由SCR整體煙道設(shè)計(jì)決定，其中，上升煙道上下轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板是灰場(chǎng)的重要影響因素。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的方法，對(duì)脫硝系統(tǒng)內(nèi)局部進(jìn)行改造，可以模擬改造后煙道內(nèi)流場(chǎng)、灰場(chǎng)的分布，對(duì)于解決催化劑磨損、脫硝效率低等問(wèn)題極具參考價(jià)值。