歐文劍*

（大唐湘潭發(fā)電有限責(zé)任公司）

0 引言

氮氧化物是燃煤電廠鍋爐燃燒后生成的燃燒產(chǎn)物之一，對(duì)環(huán)境的危害非常大，也是產(chǎn)生酸雨的元兇之一，當(dāng)前我國(guó)的氮氧化物環(huán)境容量已經(jīng)接近飽和[1]，因此，研究和推廣效率更高的燃煤電廠脫硝控制方法十分必要。

在SCR 鍋爐煙氣的脫硝反應(yīng)過(guò)程仿真研究方面，國(guó)內(nèi)的研究人員通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)入口煙道的流場(chǎng)、溫度分布、濃度分布展開了相關(guān)的研究工作。劉清雅等[2]用CFD 計(jì)算軟件對(duì)某600MW 鍋爐的SCR 脫硝裝置進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，還原劑氨在雙層噴氨格柵布置情況下比單層噴氨格柵布置分布得更加均勻，煙道導(dǎo)流板數(shù)量增加更有助于流場(chǎng)的優(yōu)化，同時(shí)這兩種方法又會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器沿程的阻力增加。

把湖南某電廠600 MW 鍋爐SCR 煙氣反應(yīng)器裝置作為研究對(duì)象，對(duì)該裝置投產(chǎn)以來(lái)的實(shí)際生產(chǎn)情況以及運(yùn)行中存在的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查總結(jié)和分析，將幾個(gè)典型的工況下以及不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下采用 Fluent軟件對(duì)該 SCR 反應(yīng)器裝置開展模擬實(shí)驗(yàn)， 最終提出該裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 S CR反應(yīng)器的工藝結(jié)構(gòu)與實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題

該廠SCR 工藝布置方式為常用的高塵布置，也就是安裝在省煤器之后與空預(yù)器之前的煙道上。而經(jīng)過(guò)過(guò)熱器、再熱器以及省煤器之后的煙氣溫度基本為300～420 ℃，無(wú)需再對(duì)反應(yīng)器的煙氣進(jìn)行加熱，常見的SCR 催化劑在該溫度區(qū)間的催化活性和效果也是最佳的，同時(shí)設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性能也能得到保障[3]。其工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 SCR煙道布置及工藝流程圖

煙氣從省煤器出來(lái)經(jīng)過(guò)SCR 反應(yīng)器時(shí)，由于導(dǎo)流板噴氨噴嘴結(jié)構(gòu)等設(shè)備設(shè)計(jì)的影響，氨以及氮在各層的催化劑截面處不能很好地混合在一起，從而導(dǎo)致催化劑局部區(qū)域氨逃逸值相對(duì)過(guò)大。氨從截面處逃逸出來(lái)后與氧化生成的三氧化硫進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，而生成一種極易附著在空預(yù)器冷端的液態(tài)產(chǎn)物，即硫酸氫銨。當(dāng)硫酸氫銨附著在空預(yù)器冷端的時(shí)候，往往會(huì)將煙氣中的灰塵吸附在一塊，使空預(yù)器的換熱構(gòu)件處聚集了大量灰垢，這不僅會(huì)導(dǎo)致空預(yù)器換熱效果變差，更有可能會(huì)引起空預(yù)器發(fā)生堵塞，甚至危害鍋爐安全運(yùn)行[4]。

2 建立SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣流場(chǎng)的模型

針對(duì)煙氣在煙道內(nèi)流動(dòng)特點(diǎn)，選擇 雙方程模型對(duì)連續(xù)相的湍流過(guò)程進(jìn)行仿真；針對(duì)SCR 反應(yīng)器中的催化劑結(jié)構(gòu)，選取多孔介質(zhì)模型來(lái)描述和跟蹤流動(dòng)情況[5]； SCR 脫硝系統(tǒng)中含有煙氣和氨氣以及其他物質(zhì)等等，且各種成分都混合在煙氣中，因此選擇混合物的組分傳輸模型來(lái)模擬[6]；對(duì)控制方程組求解時(shí)需進(jìn)行必要的離散化，選擇Fluent 軟件有限體積法進(jìn)行離散，并通過(guò)二階迎風(fēng)格式求取差分方程組。選擇省煤器的出口到SCR 裝置的出口中間煙道處進(jìn)行模擬，該系統(tǒng)的幾何模型如圖2 所示。SCR 反應(yīng)器裝置的接口處的尺寸為3.64 m×12.02 m，噴氨段煙道處的尺寸為3.65 m×l2.02 m，噴氨格柵設(shè)定是噴氨段煙道入口處垂直方向4.6 m 處；每層的催化劑尺寸為11.60 m×1.062 m×12.02 m，每相鄰兩層催化劑間凈距離為2.75 m。反應(yīng)器本體的位置離噴氨格柵處煙道的橫向距離為1.48 m，脫硝裝置的厚度(Z 軸方位)為12.02 m。

圖2 SCR反應(yīng)器及入口煙道的幾何結(jié)構(gòu)模型

燃燒生成煙氣從豎井煙道經(jīng)過(guò)省煤器出口，流向SCR 的入口煙道，進(jìn)而通過(guò)SCR 反應(yīng)器中的催化劑，煙氣的成分是由各種其他物質(zhì)組成，各種物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)詳見表2，在集中典型的負(fù)荷下煙氣進(jìn)口的流量和溫度如表3 所示。根據(jù)表2 及表3 中的參數(shù)可以定義材料及邊界條件。

表2 省煤器出口煙氣成分（體積分?jǐn)?shù)） %

表3 鍋爐典型負(fù)荷SCR反應(yīng)器進(jìn)口煙氣流量和溫度值

3 S CR反應(yīng)器的仿真計(jì)算及流場(chǎng)優(yōu)化

3.1 未加導(dǎo)流板時(shí)的反應(yīng)器及入口煙道模擬

未加導(dǎo)流裝置的SCR 脫硝裝置中沿寬度中心截面位置的速度云圖可見圖3。由圖3 可以看出，煙道內(nèi)氣體速率分布很不均勻，反應(yīng)器的左邊區(qū)域煙氣分布較少，速率偏低，而在噴氨格柵的局部區(qū)域氣體速率竟然高達(dá)23.6 m/s，并且脫硝裝置的進(jìn)口區(qū)域的煙氣流場(chǎng)很不均勻，左側(cè)和右側(cè)部位的速率差別比較大，而且居中的部位還存在旋渦。

圖3 未加導(dǎo)流裝置的SCR系統(tǒng)速度云圖

3.2 加裝導(dǎo)流板后的反應(yīng)器及入口煙道模擬

通過(guò)研究，在SCR 反應(yīng)器前面裝設(shè)各種形狀和一定數(shù)量的導(dǎo)流板，可以使兩側(cè)的煙氣流速差減小,煙氣流場(chǎng)更加均勻。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和摸索,選擇在入口煙道的2 個(gè)轉(zhuǎn)角處設(shè)定幾塊相同厚度的導(dǎo)流板，使煙氣在噴氨格柵前維持良好的流場(chǎng)效果，裝設(shè)導(dǎo)流板后的SCR 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖和速度云圖如圖4 所示。

圖4 裝設(shè)導(dǎo)流裝置后的SCR反應(yīng)器及入口煙道速度云圖

裝設(shè)合適的導(dǎo)流裝置以后，SCR 反應(yīng)器中的煙道內(nèi)的流速已經(jīng)趨于均勻，流速偏差大大減小，從圖 4 中可以看出，煙氣流動(dòng)的沿程阻力也下降了不少，這樣可以有效降低磨損的風(fēng)險(xiǎn)。提取速度云圖中的參數(shù)計(jì)算后可知，在反應(yīng)器對(duì)稱中心的界面上的速率偏差僅僅為5.44%，相較之前未安裝導(dǎo)流裝置時(shí)，流場(chǎng)均勻性有了較大提高。由圖 4 還可以看出，反應(yīng)器催化劑最上部分處的速度流場(chǎng)仍然很不均勻，沿X軸方向的氣體速率呈增大趨勢(shì)，通過(guò)提取數(shù)據(jù)，算得最大的速率偏差系數(shù)是30.18%，偏差還是比較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化煙道的結(jié)構(gòu)。

3.3 設(shè)置整流格柵后的反應(yīng)器入口煙道模擬

為了使脫硝反應(yīng)器的垂直煙道處煙氣流場(chǎng)更加均勻，在該裝置的最上層催化劑上部，也就是垂直煙道的進(jìn)口部位設(shè)置整流格柵結(jié)構(gòu)，合理設(shè)置整流格柵能使煙氣流速偏差更小，試驗(yàn)多次之后，確定相鄰的整流板距離為300 mm，整流板的高度為200 mm 時(shí)，煙道優(yōu)化的效果最好，圖5 為整流后的SCR 反應(yīng)裝置的速度云圖。

圖5 設(shè)置整流裝置后的SCR反應(yīng)器速度云圖

由圖5 可知，裝設(shè)整流裝置以后，垂直煙道沿水平方向的煙氣速度偏差明顯減少，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出最大的速率偏差系數(shù)為Cr=9.03%，跟之前未設(shè)置整流格柵的反應(yīng)器流場(chǎng)相比改善了不少。

3.4 不同負(fù)荷下的CSR反應(yīng)器流場(chǎng)模擬

為了更加深入研究通過(guò)進(jìn)口煙道優(yōu)化后的流場(chǎng)效果，提取實(shí)際運(yùn)行中設(shè)備負(fù)荷為450 MW，240 MW的工況參數(shù)，對(duì)SCR 反應(yīng)器進(jìn)口煙道的流場(chǎng)開展模擬研究。機(jī)組上述負(fù)荷時(shí)反應(yīng)器的參數(shù)如表4 和表5所示。

表4 集中典型工況下SCR反應(yīng)器進(jìn)口介質(zhì)數(shù)據(jù)（實(shí)際運(yùn)行測(cè)得）

表5 不同負(fù)荷時(shí)SCR反應(yīng)器進(jìn)口介質(zhì)成分（體積分?jǐn)?shù)） %

3.4.1 SCR反應(yīng)器及入口煙氣流場(chǎng)仿真研究

由圖6 可以得出3 種不同工況下的SCR 反應(yīng)器流場(chǎng)參數(shù)指標(biāo)，詳見表6。

圖6 不同負(fù)荷情況下催化劑進(jìn)口處速度云圖

表6 SCR反應(yīng)器變不同負(fù)荷下的流場(chǎng)數(shù)據(jù)

由3 種不同負(fù)荷的流場(chǎng)參數(shù)結(jié)果可知，由于設(shè)備負(fù)荷降低，SCR 進(jìn)口煙道處以及最上部催化劑進(jìn)口處的速率減小，并且位于噴氨格柵處和反應(yīng)器最上部的催化劑進(jìn)口部位的速率偏差系數(shù)值相差卻很小，這說(shuō)明雖然機(jī)組的工況變化比較大，但是煙氣速率偏差相差不大。

3.4.2 煙氣與氨混合模擬結(jié)果研究

從圖7 和表7 可以看出，由于設(shè)備負(fù)荷不同，SCR 脫硝裝置催化劑進(jìn)口出氨的平均質(zhì)量組分相差并不大，而且速度偏差也差不多。通過(guò)模擬結(jié)果分析可知，工況改變后，反應(yīng)器的進(jìn)口煙道以及催化劑進(jìn)口煙氣的流速也隨之改變，反應(yīng)器內(nèi)煙氣的沿程阻力也會(huì)發(fā)生改變，但噴氨格柵處及催化劑進(jìn)口處的速度相差較小，小于10%。因此由額定負(fù)荷設(shè)計(jì)的SCR反應(yīng)器及入口煙道結(jié)構(gòu)在鍋爐工況不同的情況下也能得到優(yōu)良的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)。

圖7 不同負(fù)荷時(shí)混合結(jié)果

表7 SCR反應(yīng)器進(jìn)口截面（X=10 m）處氨的濃度分布

4 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)過(guò)對(duì)SCR 反應(yīng)器及入口煙道的煙氣進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬，提出了具體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，并且驗(yàn)證了合理布置導(dǎo)流裝置和整流裝置能夠使反應(yīng)器內(nèi)部的煙氣流場(chǎng)更加均勻，從而滿足設(shè)計(jì)要求的速度偏差。

（2）在煙道兩個(gè)拐角處設(shè)置導(dǎo)流板可以明顯改善催化劑上游的氨濃度場(chǎng)以及煙氣速度場(chǎng)，并且經(jīng)過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)分布后將氨濃度的相對(duì)偏差由10%以上降到5%以下。

（3）在SCR 反應(yīng)器垂直煙道的催化劑最上部設(shè)置一定間距的整流裝置對(duì)消除左右兩側(cè)的煙氣流場(chǎng)偏差具有明顯的作用，雖然加了整個(gè)系統(tǒng)的阻力增，但是影響并不大；同時(shí)安裝直板的整流格柵工序簡(jiǎn)單，安裝成本低且工藝要求不高。

（4）使用CFD 軟件分別對(duì)幾種典型負(fù)荷下催化劑以及噴氨格柵處煙氣流場(chǎng)的均勻性進(jìn)行分析，研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的SCR 反應(yīng)器及入口煙道處的系統(tǒng)阻力以及流場(chǎng)均勻性之間的關(guān)系。結(jié)果表明，雖然煙氣流動(dòng)阻力有所增加但是仍然能夠滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)流場(chǎng)均勻性提高顯著，這對(duì)于解決下游的空預(yù)器堵塞問(wèn)題具有較大的意義。