300MW燃煤锅炉烟气SCR脱硝系统流场的数值模拟与优化设计

陈冬林，刘 欢，邹 婵，陈翠玲，盘思伟，李 丽，赵 宁

（1.长沙理工大学 能源与动力工程学院，湖南 长沙 410004；2.广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510080）

SCR脱硝反应器催化剂入口截面上烟气流速和氨气浓度分布的均匀性对烟气脱硝效率及氨气逃逸率具有重要影响［1-7］，因此，对现役锅炉进行脱硝改造时需对脱硝反应器本身及相关连接管道进行优化设计，以使催化剂层入口截面上的速度分布标准偏差小于15%，氨浓度分布标准偏差小于5%.为此，笔者利用FLUENT数值模拟软件对一台300 MW燃煤锅炉SCR脱硝反应器的烟道及导流板的设计布置方案进行数值模拟，在此基础上确定最佳导流板设计方案.

1 脱硝反应器原型

湖南某电厂一台300MW燃煤锅炉机组的烟气SCR脱硝反应器及前后烟道、喷氨格栅、烟气导流板、催化剂层等的结构与布置如图1所示.其中，喷氨格栅由2排钢管组成，每排有24根钢管，每根钢管上布置有3个氨气喷嘴，喷嘴出口直径为25mm.

图1 300MW燃煤锅炉机组SCR脱硝反应器及烟道布置示意Figure 1 300MW coal-fired boiler SCR deNOxreactor and flue duct arrangement diagram

2 均流方案设计

现役锅炉机组进行烟气SCR脱硝改造时，因脱硝反应器及烟道布置受到了空间、成本等方面的限制，烟道的布置优化空间较小，目前，主要通过烟道弯头处设置导流板并优化导流板的结构来达到均流与均匀氨浓度分布的目的.为此，笔者通过在烟道不同弯头以及变径管道处设置导流板，拟定4种导流板布置方案，其布置、结构及技术特点如图2和表1所示.

图2 不同方案弯头截面尺寸（单位：mm）Figure 2 Sectional size of elbows in different schemes（Unit：mm）

表1 各方案中导流板结构参数及布置特点Table 1 Baffle structure parameters and layout features for each schemes

3 CFD模拟

通过使用Fluent软件对上述导流板不同布置方案下烟道流场进行数值模拟，研究SCR脱硝系统烟道内导流板不同布置方式对烟气流场以及氨气浓度分布的影响.使用前处理软件GAMBIT，完成尾部烟气流动和催化剂分布区域的建模与网格划分，其中数值域被分成多块混合网格格式.

3.1 数学模型

反应器计算模型的选取采用模拟湍流流动的标准k-ε湍流双方程模型；烟气与氨混合选用多种物质的混合输运模型模拟；使用多孔介质模型模拟催化剂的蜂窝状结构.各方程的数学描述详见文献［8-9］.

3.2 边界条件

该模拟主要研究300MW燃煤锅炉机组在BMCR工况下的流动与氨浓度分布.BMCR工况下锅炉的烟气流量为1 344 203m3·h-1，烟道入口烟气流速为21m·s-1，喷氨速度为21m·s-1；设置烟道出口为压力出口边界条件，固体壁面和导流板设为WALL；烟气成分和计算边界条件如表2，3所示.

表2 烟气各种成分的质量百分比Table 2 Mass percentage of various components in flue gas

表3 边界条件Table 3 Boundary condition

4 模拟结果与分析

模拟结果使用Fluent软件自带的云图功能进行数据处理，并根据烟气SCR脱硝反应的行业技术标准，用标准偏差（S）对反应器内的速度场与氨浓度场进行分析.定义标准差［10-11］：

式中 S为烟气流速或氨浓度的相对标准偏差；xi为测点数据为n个测点数据的算术平均值；n为某截面的测点个数.

优化目标要求第1层催化剂前的速度分布最大标准偏差小于15%，速度分布及方向要求与催化剂通道平行，80%烟道的部分偏角小于10°，其余20%烟道的部分偏角小于12°；第1层催化剂前氨的浓度分布标准偏差小于5%［12］.

4.1 喷氨格栅前的导流板布置对催化剂层氨浓度场分布的影响

方案1中由于喷氨格栅前段（即省煤器出口至喷氨格栅）没有设置导流板，使得喷氨格栅前端烟气流场严重不均匀，因而造成第1层催化剂浓度相对标准偏差高达16.05%.方案2，3在方案1基础上，于喷氨格栅前端的烟道变径段以及1号弯头处布置导流板，从图3（b）中烟道入口前、后对称剖面速度分布图可看出，垂直烟道两侧烟气流速明显得到改善，催化剂层氨浓度相对标准偏差从16.05%降到6.09%，说明第1层催化剂层氨浓度分布均匀性得到明显的改善.由此可见，喷氨格栅前的导流板布置对催化剂层氨浓度分布均匀性影响很大，这种影响尤其体现在弯头处导流板的布置，比较方案2，3模拟结果，方案3在喷氨格栅前1号弯头处设置导流板后，催化剂层氨浓度标准偏差大幅度地降低.

4.2 喷氨格栅后的导流板布置对催化剂层速度场分布的影响

方案1由于只在喷氨格栅至脱硝反应器出口的烟道各弯头处设置导流板，其烟道进口变径段前、后两侧烟气产生明显的回流，烟气流速严重不均，如图3（a）所示.同时，从图3（b）中还可发现，方案1喷氨格栅前端流速分布同样不均匀，靠近左侧的垂直烟道内侧流速明显比外侧流速高.由于在喷氨格栅至脱硝反应器出口处设置了导流板，这对第1层催化剂层流速均匀性具有很好的效果，经计算得出第1层催化剂层流速相对标准偏差为6.01%，达到设计标准要求.

图3 不同导流板布置方案下数值模拟云图Figure 3 Numerical simulation contours of different baffle layouts

4.3 导流板间距及烟道结构优化对催化剂层度场与氨浓度场分布的影响

在方案3的基础上，方案4针对第1个弯流头导流板布置间距进行反复优化，以达到催化剂速与氨浓度相对标准偏差接近设计标准的目的，同时，该方案中将烟道弯头2内侧的弧形板改为斜切直板，弯头3处弧形弯头同样改为斜切角，为满足结构要求将最外层的导流片去掉，最后得到第1层催化剂层流速与氨浓度相对标准偏差分别为3.86%，4.92%，达到设计标准要求，实现该次烟气脱硝反应器结构的优化.由此可见，在条件可行的情况下，可通过调整1号弯头导流板间距，结合烟道弯头结构调整，达到优化烟道流场分布的目的，从而使催化剂层流速与氨浓度相对标准偏差符合设计范围，脱硝反应器脱硝效率大大提高.不同导流板布置方案时数值模拟结果对比如表4所示.

表4 不同导流板布置方案时数值模拟结果对比Table 4 Comparison of numerical simulation results in different baffle layout schemes

5 结论

1）导流板布置对均匀流场及脱硝反应器催化剂层氨浓度分布具有明显的作用，在烟道各弯头处合理地添加导流板，可大大提高烟道流场分布均匀性，从而有利于脱硝反应器脱硝效率的提高.

2）喷氨格栅前、后的导流板布置分别对第1层催化剂入口的氨浓度分布和速度流场分布的均匀性具有重要影响，其中喷氨格栅前的导流板布置对第1层催化剂层氨浓度场分布影响较大，而喷氨格栅后的导流板布置对第1层催化剂层速度流场分布影响较大.

3）经过各方案对比，最后得出方案4为烟气脱硝反应器的最优方案，通过改善烟道弯头结构，结合合理的导流板间距获得催化剂层最佳的流场与氨浓度场分布均匀度，其进入第1层催化剂层处的速度、氨浓度相对标准偏差分别为3.86%和4.92%，符合设计要求.从该方案中获得的脱硝反应器内合理的烟气流速与催化剂浓度分布，可为脱硝反应器的最佳运行提供借鉴，同时，方案4提出的导流板布置方案对脱硝反应器的结构优化具有重要的参考价值.

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