某300MW燃煤锅炉选择性催化还原脱硝导流系统的分析

某300 MW燃煤锅炉选择性催化还原脱硝导流系统的分析

苗世昌

(大唐洛阳热电有限责任公司，河南 洛阳 471000)

摘要：为探究某300 MW燃煤锅炉选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)脱硝系统内烟道导流方案的可行性，利用FLUENT 6.3软件，对该导流方案下SCR系统的流场和氨浓度分布进行数值模拟研究.结果表明：烟道截面变化以及弯头偏转导致系统流场严重不均，且现有导流系统导流效果较差，AIG下游截面最大速度偏差达31.25 m/s，反应器入口速度也存在偏差，且尾部烟道内流场不均，会对下游设备产生影响；系统流场不均导致氨浓度不均，AIG下游截面氨的浓度偏差达60.0%，反应器入口截面氨的浓度偏差达38.4%，大的浓度偏差严重影响系统的脱硝效率，且反应器出口氨逃逸量达5.266 ppm，这会对大气造成二次污染.这些研究结果可为燃煤锅炉选择性催化还原脱硝导流系统的改进提供参考.

关键词：选择性催化还原；导流系统；速度场；氨浓度；数值模拟中图分类号：TK11文献标识码：A文章编号：1002-5634(2015)03-0089-04

在火电厂排放的烟气中，氮氧化物NOx是主要的污染物之一，根据最新燃煤电站超净排放标准，NOx的含量必须低于50 mg/Nm3.控制NOx排放已成为当前电力行业发展的重要任务[1].为适应日益严格的氮排放标准，选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)烟气脱硝技术作为目前国际上应用最广、技术较为成熟的烟气后处理脱硝技术，已成为我国大型燃煤机组烟气脱硝的主要选择[2].

对SCR系统的脱硝效率和氨逃逸率进行模拟研究，以便衡量SCR脱硝系统性能.SCR系统烟道内的均流特性将直接影响脱硝效率和氨逃逸率，而烟道导流系统设计的合理性是保证烟气均匀的重要因素.Waltcr Nischt等[3]使用数值模拟的方法分别模拟了SCR系统的温度、压力、速度分布.雷达等[4]对布置有导流板的SCR烟道流场进行了研究，分析了不同导流方案对SCR系统运行的影响，得到出口处的NOx浓度分布，催化剂层中氨氮比分布等.沈丹等[5]以某600 MW电厂SCR烟道系统中的导流板为研究对象，对设计出3种不同形态的导流板分别进行数值模拟.董建勋等[6]在假设到达反应器入口处的流体温度场、速度场等均匀的前提下，结合孔道自身的结构特点，针对蜂窝状催化剂中单个孔道建立其数学模型，催化剂表面反应过程采用E-R机理模型处理，考虑外部传质和内部传质过程，与前期脱硝装置试验结果对比有较好的符合度.周响球等[7]进一步深入研究了反应器内的动力学数学模型，如用Langmuir方程来求解催化剂层表面的NH3吸附、解吸附速率，用E-R机理处理NO与NH3发生的主化学反应，同时探讨了NH3的氧化反应率等副反应过程.该模型仿真试验结果在一定程度上能够体现反应器内的反应过程，接近实际运行情况.笔者基于FLUENT 6.3软件，针对某电厂300 MW燃煤锅炉选择性催化还原脱硝导流系统的合理性进行数值模拟研究，以期为导流系统的工程技术改进提供参考.

1数值模型

1.1　研究对象

研究对象为某电厂300 MW亚临界燃煤锅炉的选择性催化还原脱硝导流系统.SCR脱硝系统布置在锅炉省煤器下游和空气预热器上游之间.每台机组均设置2个SCR反应器分别处理50%的烟气量，反应器相对于锅炉呈对称分布且几何结构相同，可认为其内部烟气流动及氨在烟气中的扩散过程相似.故利用FLUENT 6.3软件仅对其中一个单元进行模拟试验，分析其烟道系统的速度场与脱硝性能.

以100%工况为模拟工况，反应器烟道入口烟气量为980 000 m3/h，喷氨入口处温度为300 K，氨气体积分数为5%，氨气流量为146.5 kg/(h·炉).烟气主要组分见表1.

表1　入口烟气组分

1.2　三维几何模型

三维几何模型和实际SCR导流系统按1∶1尺寸构建.系统主要由前部烟道系统、喷氨格栅、反应器系统和导流板等组成.根据实际情况，利用GAMBIT软件对SCR导流系统进行三维建模和网格划分，三维模型如图1所示.

图1　SCR导流系统的三维模型

应用结构化/非结构化混合网格技术，对管屏与导流板处进行局部加密，在计算过程中通过逐步细化网格得到近似网格无关解.网格总数为400万，网格模型如图2所示.

图2　SCR导流系统的网格模型

1.3　数学模型

模拟中的连续性方程、动量方程、能量方程及组分守恒方程可用一个通用微分方程表示如下：

(1)

式中：φ为通用的因变量；Γ为扩散系数；S为源项.方程中的四项依次是非稳态项、对流项、扩散项和源项.

多孔介质的动量方程具有附加的动量源项.源项由两部分组成；一部分是黏性损失项(Darcy)；另一部分是内部损失项.即

(2)

式中：Si为i向(x,y或者z向)动量源项；Dij和Cij为规定的矩阵系数.在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度或速度方阵成比例.

1.4　求解条件

采用RNGκ-ε双方程模型来模拟烟气的流动，用标准近壁面函数进行计算；组分模型为物质输运模型，对前部烟道混合状况模拟时，不考虑各物质发生的化学反应；均流格栅和反应器采用多孔介质模型处理；选用SIMPLE算法对压力和速度进行耦合.模型进口采用速度入口条件，出口为自由出流.

2计算结果与分析

选择性催化还原脱硝导流系统内的导流装置需达到系统速度场均匀和氨氮混合均匀的效果.其中，AIG下游速度场将影响氨与烟气的混合，而反应器入口的流速和氨分布直接影响反应器内的脱硝效率.

2.1　SCR系统内的速度场分布

SCR系统内的速度场分布如图3所示.由图3(a)可知，由于SCR系统烟道截面的变化，烟气在SCR系统内速度分布不均：在系统入口处，由于大小头在宽度方向的渐扩、高度方向的减缩，致使烟道宽度扩展处出现低速区.导流板虽在高度方向上将烟气均流，但是在宽度方向起不到导流作用，导致在烟道扩展处流体惯性冲刷而无法偏转，最终出现低速漩涡区域.在急转弯头处因离心作用出现速度不均，烟气无法充满弯头整个区域，弯头处的导流叶片因间距不合理且太贴近于弯头内径而在外径处导流不充分，进而影响竖直烟道内速度均匀性和氨与烟气的充分混合.烟气进入喷氨区域和反应器区域后，流体充满度很差，严重影响SCR系统的脱硝效率.此外，在系统尾部烟道处，烟气流态依然紊乱，会对下游空气预热器的工作效率产生影响.

图3　SCR系统内速度分布

由图3(b)可知：在入口的大小头处因横向导流不充分而出现速度不均，最高速度达20 m/s左右；在弯头处由于离心作用且导流叶片布置不合理，导致弯头内侧速度高达20 m/s以上，而外侧低速区内烟气速度只有5 m/s左右.

进入竖直烟道后速度分布仍然不均,如图3(c)所示.近锅炉侧速度较低，为11 m/s，而近反应器侧速度则高达16 m/s，速度偏差高达31.25%，这对氨氮混合十分不利.

当烟气到达反应器入口处时，速度分布如图3(d)所示.反应器入口处最大速度为15 m/s，近锅炉侧速度稍低，为13 m/s，两侧速度差会导致进入反应器区域的烟气分布不均，降低催化剂的利用率，且进入反应器区域后，流场的不均会影响烟气与催化剂的接触效果，进而造成脱硝效率较低和氨逃逸量较大.

2.2　SCR系统内氨分布

图4为SCR系统内的氨浓度分布图.

图4　SCR系统内氨浓度分布

SCR系统内氨浓度分布如图4(a)所示，在SCR系统内，由于烟气速度场的不均匀，从而导致了还原剂氨在整个烟道系统内的体积分数分布不均匀.

在AIG下游处，因截面流速一侧高、一侧低，导致喷入氨的体积分数呈现出同样的趋势，如图4(b)所示.由于近脱硝侧烟气速度较大，该处氨的体积分数只有0.000 2，而近锅炉侧烟气速度较小，喷入的氨有充分的停留混合时间，体积分数达0.000 5；到达反应器入口后，因反应器前弯头处的流速不均加剧了氨分布的不均匀性.

由图4(c)可知，在反应器入口截面处，氨的体积分数最大为0.000 52，最小为0.000 32，氨的浓度偏差达38.4%.由于在反应器区域速度过大会导致反应不充分，而速度过低将会堵塞催化剂层.所以氨在SCR系统内的分布不均将严重影响SCR系统反应器内的脱硝反应，进而造成系统脱硝效率较低和氨逃逸量较大.该系统反应器出口氨逃逸浓度为5.266 ppm，超过规定的2~5 ppm控制范围，将对大气造成二次污染.

3结语

通过数值模拟，对某电厂300 MW燃煤锅炉选择性催化还原脱硝导流系统进行了研究，得到以下结论：

1)在该导流系统下，SCR系统内烟气充满度很差，烟道内速度场分布严重不均，严重影响SCR系统的运行效率，所以应对导流系统的布置进行优化.

2)由于系统内烟气速度场的不均匀性，导致氨的分布不均，AIG下游和反应器入口处氨的体积分数均存在一定的偏差，这将会对反应器内的氨氮混合和反应器的稳定高效运行产生影响.反应器出口处的氨逃逸浓度为5.266 ppm，会污染大气.

参考文献

[1]Hans J H,Nan Yt,Cui Jh.Application of SCR denitrification technology onto coal-fired boilers in China[J].Thermal Power,2007(8):13-18.

[2]沈伯雄,赵宁,刘亭．烟气脱硝选择性催化还原催化剂反应模拟研究[J]．中国电机工程学报，2011，31(8)：31-37．

[3]Walter Nischt，Jeff Hines，Robison.Update of Selective Catalytic Reduction retrofit on a 675 MW boiler at AES Somerset[R].USA：ASME International Joint Power Generation Conference，2000

[4]雷达,金保升．燃煤电站SCR内烟气流场及还原剂浓度场模拟与优化[J]．煤炭学报，2009，34(3)：394-399．

[5]沈丹,仲兆平,过小玲．600 MW电厂SCR烟气脱硝反应器内不同导流板的流场数值模拟[J]．电力环境保护，2007，23(1)：42-45．

[6]董建勋,王松岭,李永华，等．选择性催化还原烟气脱硝过程数学模拟研究[J]．热能动力工程，2007，22(5)：569-573．

[7]周响球,杨晨．选择性催化还原脱硝反应器数学模型及仿真[J]．重庆大学学报(自然科学版)，2007，30(6)：39-43．

[8]张彦军,高翔,骆仲泱，等．SCR脱硝系统入口烟道设计模拟研究[J]．热力发电，2007，36(1)：15-17,23．

Analysis of the Selective Catalytic Reduction Denitrification and

Diversion System for a 300 MW Coal-fired Boiler

MIAO Shichang

(Datang Luoyang Thermoelectric Generation Co., Ltd., Luoyang 471000, China)

Abstract:In order to explore the feasibility of the fluid diversion in the flue of the Selective Catalytic Reduction denitrification system for a 300 MW coal-fired boiler, utilizing the software FLUENT 6.3, the flow field and the distribution of ammonia concentration of the Selective Catalytic Reduction system under the diversion schemes were analyzed by numerical simulation. The results show that the flow field of the system is severely nonuniform because of the variation of the flue′s sections and the deflection of the elbow, and the efficiency of the present diversion system is poor, the maximum velocity deviation is up to 31.25 m/s in the downstream sections of AIG. The deviations exist among the inlet velocities of reactors, the flow field in the tail flue is nonuniform, which will affect the operation of the devices in the downstream. The nonuniform flow field of the system results in the nonuniform distribution of ammonia concentration. The deviation of ammonia concentration is up to 60.0% in the downstream sections of AIG, and the deviation of ammonia concentration is up to 38.4% in the inlet sections of reactors, which severely affects the denitrification efficiency. The quantity of ammonia escape is up to 5.266 ppm in the outlet of reactors, which will cause secondary pollution to atmosphere. The investigation results have important reference for the improvement of the Selective Catalytic Reduction denitrification and diversion system for coal-fired boilers.

Keywords:Selective Catalytic Reduction; diversion system; velocity field; ammonia concentration; numerical simulation

(责任编辑: 杜明侠)