第４５卷㊀ 第７期
２０１６年７月
T H E R MA LP OW E R G E N E R A T I O N
热㊀ 力㊀ 发㊀ 电
V o l ４５㊀N o ７
J u l ０１６y ２
燃煤机组S C R 脱硝系统氨氮混合优化
(东北电力大学能源与动力工程学院, 吉林吉林㊀ １１．３２０１２;
) 江西省电力科学研究院, 江西南昌㊀ ３２．３００９６
[摘㊀㊀㊀ 要]以某电厂６脱硝系统为研究对象, 针对氨逃逸严重㊁ ６０MW 燃煤机组选择性催化还原(S C R )
空气预热器(空预器) 运行短时间堵塞的问题, 结合物理模型速度场冷态试验及现场N O x 浓度分布测试试验, 建立了该脱硝系统的三维模型, 并运用F l u e n t 软件模拟了不同圆盘导流板安装角度及不同喷氨方案下该S 适当调大圆盘导C R 脱硝系统烟气流场和组分分布. 结果表明, 性, 使催化剂层入口处氨氮摩尔比相对标准偏差控制在４％以下, 满足设计和运行要求, 为大
[关㊀ 键㊀ 词]燃煤机组; 脱硝系统; 烟气流场; 氨氮摩尔比; 喷氨; 导流板优化S C R ;
型燃煤机组S C R 脱硝系统的优化调整和运行提供理论参考.
[() 中图分类号]文献标识码]A㊀ [文章编号]X ７０１㊀ [１００２Ｇ３３６４２０１６０７Ｇ００１３Ｇ０８
[/D O I 编号]１０．３９６９．i s s n ．１００２Ｇ３３６４．２０１６．０７．０１３j
流板倾角及各喷口喷氨速度, 可有效改善催化剂层入口处N H ３浓度和氨氮摩尔比分布的均匀
吕㊀ 太１, 赵学葵１, 王㊀ 潜２
N H ＧN O i x t u r e o t i m i z a t i o n f o r S C Rd e n i t r i f i c a t i o n s s t e mi na c o a l Ｇf i r e du n i t ３x m p y
(, , ; １．S c h o o l o fE n e r n dP o w e rE n i n e e r i n N o r t h e a s tD i a n l iU n i v e r s i t J i l i n１３２０１２, C h i n a g y a g g y
１１２
, , L ÜT a i Z H A O X u e k u i WA N G Q i a n
t i o no f f l o wf i e l d a n d c o m o n e n t s f i e l dw i t hd i f f e r e n t d i s c d e f l e c t o r i n s t a l l a t i o n a n l e s a n dv a r i a n t a m m o n i a p g
, i n e c t i o ns c h e m e sw a s p e r f o r m e db s i n l u e n t f l u i d c a l c u l a t i o n s o f t w a r e ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t i n c r e a s Ｇj y u g F i n h e d i s c d e f l e c t o r a n l e p r o e r l n da d u s t i n h e p a r a m e t e r so f e a c ha m m o n i a i n e c t i o ne n t r a n c ed i s Ｇg t g p y a j g t j t i n u i s h i n l n d r a t i o n a l l a n i m r o v e t h e d i s t r i b u t i o n s i t u a t i o n o fN H ３c o n c e n t r a t i o n a n d t h em o l a r r a t i o g g y a y c p
, o fN H ３t oN O t t h e c a t a l s t l a e r i n l e t t h e s t a n d a r d r e l a t i v e d e v i a t i o no fm o l a r r a t i oo fN H ３t oN O a n y y x a x c b e c o n t r o l l e dw i t h i n４％, w h i c hs a t i s f i e s t h e d e s i n a n do e r a t i o n r e u i r e m e n t sw e l l ．T h e o t i m a l s o l u t i o n s g p q p
, t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l f o r t h i s d e n i t r a t i o n s s t e m w a s e s t a b l i s h e d c o m b i n i n i t h t h e r e s u l t s o f v e l o c i t y g w y
, f i e l dc o l d t e s t i n p h s i c a lm o d e l a n d l o c a lN O o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n t e s t ．M o r e o v e r n u m e r i c a l s i m u l a Ｇy x c
:, A b s t r a c t T a k i n h eS C Rd e n i t r i f i c a t i o ns s t e m o f a６６０MW c o a l Ｇf i r e du n i t a s t h eo b e c t t os o l v es u c h g t y j
, r o b l e m s a sl a r ea m o u n to fa m m o n i ae s c a ea n da i r Ｇr e h e a t e rb l o c k a e w i t h i ns h o r to e r a t i o nt i m e a p g p p g p
, ) ２．E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c h I n s t i t u t e o f J i a n x i P r o v i n c e N a n c h a n ３００９６, C h i n a g g ３
c a n p r o v i d e a t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e t o o t i m i z a t i o n o f S C Rd e n i t r i f i c a t i o n s s t e ma n d o e r a t i o n o f l a r e Ｇs c a l e p y p g , t i o n d e f l e c t o r o t i m i z a t i o n p
c o a l Ｇf i r e du n i t s ．
:, , K e o r d s c o a l Ｇf i r e du n i t S C R , d e n i t r a t i o ns s t e m , f l o wf i e l d m o l a r r a t i oo fN H ３t oN O a m m o n i a i n e c Ｇy j x , y w 贮存及氨气(制备过程较㊀㊀ 由于液氨运输㊁ N H ３)
为安全, 因此N H ３是选择性催化还原(脱硝系S C R )
统还原剂的首选, 通常N H ３经空气稀释并通过喷氨
[]Ｇ２
. 进入催化剂格栅喷入S C R 反应器入口烟道内１
收稿日期:２０１５Ｇ１０Ｇ０６
, 作者简介:吕太(男, 硕士, 教授, 主要研究方向为大气环境保护及电站辅机优化设计. １９５７－)
:z _E Ｇm a i l x k f f c t s ＠１６３．c o m
１４
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层前N O H ３的混合程度是决定脱硝效率及氨x 和N
]３Ｇ４
. 然而, 逃逸率高低的主要因素之一[目前大型燃
煤机组普遍存在因喷氨控制不准确, S C R 反应器内
流场布置不合理, N O H ３混合不够充分等原x 和N
因造成大量氨逃逸的问题. 氨泄漏 一方面会直接给电厂带来经济损失, 另一方面还会使催化剂老化, 催化剂层积灰进而导致有效催化面积减小, 进一步加剧氨逃逸并导致空气预热器(空预器) 铵/硫盐结
]５Ｇ６
. 因此, 渣, 威胁机组安全运行[国内外科研工作
者对各种结构S C R 反应系统优化进行了大量的研究并取得了许多重要成果:刘晓敏等研究了手动调节S C R 装置入口每根喷氨支管的喷氨量对S C R 装
[]７
; 置出口N O 汤元强等x 浓度分布的优化作用效果
图１㊀ S C R 脱硝系统冷态试验物理模型F i ．１㊀ P h s i c a lm o d e l o f t h e S C Rd e n i t r a t i o n s s t e m g y y
该模型主要由进出口烟道㊁ 喷氨格栅㊁ 烟气/氨静态混合器㊁ 导流板㊁ 反应器主体以及整流器等组成. 模型主体用有机玻璃搭建, 由金属支架支撑, 通过镀锌板管道与台离心风机相连, 模拟烟气的空气由风机鼓入. 模型安装了一组示踪气体注入格栅以９个相互独立的可调节的控制区域组成, C O ２作为模拟N H ３的示踪气体通过该格栅喷入模型. 负荷下, 烟气速度场分布入口偏差C v 为１经４．１％, 分布偏差C v 为９．均在１１７％, ５％的良好分布范围内, 可见S C R 反应器内烟气的速度分布比较均匀. １．２㊀ 现场N O x 浓度分布测试
物理模型速度场冷态试验结果表明:在１００％模拟S 示踪气体注入格栅由C R 脱硝系统的流场,
研究了喷孔直径和喷氨速度对催化层入口截面上提出减小喷氨格栅喷孔直径N H ３浓度分布的影响,
N I S C H T W 和R O G E R SKG 等论述了数值模拟在
８]
; 和增加喷孔数量均有利于N H ３与烟气均匀混合[
S C R 系统优化的应用和S C R 系统优化项目实施方
９Ｇ１０]
; 案[雷达等分析了喷氨格栅处烟气速度场对电得出控制喷氨格栅处烟气流速均匀性可以提高在喷氨格栅处流速均匀S C R 内均流与混合的品质, 性控制得较好的高效S 随着喷氨格栅处流速C R 中, 不均匀性上升, 催化剂入口界面上氨氮摩尔比不均
站S C R 脱硝系统内均流与还原剂混合性能的影响,
过２层催化剂层后, 速度分布趋于均匀, 出口速度场
匀性增大且喷氨格栅处速度场与催化剂处速度场具
]１１
; 有相似性[汪洋等对导流装置结构的优化进行了
研究, 分析了导流板间距㊁ 导流板长度㊁ 与Z 轴的夹器内流场均匀性的影响
[]１２
角及第１块导流板距反应器边壁的距离对脱硝反应
然而, 将调整流场导流装置和调整喷氨参数相结合并应用于S C R 脱硝系统N H ３ＧN O x 混合优化的研究报道尚少. 对此, 本文以某６６０MW 燃煤机组S 针对氨逃逸严重和空预器运C R 脱硝系统为例, 行短时间堵塞的问题, 分别从加装圆盘导流板和调整不同导流板安装角度, 以及差异化调整氨喷口喷氨速度两个方面, 对大型燃煤机组S C R 脱硝系统优化进行研究.
.
标准»对该机组进行了S C R 反应器出口和脱硫塔出口N O 喷氨系统未投运x 浓度分布测试. 结果表明:时, 而S C R 反应器出口截面处N O x 浓度分布均匀; 证明S 反应器C R 反应器内烟气流场分布偏差很小, 内N O ＧN O x 浓度分布不均主要是由于NH ３x 混合不均导致部分N O x 未被脱除所致.
基于以上结果, 对不同导流板安装角度以及不喷氨系统投运时, 该截面处N O x 浓度分布不均匀.
«依据G 火电厂大气污染物排放B１３２２３ ２０１１
２㊀ 数值模型
同喷氨方案下的S C R 脱硝系统流场进行数值模拟.
１㊀ S C R 脱硝系统流场分布试验
１．１㊀ 物理模型冷态试验
以某６按６０MW燃煤机组S C R 脱硝系统为例, 照１ʒ １２几何相似比搭建的S C R 系统冷态试验物理模型如图１所示
.
２．１㊀ 控制方程
S C R 反应器内烟气和N H ３的混合与流动满足
]１３Ｇ１５
:以下定律[
能量守恒定律 ∂c T p ρ
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
∂(
c T ) ＝＋p j ρ∂T ∂x j
第７期吕㊀ 太等㊀ 燃煤机组S C R 脱硝系统氨氮混合优化
∂T ∂
λc ᶄ T ᶄ ＋S －ρp u j R f ＋S ∂x ∂x j j
㊀㊀ 质量守恒定律
１５
[]
() １() ２
i ρρ＋∂＝０
t ∂x i
㊀㊀ 动量守恒定律
式中, R S i 为净产生速率, i 是离散相和定义的源项带来的额外产生速率. 在湍流中质量扩散J i 为
æt öμçD , ÷
J ∇Y i i m ＋i ＝－ρ
èS c t ø
() ) Y i ＋∇g (v Y i ) ＝－∇J ８i ＋R i ＋S i (ρt ρ
i ∂p u －ρi ＋ρi g j μx ∂x x i j j
㊀㊀ 组分守恒定律
[
∂(i ρu u ＋＝i j ) ρ∂∂x i j
() ９
]
() ３
t μ, 式中, 设定缺省S c S c t 为湍流施密特数, t ＝
D t ρ
值为０．７.
烟道入口处的物质净输送量由对流量和扩散量
２．２㊀ 湍流模型
选用k 该模型可以更精Ｇε旋流修正湍流模型, 确地预测平板和圆柱射流的发散比率. 带旋流的
(c s ) ρ((() i v u c i v D r a d c ＋d ＝d ＋S g s ) s s ) s ρρ∂t
() ４
组成, 对流量由给定的各组分浓度确定, 而扩散量依据计算得到的各组分浓度场求解.
２．５㊀ 控制方程的离散及求解
在控制方程的求解过程中, 动量方程㊁ 湍流动能和湍流动能耗散率均选用一阶迎风格式, 速度和压力的耦合选用S I M P L I E C 算法.
k Ｇε方程为:
t öƏk Ə() Ə(Əæç
k ＋k u ＋÷＝＋j ) μρρx Ət x x k øi i èj
() G k ＋G b －ρε－Y M ＋S ５k
[]
３㊀ 流场均匀性评价
差系数作为评判流场均匀化的指标, 其判定公式如下:
２
æi －∇ö１ç÷
００％ˑ １ð ∇ø－１i ＝１è
根据美国R M 以流场内参数的相对偏S 标准,
(ε() C G b ＋G k ) C ２６＋ρ＋S ３εεε
k
其中:G k 是由层流速度梯度而产生的湍流动能; G b 是由浮力产生的波动; 由过Y M 为在可压缩湍流中,
C １ε
度的扩散产生的波动; σσk , ε是k 方程和ε方程的湍
[５]
. 流P r a n d t l 数１
t öƏεƏ() Ə() Əæç
ε＋εu ＋÷＋i ＝μρρx Ət x Əx εøi j j è
[]
２
C v ＝
n
() １０
式中:C n 为所测截面的v 为速度或浓度偏差系数; 测点数; v ∇为所测截i 为对应测点的浓度或速度; 面的浓度平均值或速度平均值, 相应计算公式为１
∇＝ð v i .
n i ＝１
n
２．３㊀ 多孔介质模型
为节约运算资源和运算时间, 将催化剂层简化为多孔介质模型. 描述多孔介质模型的动量方程附及内部损失项:
) 加了动量源项. 动量源项包括黏性损失项(D a r c y １() νν７j |j ρ|２j ＝１j ＝１
式中, S i 坐标轴方向的动量源项, D 及C 为规定i 是的矩阵.
格, 氨氮摩尔比C ２０％为良好, C １５％为优秀; v ＜v ＜分布偏差系数C 则N H ３与N O ５％, x 混合均匀ρ＜性比较好.
依据R M 流场速度分布, S 标准:C ２５％为合v ＜
S i ＝
ν＋ð C ð D μ
i j
j
３３
i j
４㊀ 物理模型和边界条件
４．１㊀ 数值模拟物理模型建立
按照１运用G ʒ １的比例, A M B I T 软件建立的该
２．４㊀ 通用有限速率模型
选用通用有限速率模型模拟各组分在流动中的混合情况, 重点研究S C R 脱硝系统内的烟气流场分布, 不考虑S C R 脱硝过程的化学反应. 通过求解化第i 种物质的质量分数通过相应物质的对流扩散方程预估, 组分守恒方程采用如下通用形式:学物质的守恒方程得到组分之间的混合状况,
S C R 脱硝系统三维模型如图２所示. 反应器进口烟
道烟气入口处截面尺寸为３喷氨段．２０mˑ１０．００m, 烟道截面尺寸为３其中喷氨格栅布．２０mˑ１３．９５m, 置于Z ＝４５．１５５m和Z ＝４６．９１７m截面处. 图３为喷氨格栅结构, 下层喷氨管尺寸为D ７６．０m mˑ
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
上层喷氨管尺寸为D ７１．５m, ６．０mmˑ ２．５m. 单层催化剂尺寸为１１．２００mˑ１３．９５０mˑ０．８７５m.
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３个方向惯性阻力系数分别为９０m －１, ９０m －１,
孔隙率为０．３５m－１, ６５. 第二层催化剂流动方向的黏性阻力系数为０．３m－２, X , Y , Z ３个方向惯性阻力系数分别为８孔隙率为０m －１, ８０m －１, ３０m －１, ０．６５. 第三层催化剂流动方向的黏性阻力系数为
０．３m －２, X , Y , Z ３个方向惯性阻力系数分别为
５㊀ 模拟结果及分析
孔隙率为０．７０m－１, ７０m－１, ２５m－１, ６５.
５．１㊀ 网格无关性验证
分别选取２０５万㊁ ３１３万㊁ ４４８万３个网格数目,
图２㊀ S C R 脱硝系统的数值模拟物理模型F i ．２㊀ S c h e m a t i c d i a r a mo f t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n g g
h s i c a lm o d e l o f t h e S C Rd e n i t r a t i o n s s t e
m p y y
将建立的数值模拟物理模型导入A N S Y SF l u e n t １４中进行模拟, 其他边界条件的设置保持一致. 模拟负荷运行B M C R 工况下的设计参数.
中设定边界条件时所用到的烟气参数均采用机组满
为方便查看结果及分析, 选取２个典型截面:截
面１为反应器正中垂直截面Y ＝８．截面２为０５５m; ３种网格数目条件下模拟得到的上述２个截面的烟气速度分布如图４所示
.
反应器第一层催化剂层入口截面Z ＝４９．４３７５m .
图３㊀ 喷氨格栅结构
F i ．３㊀ T h e a m m o n i a i n e c t i o n g r i d c o n s t r u c t i o n g j
采用分区域方式进行网格划分, 对主要计算区域采用四面体和六面体相结合的混合网格进行加密处理.
４．２㊀ 边界条件设置
将烟气在S C R 反应器内的流动视为稳态流动. 对S C R 反应器进行边界条件设定.
) 烟气入口:定义为速度入口边界, 烟气入口速１
/, 度为２温度为６０ms ５７K.
) 定义为p ２S C R 脱硝反应器出口:r e s s u r eo u t Ｇ
, 出口压力设置为－３固体壁面和l e t 边界条件, ０Pa
. 导流板均设为w a l l 温度为２９３K.
/) 图４㊀ S C R 反应器内２个典型截面烟气速度分布(m s /) F i ．４㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no n p r o f i l e １an d p r o f i l e ２(m s g y d
) 喷氨入口:采用速度入口条件, 锅炉最大连续３
/, 出力(工况下NH ３入口速度为１B M C R ) ５．５m s ) 催化剂层:设定为多孔介质模型, 混合气在催４
化剂层内的流动设为层流. 反应器入口催化剂层内流动方向的黏性阻力系数设为０．３m －２, X , Y , Z
面２的流场分布较均匀, 且速度分布均匀性相差不图４中, 反应器内局部速度分布不均匀是由第一层的扰动作用所致, 且加强混合气流扰动更有利于
由图４可知, ３种网格数目条件下截面１和截
大, 这与物理模型烟气速度场冷态试验结果一致. 和第二层的喷氨入口喷管和圆盘导流板对混合烟气
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n
㊀ p p p
第７期吕㊀ 太等㊀ 燃煤机组S C R 脱硝系统氨氮混合优化
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N H ３和N O x 混合均匀.
度分布均匀性; 通过调整导流板与烟气流动方向的夹角可以调节导流板后混合烟气的扰动强度
.
的压力分布. 由图５可见:３种条件下反应器内压力分布规律几乎相同; 混合烟气通过第一层催化剂, 与电厂采集数据相符
. １２０Pa
, 的压降接近１通过第二层催化剂的压降约为４１Pa
图５为３种网格数目条件下S C R 反应器截面１
图７㊀ 不同圆盘导流板倾角下反应器弯道处几何模型
F i ．７㊀ G e o m e t r i cm o d e l s o f t h e r e a c t o r b e n d g
㊀㊀
) 图５㊀ 截面１压力分布(P a
) F i ．５㊀ P r e s s u r e d i s t r i b u t i o no n p r o f i l e １(P a g
截面２上氨氮摩尔比分布. 由图６可见:３种网格条件下截面２的氨氮摩尔比分布均匀性极其一致, 均是催化剂层入口右后角处氨氮摩尔比较高, 在反应器前侧壁面中间稍偏右的位置氨氮摩尔比较低, 其余位置氨氮摩尔比分布趋近均匀. 而由上述分析可知, 反应器内烟气速度场分布比较均匀, 所以氨氮摩尔比分布不均并非反应器内混合烟气充满度不够造成, 而是由于氨气和烟气混合程度不够, 所以有必要对喷氨参数和喷氨格栅后的圆盘导流板倾角进行优化
.
图６给出了３种网格数目条件下S C R 反应器内
时, 其主要发挥导流作用, 弯道内和反应器入口２５ʎ
处混合烟气速度分布更均匀; 导流板倾角为４时５ʎ 其主要发挥加强混合烟气扰动的作用, 导流板后速度场扰动加剧, 导流板后一段距离内烟气速度均匀性受到一定影响, 但是经过S C R 反应器入口导流板组和整流器的共同作用, 烟气均匀性得了到较大程度的恢复, 调大圆盘导流板倾角对第一层催化剂入口处速度分布影响较小
.
气速度分布. 由图８㊁ 图９可以看出:导流板倾角为
图８和图９分别为截面１与截面２上Z 方向烟
/) 图８㊀ 不同圆盘导流板倾角下截面１烟气速度分布(m s F i ．８㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no f t h e f l u e g a s o n p r o f i l e １g y d
/)
w i t hd i f f e r e n t u i d e p l a t e a n l e s (m s
g g
图６㊀ 截面２氨氮摩尔比分布
F i ．６㊀ D i s t r i b u t i o no fm o l a r r a t i o o fN H oN O n p r o f i l e ２３t x o g
㊀㊀
由以上分析可知, 网格数量对模拟结果影响不大, 且本文所建数值模型能够较准确地模拟实际工况. 但是由于网格数量过大, 计算机的运行时间更长, 运行能力要求更高, 综合考虑, 本文后续优化模５．２㊀ 不同圆盘导流板倾角的模拟结果
图７为圆盘导流板倾角分别为２和４时反应５ʎ ５ʎ 器弯道数值模拟几何模型. 由图７可见:圆盘导流板对混合烟气具有导流作用, 可以调节导流板后流场速拟均采取３１３万的网格数量.
㊀㊀
/) 图９㊀ 不同圆盘导流板倾角下截面２上Z 方向烟气速度分布(m s
F i ．９㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no f t h e f l u e g a s o n Z d i r e c t i o n g y d
/) o f p r o f i l e ２wi t hd i f f e r e n t u i d e p l a t e a n l e s (m s g g
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
图１０和图１１为反应器截面１和截面２的氨氮
１８
热㊀ 力㊀ 发㊀ 电２０１６年
摩尔比和N H ３浓度分布. 由图１图１０㊁ １可以看出, 圆盘导流板倾角为４时, 两个截面的N H ３浓５ʎ 度分布和氨氮摩尔比分布均比导流板倾角为２时５ʎ 均匀. 催化剂层入口面右后角处的高氨氮摩尔比区明显减小, 几乎消失; 反应器前侧壁面中间稍偏右位置的低氨氮摩尔比区也有很大程度的减小. 可见, 调大导流板倾角后, 由于导流板后速度场扰动加剧, N O x 的混合状况
.
促进了N H ３和N O 有效地改善了N H ３和x 的混合,
图１１㊀ 截面２氨氮摩尔比和N H ３浓度分布F i ．１１㊀ M o l a r r a t i o o fN H oN O n dN H o l e ３t x a ３m g
c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no n p r o f i l e ２
５．３㊀ 不同喷氨速度的模拟结果
除圆盘导流板倾角外, 喷氨速度对于S C R 反应性也具有很大影响. 表１列举了３种不同喷氨方案:各方案模拟参数设置均以机组B M C R 工况参数
图１０㊀ 截面１氨氮摩尔比和N H ３浓度分布F i ．１０㊀ M o l a r r a t i o o fN H oN O n dN H o l e ３t x a ３m g
c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no n p r o f i l e
１
器内第一层催化剂入口截面氨氮摩尔比的分布均匀
/, 为准, 烟气入口温度为６速度为２喷氨５７K㊁ ０m s 入口温度为２改变喷氨入口的速度参数. 其９３K , 中, 方案３是在基于对方案１和方案２模拟结果的对比分析下提出.
表１㊀ ３种喷氨方案喷氨入口速度
T a b l e １㊀ S e e do f t h e f l u e g a s a t a m m o n i a i n e c t i o n e n t r a n c e i n t h r e e s c h e m e s p j
项目上层喷氨入口下层喷氨入口
全部喷口１５．５１５．５方案１
全部喷口１４．５１６．５方案２
喷口１１４．５１５．５
喷口２１４．０１５．０
喷口３１６．５１６．５
喷口４１５．５１７．０
方案３喷口５１５．５１７．０
喷口６１５．０１６．５
喷口７１４．５１７．０
喷口８１３．５１６．５
/m s
喷口９１３．５１５．５
㊀㊀ 图１２和图１３为３种方案下S C R 反应器截面１
和截面２Z 方向烟气速度分布规律, 可见三者速度分布均匀性相差不大. 这主要是因为相对于混合气体总量而言, 氨气所占的比例较小, 所以在喷氨总量不变的情况下, 改变各喷口的喷氨速度对整个脱硝系统整体速度分布均匀性的影响比较小, 仅对喷氨格栅段的速度分布影响较大
.
/) 图１２㊀ 截面１烟气速度分布(m s
/) F i ．１２㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no f f l u e g a s o n p r o f i l e １(m s g y d
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
第７期吕㊀ 太等㊀ 燃煤机组S C R 脱硝系统氨氮混合优化
１９
/) 图１３㊀ 截面２上Z 方向烟气速度分布(m s F i ．１３㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no f f l u e g a s o n Z g y d
/) d i r e c t i o no f p r o f i l e ２(m s
面２的氨氮摩尔比分布及N H ３浓度分布. 对比方
案１和方案２可知, 在下层喷氨速度稍大于上层喷氨速度的情况下, 反应器截面１和截面２的N H ３浓度和氨氮摩尔比分布的均匀性均有明显改善. 这是由于增大下层N H ３喷入量, 相应地减小上层N H ３喷入量, 相当于延长N H ３与烟气的混合时间, 使二者混合更加充分.
方案３是对方案１和方案２的优化, 即在下层
图１５㊀ 截面２的氨氮摩尔比和N H ３浓度分布F i ．１５㊀ M o l a r r a t i o o fN H oN O n dN H o l e ３t x a ３m g
c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no n p r o f i l e ２
图１４和图１５为３种喷氨方案下截面１和截
喷氨速度稍大于上层喷氨速度的基础上, 对每层各喷口的喷氨速度进行调整, 喷氨入口１, ２, ８, ９号喷口的速度稍小, 喷氨３, ４, ５号喷口的速度相对较大, S C R 反应器入口弯道处圆盘导流板的阻挡形成了
回流区, 加剧了烟气的扰动, 加强了N H ３和烟气的比控制在最佳范围内
.
速度分布呈现中间速度大两端速度稍小. 这是由于
, 面２的分布均比较均匀, 明显优于方案１和方案２消
除了第一层催化剂入口截面上右后角处的高N H ３浓度和高氨氮摩尔比区以及反应器前侧壁面中间稍偏右位置的低N H ３浓度和低氨氮摩尔比区. 条线上的氨氮摩尔比, 如图１６所示
.
在S C R 反应器内第一层催化剂截面对应喷氨
方案３中N H ３浓度和氨氮摩尔比在截面１和截
管等距离截取９条平行于X 轴方向的线, 比较这几
混合, 所以依据方案３调节喷氨参数, 能将氨氮摩尔
图１４㊀ 截面１的氨氮摩尔比和N H ３浓度分布F i ．１４㊀ M o l a r r a t i o o fN H oN O n dN H o l e ３t x a ３m g
c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no n p r o f i l e
１
图１６㊀ ９条取样线上的氨氮摩尔比/F i ．１６㊀ N H N O o l e r a t i o o f t w o s a m l e s ３x m g p
o nn i n e s a m l i n l i n e s p g
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n
㊀ p p p
２０
热㊀ 力㊀ 发㊀ 电２０１６年
o fa S C R d e n i t r i f i c a t i o ns s t e m f o rc o a l Ｇf i r e d p o w e r y []l a n t s J ．J o u r n a lo fC h i n e s eS o c i e t fP o w e rE n i Ｇp y o g , () :n e e r i n ２０１０, ３０６３３９Ｇ４４３．g
, , X U X u Y I N GJ i a n WA N G X i n l o n ．P e r f o r m a n c e t e s t g
优于方案２很多. 因此, 方案３对S C R 系统内氨氮
从图１方案３的氨氮摩尔比均匀度６可以看出:
６㊀ 结㊀ 论
摩尔比和N H ３浓度的分布优化起到了极大的作用. ) 本文研究的S １C R 脱硝系统内烟气速度场分布比较均匀. 造成脱硝效率偏低和氨逃逸较为严重
[]沈伯雄, 杨晓燕, 等．烟气选择性催化还原脱硝的６㊀ 赵宁,
２１７０．
]:数值模拟研究进展[化工进展, J ．２０１０(１１) ２１６５Ｇ
的主要原因是N H ３和烟气混合程度不够, 大量
N H ３不能与N O x 反应.
, , , Z HA O N i n S H E N B o x i o n Y A N G X i a o a n e ta l ．g g y R e s e a r c h p r o r e s s i nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n f o r f l u e g a s g
) 适当调大圆盘导流板的倾角能够加强其后烟２气扰动, 使N H ３与N O x 在反应器内混合更为充分, 混合气体的速度在Z 方向分布更均匀, 有利于N H ３与N O x 在催化剂层中的反应.
) 按照下层氨喷口喷氨速度大, 上层氨喷口喷３
氨速度小, 两侧氨喷口喷氨速度小, 中间氨喷口喷氨速度大的喷氨方式, 对每层各氨喷口喷氨速度进行合理地差异化调整, 可以很好地改善氨氮摩尔比和
d e n i t r i f i c a t i o nu s i n e l e c t i v ec a t a l t i cr e d u c t i o n [J ]．g s y , C h e m i c a lI n d u s t r n d E n i n e e r i n r o r e s s ２０１０y a g g P g () :１１２１６５Ｇ２１７０．
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() :４１７８１Ｇ８３．
[], S C Re u i m e n t J ．T h e r m a lP o w e rG e n e r a t i o n ２０１２, q p
N H ３浓度分布均匀性.
) 实际运行中可将调大圆盘导流板倾角和合理４地差异化调整喷氨参数的方式相结合, 以便更好地满足S 从而保证S C R 系统设计和运行指标, C R 系统的脱硝效率, 有效控制S C R 脱硝系统的氨逃逸率.
[参㊀ 考㊀ 文㊀ 献]
s i no t i m i z a t i o n o fa m m o n i ai n e c t i o n g r i di n S C R g p j () :２０１３, ４２３５８Ｇ６２．
], d e n i t r i f i c a t i o n s s t e m [J ．T h e r m a lP o w e rG e n e r a t i o n y
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n u m e r i c a l s t i m u l a t i o n o f f l o wf i e l d i n t h e d e n i t r i f i c a t i o n
(下转第２６页)
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
２６
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H e a t t r a n s f e r a n d r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o r r u a Ｇg
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(责任编辑㊀ 徐福英)
(上接第２０页)
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m e r i c a l s i m u l a t i o no f d i f f e r e n t g u i d e p l a t e s i ns e l e c t i v e
[]蒋新伟．变截面烟道S １５㊀ C R 烟气脱硝反应器整流装置的
J I A N G X i n w e i ．O t i m i z a t i o n s t u d n r e c t i f i n e v i c e p y o y g d :H a n z h o u Z h e i a n n i v e r s i t ０１０:２５Ｇ６６(i n C h i Ｇg j g U y ２优化研究[杭州:浙江大学, D ]．２０１０:２５Ｇ６６．
[]o w e r p l a n t J ．E l e c t r i cP o w e rE n v i r o n m e n t a lP r o t e c Ｇp
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Z HA O D o n x i a n ．P e r f o r m a n c eo t i m i z a t i o na n dv e r i f i Ｇg p 京:清华大学, ２０１０:５７Ｇ６１．
(责任编辑㊀ 李园)
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
第４５卷㊀ 第７期
２０１６年７月
T H E R MA LP OW E R G E N E R A T I O N
热㊀ 力㊀ 发㊀ 电
V o l ４５㊀N o ７
J u l ０１６y ２
燃煤机组S C R 脱硝系统氨氮混合优化
(东北电力大学能源与动力工程学院, 吉林吉林㊀ １１．３２０１２;
) 江西省电力科学研究院, 江西南昌㊀ ３２．３００９６
[摘㊀㊀㊀ 要]以某电厂６脱硝系统为研究对象, 针对氨逃逸严重㊁ ６０MW 燃煤机组选择性催化还原(S C R )
空气预热器(空预器) 运行短时间堵塞的问题, 结合物理模型速度场冷态试验及现场N O x 浓度分布测试试验, 建立了该脱硝系统的三维模型, 并运用F l u e n t 软件模拟了不同圆盘导流板安装角度及不同喷氨方案下该S 适当调大圆盘导C R 脱硝系统烟气流场和组分分布. 结果表明, 性, 使催化剂层入口处氨氮摩尔比相对标准偏差控制在４％以下, 满足设计和运行要求, 为大
[关㊀ 键㊀ 词]燃煤机组; 脱硝系统; 烟气流场; 氨氮摩尔比; 喷氨; 导流板优化S C R ;
型燃煤机组S C R 脱硝系统的优化调整和运行提供理论参考.
[() 中图分类号]文献标识码]A㊀ [文章编号]X ７０１㊀ [１００２Ｇ３３６４２０１６０７Ｇ００１３Ｇ０８
[/D O I 编号]１０．３９６９．i s s n ．１００２Ｇ３３６４．２０１６．０７．０１３j
流板倾角及各喷口喷氨速度, 可有效改善催化剂层入口处N H ３浓度和氨氮摩尔比分布的均匀
吕㊀ 太１, 赵学葵１, 王㊀ 潜２
N H ＧN O i x t u r e o t i m i z a t i o n f o r S C Rd e n i t r i f i c a t i o n s s t e mi na c o a l Ｇf i r e du n i t ３x m p y
(, , ; １．S c h o o l o fE n e r n dP o w e rE n i n e e r i n N o r t h e a s tD i a n l iU n i v e r s i t J i l i n１３２０１２, C h i n a g y a g g y
１１２
, , L ÜT a i Z H A O X u e k u i WA N G Q i a n
t i o no f f l o wf i e l d a n d c o m o n e n t s f i e l dw i t hd i f f e r e n t d i s c d e f l e c t o r i n s t a l l a t i o n a n l e s a n dv a r i a n t a m m o n i a p g
, i n e c t i o ns c h e m e sw a s p e r f o r m e db s i n l u e n t f l u i d c a l c u l a t i o n s o f t w a r e ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t i n c r e a s Ｇj y u g F i n h e d i s c d e f l e c t o r a n l e p r o e r l n da d u s t i n h e p a r a m e t e r so f e a c ha m m o n i a i n e c t i o ne n t r a n c ed i s Ｇg t g p y a j g t j t i n u i s h i n l n d r a t i o n a l l a n i m r o v e t h e d i s t r i b u t i o n s i t u a t i o n o fN H ３c o n c e n t r a t i o n a n d t h em o l a r r a t i o g g y a y c p
, o fN H ３t oN O t t h e c a t a l s t l a e r i n l e t t h e s t a n d a r d r e l a t i v e d e v i a t i o no fm o l a r r a t i oo fN H ３t oN O a n y y x a x c b e c o n t r o l l e dw i t h i n４％, w h i c hs a t i s f i e s t h e d e s i n a n do e r a t i o n r e u i r e m e n t sw e l l ．T h e o t i m a l s o l u t i o n s g p q p
, t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l f o r t h i s d e n i t r a t i o n s s t e m w a s e s t a b l i s h e d c o m b i n i n i t h t h e r e s u l t s o f v e l o c i t y g w y
, f i e l dc o l d t e s t i n p h s i c a lm o d e l a n d l o c a lN O o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n t e s t ．M o r e o v e r n u m e r i c a l s i m u l a Ｇy x c
:, A b s t r a c t T a k i n h eS C Rd e n i t r i f i c a t i o ns s t e m o f a６６０MW c o a l Ｇf i r e du n i t a s t h eo b e c t t os o l v es u c h g t y j
, r o b l e m s a sl a r ea m o u n to fa m m o n i ae s c a ea n da i r Ｇr e h e a t e rb l o c k a e w i t h i ns h o r to e r a t i o nt i m e a p g p p g p
, ) ２．E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c h I n s t i t u t e o f J i a n x i P r o v i n c e N a n c h a n ３００９６, C h i n a g g ３
c a n p r o v i d e a t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e t o o t i m i z a t i o n o f S C Rd e n i t r i f i c a t i o n s s t e ma n d o e r a t i o n o f l a r e Ｇs c a l e p y p g , t i o n d e f l e c t o r o t i m i z a t i o n p
c o a l Ｇf i r e du n i t s ．
:, , K e o r d s c o a l Ｇf i r e du n i t S C R , d e n i t r a t i o ns s t e m , f l o wf i e l d m o l a r r a t i oo fN H ３t oN O a m m o n i a i n e c Ｇy j x , y w 贮存及氨气(制备过程较㊀㊀ 由于液氨运输㊁ N H ３)
为安全, 因此N H ３是选择性催化还原(脱硝系S C R )
统还原剂的首选, 通常N H ３经空气稀释并通过喷氨
[]Ｇ２
. 进入催化剂格栅喷入S C R 反应器入口烟道内１
收稿日期:２０１５Ｇ１０Ｇ０６
, 作者简介:吕太(男, 硕士, 教授, 主要研究方向为大气环境保护及电站辅机优化设计. １９５７－)
:z _E Ｇm a i l x k f f c t s ＠１６３．c o m
１４
热㊀ 力㊀ 发㊀ 电２０１６年
层前N O H ３的混合程度是决定脱硝效率及氨x 和N
]３Ｇ４
. 然而, 逃逸率高低的主要因素之一[目前大型燃
煤机组普遍存在因喷氨控制不准确, S C R 反应器内
流场布置不合理, N O H ３混合不够充分等原x 和N
因造成大量氨逃逸的问题. 氨泄漏 一方面会直接给电厂带来经济损失, 另一方面还会使催化剂老化, 催化剂层积灰进而导致有效催化面积减小, 进一步加剧氨逃逸并导致空气预热器(空预器) 铵/硫盐结
]５Ｇ６
. 因此, 渣, 威胁机组安全运行[国内外科研工作
者对各种结构S C R 反应系统优化进行了大量的研究并取得了许多重要成果:刘晓敏等研究了手动调节S C R 装置入口每根喷氨支管的喷氨量对S C R 装
[]７
; 置出口N O 汤元强等x 浓度分布的优化作用效果
图１㊀ S C R 脱硝系统冷态试验物理模型F i ．１㊀ P h s i c a lm o d e l o f t h e S C Rd e n i t r a t i o n s s t e m g y y
该模型主要由进出口烟道㊁ 喷氨格栅㊁ 烟气/氨静态混合器㊁ 导流板㊁ 反应器主体以及整流器等组成. 模型主体用有机玻璃搭建, 由金属支架支撑, 通过镀锌板管道与台离心风机相连, 模拟烟气的空气由风机鼓入. 模型安装了一组示踪气体注入格栅以９个相互独立的可调节的控制区域组成, C O ２作为模拟N H ３的示踪气体通过该格栅喷入模型. 负荷下, 烟气速度场分布入口偏差C v 为１经４．１％, 分布偏差C v 为９．均在１１７％, ５％的良好分布范围内, 可见S C R 反应器内烟气的速度分布比较均匀. １．２㊀ 现场N O x 浓度分布测试
物理模型速度场冷态试验结果表明:在１００％模拟S 示踪气体注入格栅由C R 脱硝系统的流场,
研究了喷孔直径和喷氨速度对催化层入口截面上提出减小喷氨格栅喷孔直径N H ３浓度分布的影响,
N I S C H T W 和R O G E R SKG 等论述了数值模拟在
８]
; 和增加喷孔数量均有利于N H ３与烟气均匀混合[
S C R 系统优化的应用和S C R 系统优化项目实施方
９Ｇ１０]
; 案[雷达等分析了喷氨格栅处烟气速度场对电得出控制喷氨格栅处烟气流速均匀性可以提高在喷氨格栅处流速均匀S C R 内均流与混合的品质, 性控制得较好的高效S 随着喷氨格栅处流速C R 中, 不均匀性上升, 催化剂入口界面上氨氮摩尔比不均
站S C R 脱硝系统内均流与还原剂混合性能的影响,
过２层催化剂层后, 速度分布趋于均匀, 出口速度场
匀性增大且喷氨格栅处速度场与催化剂处速度场具
]１１
; 有相似性[汪洋等对导流装置结构的优化进行了
研究, 分析了导流板间距㊁ 导流板长度㊁ 与Z 轴的夹器内流场均匀性的影响
[]１２
角及第１块导流板距反应器边壁的距离对脱硝反应
然而, 将调整流场导流装置和调整喷氨参数相结合并应用于S C R 脱硝系统N H ３ＧN O x 混合优化的研究报道尚少. 对此, 本文以某６６０MW 燃煤机组S 针对氨逃逸严重和空预器运C R 脱硝系统为例, 行短时间堵塞的问题, 分别从加装圆盘导流板和调整不同导流板安装角度, 以及差异化调整氨喷口喷氨速度两个方面, 对大型燃煤机组S C R 脱硝系统优化进行研究.
.
标准»对该机组进行了S C R 反应器出口和脱硫塔出口N O 喷氨系统未投运x 浓度分布测试. 结果表明:时, 而S C R 反应器出口截面处N O x 浓度分布均匀; 证明S 反应器C R 反应器内烟气流场分布偏差很小, 内N O ＧN O x 浓度分布不均主要是由于NH ３x 混合不均导致部分N O x 未被脱除所致.
基于以上结果, 对不同导流板安装角度以及不喷氨系统投运时, 该截面处N O x 浓度分布不均匀.
«依据G 火电厂大气污染物排放B１３２２３ ２０１１
２㊀ 数值模型
同喷氨方案下的S C R 脱硝系统流场进行数值模拟.
１㊀ S C R 脱硝系统流场分布试验
１．１㊀ 物理模型冷态试验
以某６按６０MW燃煤机组S C R 脱硝系统为例, 照１ʒ １２几何相似比搭建的S C R 系统冷态试验物理模型如图１所示
.
２．１㊀ 控制方程
S C R 反应器内烟气和N H ３的混合与流动满足
]１３Ｇ１５
:以下定律[
能量守恒定律 ∂c T p ρ
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
∂(
c T ) ＝＋p j ρ∂T ∂x j
第７期吕㊀ 太等㊀ 燃煤机组S C R 脱硝系统氨氮混合优化
∂T ∂
λc ᶄ T ᶄ ＋S －ρp u j R f ＋S ∂x ∂x j j
㊀㊀ 质量守恒定律
１５
[]
() １() ２
i ρρ＋∂＝０
t ∂x i
㊀㊀ 动量守恒定律
式中, R S i 为净产生速率, i 是离散相和定义的源项带来的额外产生速率. 在湍流中质量扩散J i 为
æt öμçD , ÷
J ∇Y i i m ＋i ＝－ρ
èS c t ø
() ) Y i ＋∇g (v Y i ) ＝－∇J ８i ＋R i ＋S i (ρt ρ
i ∂p u －ρi ＋ρi g j μx ∂x x i j j
㊀㊀ 组分守恒定律
[
∂(i ρu u ＋＝i j ) ρ∂∂x i j
() ９
]
() ３
t μ, 式中, 设定缺省S c S c t 为湍流施密特数, t ＝
D t ρ
值为０．７.
烟道入口处的物质净输送量由对流量和扩散量
２．２㊀ 湍流模型
选用k 该模型可以更精Ｇε旋流修正湍流模型, 确地预测平板和圆柱射流的发散比率. 带旋流的
(c s ) ρ((() i v u c i v D r a d c ＋d ＝d ＋S g s ) s s ) s ρρ∂t
() ４
组成, 对流量由给定的各组分浓度确定, 而扩散量依据计算得到的各组分浓度场求解.
２．５㊀ 控制方程的离散及求解
在控制方程的求解过程中, 动量方程㊁ 湍流动能和湍流动能耗散率均选用一阶迎风格式, 速度和压力的耦合选用S I M P L I E C 算法.
k Ｇε方程为:
t öƏk Ə() Ə(Əæç
k ＋k u ＋÷＝＋j ) μρρx Ət x x k øi i èj
() G k ＋G b －ρε－Y M ＋S ５k
[]
３㊀ 流场均匀性评价
差系数作为评判流场均匀化的指标, 其判定公式如下:
２
æi －∇ö１ç÷
００％ˑ １ð ∇ø－１i ＝１è
根据美国R M 以流场内参数的相对偏S 标准,
(ε() C G b ＋G k ) C ２６＋ρ＋S ３εεε
k
其中:G k 是由层流速度梯度而产生的湍流动能; G b 是由浮力产生的波动; 由过Y M 为在可压缩湍流中,
C １ε
度的扩散产生的波动; σσk , ε是k 方程和ε方程的湍
[５]
. 流P r a n d t l 数１
t öƏεƏ() Ə() Əæç
ε＋εu ＋÷＋i ＝μρρx Ət x Əx εøi j j è
[]
２
C v ＝
n
() １０
式中:C n 为所测截面的v 为速度或浓度偏差系数; 测点数; v ∇为所测截i 为对应测点的浓度或速度; 面的浓度平均值或速度平均值, 相应计算公式为１
∇＝ð v i .
n i ＝１
n
２．３㊀ 多孔介质模型
为节约运算资源和运算时间, 将催化剂层简化为多孔介质模型. 描述多孔介质模型的动量方程附及内部损失项:
) 加了动量源项. 动量源项包括黏性损失项(D a r c y １() νν７j |j ρ|２j ＝１j ＝１
式中, S i 坐标轴方向的动量源项, D 及C 为规定i 是的矩阵.
格, 氨氮摩尔比C ２０％为良好, C １５％为优秀; v ＜v ＜分布偏差系数C 则N H ３与N O ５％, x 混合均匀ρ＜性比较好.
依据R M 流场速度分布, S 标准:C ２５％为合v ＜
S i ＝
ν＋ð C ð D μ
i j
j
３３
i j
４㊀ 物理模型和边界条件
４．１㊀ 数值模拟物理模型建立
按照１运用G ʒ １的比例, A M B I T 软件建立的该
２．４㊀ 通用有限速率模型
选用通用有限速率模型模拟各组分在流动中的混合情况, 重点研究S C R 脱硝系统内的烟气流场分布, 不考虑S C R 脱硝过程的化学反应. 通过求解化第i 种物质的质量分数通过相应物质的对流扩散方程预估, 组分守恒方程采用如下通用形式:学物质的守恒方程得到组分之间的混合状况,
S C R 脱硝系统三维模型如图２所示. 反应器进口烟
道烟气入口处截面尺寸为３喷氨段．２０mˑ１０．００m, 烟道截面尺寸为３其中喷氨格栅布．２０mˑ１３．９５m, 置于Z ＝４５．１５５m和Z ＝４６．９１７m截面处. 图３为喷氨格栅结构, 下层喷氨管尺寸为D ７６．０m mˑ
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
上层喷氨管尺寸为D ７１．５m, ６．０mmˑ ２．５m. 单层催化剂尺寸为１１．２００mˑ１３．９５０mˑ０．８７５m.
１６
热㊀ 力㊀ 发㊀ 电２０１６年
３个方向惯性阻力系数分别为９０m －１, ９０m －１,
孔隙率为０．３５m－１, ６５. 第二层催化剂流动方向的黏性阻力系数为０．３m－２, X , Y , Z ３个方向惯性阻力系数分别为８孔隙率为０m －１, ８０m －１, ３０m －１, ０．６５. 第三层催化剂流动方向的黏性阻力系数为
０．３m －２, X , Y , Z ３个方向惯性阻力系数分别为
５㊀ 模拟结果及分析
孔隙率为０．７０m－１, ７０m－１, ２５m－１, ６５.
５．１㊀ 网格无关性验证
分别选取２０５万㊁ ３１３万㊁ ４４８万３个网格数目,
图２㊀ S C R 脱硝系统的数值模拟物理模型F i ．２㊀ S c h e m a t i c d i a r a mo f t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n g g
h s i c a lm o d e l o f t h e S C Rd e n i t r a t i o n s s t e
m p y y
将建立的数值模拟物理模型导入A N S Y SF l u e n t １４中进行模拟, 其他边界条件的设置保持一致. 模拟负荷运行B M C R 工况下的设计参数.
中设定边界条件时所用到的烟气参数均采用机组满
为方便查看结果及分析, 选取２个典型截面:截
面１为反应器正中垂直截面Y ＝８．截面２为０５５m; ３种网格数目条件下模拟得到的上述２个截面的烟气速度分布如图４所示
.
反应器第一层催化剂层入口截面Z ＝４９．４３７５m .
图３㊀ 喷氨格栅结构
F i ．３㊀ T h e a m m o n i a i n e c t i o n g r i d c o n s t r u c t i o n g j
采用分区域方式进行网格划分, 对主要计算区域采用四面体和六面体相结合的混合网格进行加密处理.
４．２㊀ 边界条件设置
将烟气在S C R 反应器内的流动视为稳态流动. 对S C R 反应器进行边界条件设定.
) 烟气入口:定义为速度入口边界, 烟气入口速１
/, 度为２温度为６０ms ５７K.
) 定义为p ２S C R 脱硝反应器出口:r e s s u r eo u t Ｇ
, 出口压力设置为－３固体壁面和l e t 边界条件, ０Pa
. 导流板均设为w a l l 温度为２９３K.
/) 图４㊀ S C R 反应器内２个典型截面烟气速度分布(m s /) F i ．４㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no n p r o f i l e １an d p r o f i l e ２(m s g y d
) 喷氨入口:采用速度入口条件, 锅炉最大连续３
/, 出力(工况下NH ３入口速度为１B M C R ) ５．５m s ) 催化剂层:设定为多孔介质模型, 混合气在催４
化剂层内的流动设为层流. 反应器入口催化剂层内流动方向的黏性阻力系数设为０．３m －２, X , Y , Z
面２的流场分布较均匀, 且速度分布均匀性相差不图４中, 反应器内局部速度分布不均匀是由第一层的扰动作用所致, 且加强混合气流扰动更有利于
由图４可知, ３种网格数目条件下截面１和截
大, 这与物理模型烟气速度场冷态试验结果一致. 和第二层的喷氨入口喷管和圆盘导流板对混合烟气
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n
㊀ p p p
第７期吕㊀ 太等㊀ 燃煤机组S C R 脱硝系统氨氮混合优化
１７
N H ３和N O x 混合均匀.
度分布均匀性; 通过调整导流板与烟气流动方向的夹角可以调节导流板后混合烟气的扰动强度
.
的压力分布. 由图５可见:３种条件下反应器内压力分布规律几乎相同; 混合烟气通过第一层催化剂, 与电厂采集数据相符
. １２０Pa
, 的压降接近１通过第二层催化剂的压降约为４１Pa
图５为３种网格数目条件下S C R 反应器截面１
图７㊀ 不同圆盘导流板倾角下反应器弯道处几何模型
F i ．７㊀ G e o m e t r i cm o d e l s o f t h e r e a c t o r b e n d g
㊀㊀
) 图５㊀ 截面１压力分布(P a
) F i ．５㊀ P r e s s u r e d i s t r i b u t i o no n p r o f i l e １(P a g
截面２上氨氮摩尔比分布. 由图６可见:３种网格条件下截面２的氨氮摩尔比分布均匀性极其一致, 均是催化剂层入口右后角处氨氮摩尔比较高, 在反应器前侧壁面中间稍偏右的位置氨氮摩尔比较低, 其余位置氨氮摩尔比分布趋近均匀. 而由上述分析可知, 反应器内烟气速度场分布比较均匀, 所以氨氮摩尔比分布不均并非反应器内混合烟气充满度不够造成, 而是由于氨气和烟气混合程度不够, 所以有必要对喷氨参数和喷氨格栅后的圆盘导流板倾角进行优化
.
图６给出了３种网格数目条件下S C R 反应器内
时, 其主要发挥导流作用, 弯道内和反应器入口２５ʎ
处混合烟气速度分布更均匀; 导流板倾角为４时５ʎ 其主要发挥加强混合烟气扰动的作用, 导流板后速度场扰动加剧, 导流板后一段距离内烟气速度均匀性受到一定影响, 但是经过S C R 反应器入口导流板组和整流器的共同作用, 烟气均匀性得了到较大程度的恢复, 调大圆盘导流板倾角对第一层催化剂入口处速度分布影响较小
.
气速度分布. 由图８㊁ 图９可以看出:导流板倾角为
图８和图９分别为截面１与截面２上Z 方向烟
/) 图８㊀ 不同圆盘导流板倾角下截面１烟气速度分布(m s F i ．８㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no f t h e f l u e g a s o n p r o f i l e １g y d
/)
w i t hd i f f e r e n t u i d e p l a t e a n l e s (m s
g g
图６㊀ 截面２氨氮摩尔比分布
F i ．６㊀ D i s t r i b u t i o no fm o l a r r a t i o o fN H oN O n p r o f i l e ２３t x o g
㊀㊀
由以上分析可知, 网格数量对模拟结果影响不大, 且本文所建数值模型能够较准确地模拟实际工况. 但是由于网格数量过大, 计算机的运行时间更长, 运行能力要求更高, 综合考虑, 本文后续优化模５．２㊀ 不同圆盘导流板倾角的模拟结果
图７为圆盘导流板倾角分别为２和４时反应５ʎ ５ʎ 器弯道数值模拟几何模型. 由图７可见:圆盘导流板对混合烟气具有导流作用, 可以调节导流板后流场速拟均采取３１３万的网格数量.
㊀㊀
/) 图９㊀ 不同圆盘导流板倾角下截面２上Z 方向烟气速度分布(m s
F i ．９㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no f t h e f l u e g a s o n Z d i r e c t i o n g y d
/) o f p r o f i l e ２wi t hd i f f e r e n t u i d e p l a t e a n l e s (m s g g
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
图１０和图１１为反应器截面１和截面２的氨氮
１８
热㊀ 力㊀ 发㊀ 电２０１６年
摩尔比和N H ３浓度分布. 由图１图１０㊁ １可以看出, 圆盘导流板倾角为４时, 两个截面的N H ３浓５ʎ 度分布和氨氮摩尔比分布均比导流板倾角为２时５ʎ 均匀. 催化剂层入口面右后角处的高氨氮摩尔比区明显减小, 几乎消失; 反应器前侧壁面中间稍偏右位置的低氨氮摩尔比区也有很大程度的减小. 可见, 调大导流板倾角后, 由于导流板后速度场扰动加剧, N O x 的混合状况
.
促进了N H ３和N O 有效地改善了N H ３和x 的混合,
图１１㊀ 截面２氨氮摩尔比和N H ３浓度分布F i ．１１㊀ M o l a r r a t i o o fN H oN O n dN H o l e ３t x a ３m g
c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no n p r o f i l e ２
５．３㊀ 不同喷氨速度的模拟结果
除圆盘导流板倾角外, 喷氨速度对于S C R 反应性也具有很大影响. 表１列举了３种不同喷氨方案:各方案模拟参数设置均以机组B M C R 工况参数
图１０㊀ 截面１氨氮摩尔比和N H ３浓度分布F i ．１０㊀ M o l a r r a t i o o fN H oN O n dN H o l e ３t x a ３m g
c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no n p r o f i l e
１
器内第一层催化剂入口截面氨氮摩尔比的分布均匀
/, 为准, 烟气入口温度为６速度为２喷氨５７K㊁ ０m s 入口温度为２改变喷氨入口的速度参数. 其９３K , 中, 方案３是在基于对方案１和方案２模拟结果的对比分析下提出.
表１㊀ ３种喷氨方案喷氨入口速度
T a b l e １㊀ S e e do f t h e f l u e g a s a t a m m o n i a i n e c t i o n e n t r a n c e i n t h r e e s c h e m e s p j
项目上层喷氨入口下层喷氨入口
全部喷口１５．５１５．５方案１
全部喷口１４．５１６．５方案２
喷口１１４．５１５．５
喷口２１４．０１５．０
喷口３１６．５１６．５
喷口４１５．５１７．０
方案３喷口５１５．５１７．０
喷口６１５．０１６．５
喷口７１４．５１７．０
喷口８１３．５１６．５
/m s
喷口９１３．５１５．５
㊀㊀ 图１２和图１３为３种方案下S C R 反应器截面１
和截面２Z 方向烟气速度分布规律, 可见三者速度分布均匀性相差不大. 这主要是因为相对于混合气体总量而言, 氨气所占的比例较小, 所以在喷氨总量不变的情况下, 改变各喷口的喷氨速度对整个脱硝系统整体速度分布均匀性的影响比较小, 仅对喷氨格栅段的速度分布影响较大
.
/) 图１２㊀ 截面１烟气速度分布(m s
/) F i ．１２㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no f f l u e g a s o n p r o f i l e １(m s g y d
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
第７期吕㊀ 太等㊀ 燃煤机组S C R 脱硝系统氨氮混合优化
１９
/) 图１３㊀ 截面２上Z 方向烟气速度分布(m s F i ．１３㊀ V e l o c i t i s t r i b u t i o no f f l u e g a s o n Z g y d
/) d i r e c t i o no f p r o f i l e ２(m s
面２的氨氮摩尔比分布及N H ３浓度分布. 对比方
案１和方案２可知, 在下层喷氨速度稍大于上层喷氨速度的情况下, 反应器截面１和截面２的N H ３浓度和氨氮摩尔比分布的均匀性均有明显改善. 这是由于增大下层N H ３喷入量, 相应地减小上层N H ３喷入量, 相当于延长N H ３与烟气的混合时间, 使二者混合更加充分.
方案３是对方案１和方案２的优化, 即在下层
图１５㊀ 截面２的氨氮摩尔比和N H ３浓度分布F i ．１５㊀ M o l a r r a t i o o fN H oN O n dN H o l e ３t x a ３m g
c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no n p r o f i l e ２
图１４和图１５为３种喷氨方案下截面１和截
喷氨速度稍大于上层喷氨速度的基础上, 对每层各喷口的喷氨速度进行调整, 喷氨入口１, ２, ８, ９号喷口的速度稍小, 喷氨３, ４, ５号喷口的速度相对较大, S C R 反应器入口弯道处圆盘导流板的阻挡形成了
回流区, 加剧了烟气的扰动, 加强了N H ３和烟气的比控制在最佳范围内
.
速度分布呈现中间速度大两端速度稍小. 这是由于
, 面２的分布均比较均匀, 明显优于方案１和方案２消
除了第一层催化剂入口截面上右后角处的高N H ３浓度和高氨氮摩尔比区以及反应器前侧壁面中间稍偏右位置的低N H ３浓度和低氨氮摩尔比区. 条线上的氨氮摩尔比, 如图１６所示
.
在S C R 反应器内第一层催化剂截面对应喷氨
方案３中N H ３浓度和氨氮摩尔比在截面１和截
管等距离截取９条平行于X 轴方向的线, 比较这几
混合, 所以依据方案３调节喷氨参数, 能将氨氮摩尔
图１４㊀ 截面１的氨氮摩尔比和N H ３浓度分布F i ．１４㊀ M o l a r r a t i o o fN H oN O n dN H o l e ３t x a ３m g
c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no n p r o f i l e
１
图１６㊀ ９条取样线上的氨氮摩尔比/F i ．１６㊀ N H N O o l e r a t i o o f t w o s a m l e s ３x m g p
o nn i n e s a m l i n l i n e s p g
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n
㊀ p p p
２０
热㊀ 力㊀ 发㊀ 电２０１６年
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, , X U X u Y I N GJ i a n WA N G X i n l o n ．P e r f o r m a n c e t e s t g
优于方案２很多. 因此, 方案３对S C R 系统内氨氮
从图１方案３的氨氮摩尔比均匀度６可以看出:
６㊀ 结㊀ 论
摩尔比和N H ３浓度的分布优化起到了极大的作用. ) 本文研究的S １C R 脱硝系统内烟气速度场分布比较均匀. 造成脱硝效率偏低和氨逃逸较为严重
[]沈伯雄, 杨晓燕, 等．烟气选择性催化还原脱硝的６㊀ 赵宁,
２１７０．
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的主要原因是N H ３和烟气混合程度不够, 大量
N H ３不能与N O x 反应.
, , , Z HA O N i n S H E N B o x i o n Y A N G X i a o a n e ta l ．g g y R e s e a r c h p r o r e s s i nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n f o r f l u e g a s g
) 适当调大圆盘导流板的倾角能够加强其后烟２气扰动, 使N H ３与N O x 在反应器内混合更为充分, 混合气体的速度在Z 方向分布更均匀, 有利于N H ３与N O x 在催化剂层中的反应.
) 按照下层氨喷口喷氨速度大, 上层氨喷口喷３
氨速度小, 两侧氨喷口喷氨速度小, 中间氨喷口喷氨速度大的喷氨方式, 对每层各氨喷口喷氨速度进行合理地差异化调整, 可以很好地改善氨氮摩尔比和
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N H ３浓度分布均匀性.
) 实际运行中可将调大圆盘导流板倾角和合理４地差异化调整喷氨参数的方式相结合, 以便更好地满足S 从而保证S C R 系统设计和运行指标, C R 系统的脱硝效率, 有效控制S C R 脱硝系统的氨逃逸率.
[参㊀ 考㊀ 文㊀ 献]
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(下转第２６页)
::㊀ h t t ʊw w w．r l f d ．c o m．c n ㊀ h t t ʊ r l f d ．e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ㊀ p p p
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(责任编辑㊀ 李园)
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