燃煤电厂SCR烟气脱硝系统流场优化分析

燃煤电厂燃煤电厂 SCRSCR 烟气脱硝系统流场优化分析烟气脱硝系统流场优化分析 孙琦明 施平平 谢芳 浙江蓝天求是环保集团有限公司 浙江杭州市 310012 Application and comparision of numerical simulation and cold test in analysis of the flow field in SCR system SUN Qi ming SHI Ping ping XIE Fang 摘要 摘要 本文以合山电厂 600MW 燃煤锅炉 SCR 脱硝反 应系统的流场优化分析为例 研究数值模拟和冷态试 验在电厂 SCR 系统流场分析中的应用 结果表明 数 值模拟和冷态试验结果较为吻合 验证了数模优化方 案的可行性 其中 速度场 浓度场和压降都满足设 计要求 烟气经整流格栅优化可以垂直进入催化剂层 模型中无明显积灰 关键词 关键词 SCR 系统 数值模拟 冷态试验 流场 Zhejiang Atmosphere Environment Protection Group Co Ltd Zhejiang hangzhou 310012 China Abstract Taking the analysis of the flow field in SCR system of Heshan 600MW coal fired plant as an example this paper studied numerical simulation and cold test in analysis of the flow field in SCR system The experiments showed that the results of numerical simulation were the same with those of cold test which meant the method of simulation was credible The flow field of velocity concertration and pressure met the designed requirements Installation of flow straightening grid can optimize the direction of gas flow to make the flue gas enter the catalyst vertically There was no significant dust deposition in the model Key words SCR system numerical simulation cold test flow field 煤燃烧过程中产生的 NOx 是造成大气污染 的主要来源之一 针对燃煤烟气 NOx 的治理与 控制技术 迄今为止 已开发出多种 NOx 控制 技术 1 其中 选择性催化还原反应 SCR 脱硝技术以其技术成熟 脱硝率高 经济适用 性好等优点成为大型燃煤电站烟气脱硝技术的 主要选择 2 3 在 SCR 反应系统中 烟气的流 动特性是影响催化剂的有效利用和脱硝率重要 因素之一 4 5 实际 SCR 工程应用中 一般采 用计算流体动力学 Computational Fluid Dynamics CFD 技术 或称数值模拟 与冷态 试验模拟相结合对 SCR 系统进行流场模拟研究 掌握其流场特性 通过适当的方法优化 SCR 系 统流场 从而为实际 SCR 反应工程设计提供最 优流场建议 以确保满足 SCR 系统反应所要求 的流场环境 相对于冷态试验模拟而言 数值模拟更易 操作和实现 并且省时 省力 然而 从国内 发展情况来看 数值模拟在 SCR 反应系统中的 应用还处于起步阶段 可用的数据较少 6 8 本 文以合山电厂 600MW 燃煤锅炉 SCR 脱硝反应 系统的流场优化分析为例 将数值模拟和冷态 试验的模拟结果进行对比分析 以验证数值模 拟的准确性 1 CFD 数值模拟模型 1 1 模型对象 SCR 系统的 CFD 建模范围是从省煤器约 中部位置处到空预器入口法兰 如图 1 1 所示 通过初步模拟计算 在模型中加装导流装置 使系统流场得到初步优化 其中 优化流场的 部件包括 1 AIG 水平扩口处安装一组导流板 2 反应器进口水平烟道变截面处和转弯处各 安装一组导流板 3 反应器出口烟道处安装 一组导流板 1 2 模型假设及简化 在模拟过程中 对 SCR 系统内烟气状况 作如下假设和简化 9 10 1 将烟气视为不可 压缩牛顿流体 2 假设 SCR 系统进口处烟 气速度分布均匀 3 催化剂层压降采用多孔 介质进行模拟 4 采用无化学反应的组分运 输模型来模拟反应器内的混合 图图 1 1 CFD 模型图模型图 图图 1 2 CFD 模型模型 网格图网格图 1 2 1 数学模型 基于前面假设与简化 SCR系统烟气流场 的控制方程通用形式可表示为 divudivgradS t 1 式中 分别为通用变量 广义扩 S 散系数 广义源项 式中各项依次为瞬态项 transient term 对流项 convective term 扩散项 diffusive term 和源项 source term 根据SCR系统内烟气流动湍流实际情况 本文 采用标准 湍流模型来模拟塔内烟气湍流运动 1 2 2 多孔介质模型 对于 SCR 系统反应器内的催化剂层压降 通过将催化剂层处理为多孔介质来进行模拟 2 1 2 iiii SvCv v A 2 式中 i 向动量源项 Pa m 层 i S 流粘度 介质渗透性 Pa s A i 向速度分量 m s 密度 kg m3 i v 内部阻力因子 1 m 2 C 1 2 3 偏差定义 当用参数来代表不均匀性时 需要用入口 参数的不均匀性来评估反应器性能 考察参数 是标准偏离平均值的百分量 11 其计算方法如 下 3 式 100 Cv x 3 式中 2 1 1 1 n i i xx n 标准偏差系数 标准 1 1 n i i xx n v C 偏差 平均值x 1 3 网格划分及边界条件 利用前处理软件 GAMBIT 对 SCR 系统进 行三维建模 采用四面体和六面体网格对三维 模型进行网格划分 与模型外形尺寸相比 因 喷嘴尺寸相对较小 为了精确考察喷嘴喷射情 况 将喷嘴出口段的烟道的网格进行加密 模 型网格计算单元数量约为 650 万 模型网格划 分如图 1 2 所示 省煤器烟气入口边界条件为速度入口 出 口边界条件为压力出口 出口压力取 1 个标准 大气压 采用无滑移壁面边界条件 2 冷态试验模型 2 1 试验模型 本试验台的模型按实际 SCR 反应器 1 12 比例缩小 试验系统由 SCR 反应装置模型 引 风机 管道及阀门 模拟喷氨设备等构成 试 验系统图如图 2 1 所示 试验模型主体采用透 明有机玻璃制作 以便于观察流场 导流板采 用钢板制作 采用等压模拟催化剂床层的阻力 稀 释 风 机 混 合 器 阀 门 示 踪 气 体 流 量 控 制 系 统 图图 2 1 试验系统图试验系统图 2 2 试验工况及方法 试验台采用的流体介质为空气 按 BMCR 和 50 THA 两种负荷进行测试 并且两种模拟 方法的研究和测试部位相同 以便对结果进行 比较 冷态试验具体工况见表 2 1 表表 2 1 冷模试验条件冷模试验条件 工况负荷 催化剂入口 速度 m s 温度 雷诺数 实 际 设 备 烟 气 3 983939 3 105 BMCR 模 型 空 气 1 64254 8 105 实 际 设 备 烟 气 3 983123 1 105 50 THA 模 型 空 气 1 64251 3 105 测点位置如图 2 1 所示 速度测试采用热 线风速仪及其配套设备来进行数据采集和分析 处理 压力测试仪主要采用 U 型管压力计和微 压计对 SCR 反应器内各所要求的考察处进行压 力测量 通过多点测量取均值的方法得到该处 的平均压力 CO 作为示踪气体模拟烟气中 NH3的分布情况 CO 浓度的测量采用 testo 350Pro 烟气分析仪进行 流场显示采用丝线 在首层催化剂入口处 布置间隔 50mm 均匀垂 直的悬挂下细丝红线 以显示该处流场流动分 布的情况 测试时采用高速照相机拍照 3 结果分析 3 1 速度分布特性 通过数值模拟 得出 BMCR 50 THA 工 况下 SCR 系统总体的速度分布特性的结果 如 图 3 1 所示为 SCR 系统纵截面 z 0 速度分 布情况 从该图中可以看出 在系统中各转弯 处速度基本没有出现很大偏差 反应器内速度 分布比较均匀 a BMCR 工况工况 b 50 THA 工况工况 图图 3 1 SCR 系统纵截面 系统纵截面 z 0 速度分布情况 速度分布情况 对于首层催化剂入口处速度大小的分布情 况 将 BMCR 和 50 THA 工况下数模和冷模 的结果进行比较 得出图 3 2 a 和 3 2 b 从图中可以看出 数值模拟结果和冷态试验结 果速度分布趋势总体相符 相对中间大部分区 域 靠近左右两端略有偏高 另外 从两种工 况对比情况来看 数模结果均略优于冷模结果 主要原因可能是由于冷态模型反应器进口处导 流板在制造和安装过程中与理论设计值有一定 偏差 从而导致 SCR 反应器进口处不同导流板 出口处流量存在微小偏差 进而导致反应器入 口速度分布存在一定偏差 而数值模拟结果和 试验测试结果的数据获得方式和处理方法有点 不同而会造成计算 Cv 值有一定偏差 总体而 言 数模与冷模所得的速度分布总体趋势相符 基本可以反映 SCR 反应器进口处流速分布的实 际情况 数值模拟结 果 Cv 3 56 冷模试验 结果 Cv 10 7 数值模拟结 果 Cv 3 44 冷模试验结 果 Cv 9 8 图图 3 2 a BMCR 工况工况 首层催化剂入口速度分首层催化剂入口速度分 布布 图图 3 2 b 50 THA 工况工况 首层催化剂入口速度分布首层催化剂入口速度分布 另外 对首层催化剂入口处的气流入射角 度进行飘丝试验 其结果如图 3 3 所示 该图 反映了首层催化剂入口处的速度入射角偏差情 况 与垂直方向夹角 可以看出首层催化剂入 口处速度与首层催化剂层截面没有出现较大的 偏角 B M CR 工 况 50 TH A 工 况 图图 3 3 首层催化剂入口速度偏角分布首层催化剂入口速度偏角分布 3 2 浓度分布特性 对于首层催化剂入口处氨氮摩尔比分布情 况 同样将 BMCR 和 50 THA 工况下数模和 冷模结果进行比较 得出图 3 4 a 和 3 4 b 假设烟气中 NOX 分布是均匀的且氨氮 摩尔比等于 1 那么模拟氨的气体 CO 的浓度 分布即可表示氨氮摩尔比分布 从图中可以看 出 两种工况下的数值模拟结果与冷模试验结 果趋势相同 模拟结果达到了设计流场的要求 Cv 10 数值模拟结果 Cv 6 01 冷模试验结果 Cv 9 3 图图 3 4 a BMCR 工况首层催化剂入口浓度分布工况首层催化剂入口浓度分布 数值模拟结果 Cv 5 28 冷模试验结果 Cv 9 2 图图 3 4 b 50 THA 工况首层催化剂入口浓度分布工况首层催化剂入口浓度分布 3 3 流动阻力分布特性 加装导流装置后 BMCR 工况下流动阻力 特性的数值模拟结果和冷模试验结果见图 3 5 从图中可以看出 系统主要压降集中在烟道转 角处和催化剂层 省煤器出口至空预器入口处 的流动阻力 加装 2 层催化剂后 小于 800Pa 满足系统设计要求 省煤器出口AIG入口首层催化剂入口首层催化剂出口 最后一层催化剂出口空预器入口 0 200 400 600 800 Pa 数值模拟结果 Cv 6 01 冷模试验结果 Cv 9 3 图图 3 5 BMCR 工况下工况下 SCR 系统总压分布系统总压分布 3 4 灰沉积特性 按常规考虑 锅炉在启停或者低负荷运行 时 省煤器出口至 SCR 脱硝系统入口处水平烟 道内可能会出现积灰情况 为了考察有可能出 现的积灰对系统正常运行的影响情况 本文进 行了灰沉积特性的冷态试验研究 弥补了 CFD 模拟中研究灰沉积特性难度较大的不足 本试验用灰取自浙江某电厂 600MW 机组 燃煤飞灰 其中粒径小于 100 m 的飞灰占 90 以上 为便于试验 在省煤器出口至 SCR 脱硝 系统入口处的水平烟道内预先铺设平均厚度大 于 7 cm 的灰 大概占整个烟道高度的 1 4 着 重模拟从 50 THA 工况积灰情况开始 到负荷 增加至 BMCR 工况后省煤器水平烟道底部积灰 厚度变化的情况 结果如图 3 6 所示 THA 工况前模型工况前模型运行运行 2h 后模型后模型 图图 3 6 a 50 THA 工况下积灰实验工况下积灰实验 BMCR 工况前模型工况前模型运行运行 1h 后模型后模型 运行运行 2h 后模型后模型运行运行 4h 后模型后模型 图图 3 6 b BMCR 工况下积灰实验工况下积灰实验 从图中可以看出 50 THA 工况下 在试 验进行到 2h 模型中预铺设灰层明显减少 随 着试验的进行 预铺设灰层的变化越来越小 最终出现动态平衡 在 BMCR 工况下 试验进 行到 1h 2h 4h 模型中预铺设灰层变化很明 显 积灰量随试验的进行继续减少 这主要是 因为随着工况负荷的提升 烟道内烟气流速增 大 对预铺设灰层的冲刷作用增强 最终导致 两种工况下灰层随试验时间的推延而出现不同 的变化情况 4 结论 1 数值模拟与冷态试验的速度场 浓 度场和压力场的结果都较为吻合 验证了数值 模拟所确定的最佳优化工况的可行性 相比于 冷态试验 采用数值模拟方法对 SCR 系统内部 结构进行设计和优化更加省时 省力 2 导流板的加装可以有效的提高烟气 速度场和还原剂浓度场的均匀性 并且不会增 加反应器内部的压降 整流格栅可以优化进入 首层催化剂的气流方向 使烟气垂直进入催化 剂层 3 灰沉积试验表明 水平烟道内预铺 设灰层在高负荷工况下的变化更为明显 模型 中无明显积灰现象 这为合山电厂 600MW 燃 煤锅炉 SCR 脱硝工程中取消入口及烟道中的灰 斗 提供了有力的理论依据 参考文献 1 朱法华 赵国华 燃煤电厂烟气脱硝的政策要求与建 议