电厂SCR系统的设计与数值模拟

1、第24卷第3期2007年6月现代电力Modern Electric PowerVol124No13J une2007文章编号:100722322(20070320058205文献标识码:A中图分类号:TM712电厂SCR系统的设计与数值模拟俞逾,杨晨,范莉(重庆大学动力工程学院,重庆400044Design and Numerical Simulation for Selective C atalytic R eductionSystem in Pow er PlantYu Yu,Yang Chen,Fan Li(College of Power Engineering,Chongqing U

2、niversity,Chongqing400044,China摘要:采用计算流体动力学(CFD模型预测某600MW 电厂选择性催化还原法烟气脱硝系统不同设计情况下的流场状态。自行设计了系统导流装置,并分析了系统在锅炉最大连续蒸发量(BMCR工况下,采用不同尺寸喷嘴格栅时反应器内N H3与NO x的混和情况。采用GAMBIT构造几何模型并划分网格,使用FL U EN T610进行模拟计算。研究重点在模拟喷氨格栅内氨气的速度分布,分析不同尺寸喷嘴反应器内反应物质摩尔比发生变化的原因。研究结果对脱硝系统内导流装置和喷氨格栅的设计和改进提供参考。关键词:脱硝系统;导流装置;喷氨格栅;流场;数值模拟Ab

3、stract:The comp utation fluid dyna mics(CFDis used to p redict t he flow filed inside t he selective catalytic reduction (SCRsystem of a600M W p ower plant.The guide device in system is designed.The mixing states of N H3wit h NO x in SCR reactor wit h diff erent AI G sizes under BMCR load are analyz

4、ed.The CFD model is established.It is meshed wit h GAMBI T and calculated wit h FL U EN T sof tware.This in2 vestigation concent rates on modeling t he a mmonias flow field in AI G,a nd researching t he reasons w hy t he molar ra2 tio of reagents cha nge wit h diff erent AI G sizes.The results of t

5、he research ca n off er ref erence to t he design and im2 p rovement of t he guide device and AI G in SCR system.K ey w ords:SCR;guide device;AI G;flow field;numerical simulation0引言火电厂燃煤燃烧过程中会排放出NO x气体,它是一种危害大,且较难处理的大气污染物,所引起的环境问题和对人体健康的危害主要有以下几方面:NO x对人体的致毒作用,主要影响呼吸系统,可引起支气管炎和肺气肿等疾病;NO x对植物的损害;NO x

6、是形成酸雨、酸雾的主要污染物;NO与碳氢化合物可形成光化学烟雾;NO x参与臭氧层的破坏。所以,在大气环境的治理方面NO x 的控制和治理尤为重要。面对日益严格的NO x排放标准,仅仅使用低氮燃烧技术来解决电厂的氮氧化物排放问题将变得十分困难,必须采用相应的烟气后处理技术,才能使电厂达到排放要求1。选择性催化还原(SCR烟气脱硝技术作为一种成熟的烟气后处理技术,已经在日本,德国,美国等发达国家得到了广泛的应用,总计已有数十GW 的SCR设备在电力工业上使用。事实证明SCR脱硝设备对燃煤电厂NO x气体的排放控制是十分有效的2。随着我国对环境污染控制的加强,很多600MW及以上的电厂都在计划安装

7、SCR脱硝装置。东方锅炉(集团股份有限公司也于2003年从德国鲁奇公司引进了全套SCR脱硝技术。但是对于SCR技术我们不能走以往脱硫技术只引进不吸收的道路,而要深入研究烟气脱硝系统,这将有助于我们消化吸收这一先进技术,进一步认识其内部机理,为国内自主开发烟气脱硝系统提供指导。本文利用计算流体力学(CFD方法,对某600MW机组设计的SCR系统建立三维模型,针对机组最大连续工况,完成系统内流场优化设计,并模拟分析了不同尺寸喷氨格栅(A IG对系统运行产生的影响。模拟结果对该系统的导流结构和A IG 设计具有指导意义。1SCR系统结构模型与网格模型111SCR系统结构模型图1为SCR系统结构图。系

8、统主要由烟道、反应器和喷氨格栅构成。烟道入口尺寸高219m,宽13195m,反应器本体结构长11167m,宽13195m,高21m,竖直烟道距离反应器距离为3195m。由于本系统是以气态形式注入氨气,与烟气比较容易混和,因此采用的喷嘴隔栅为圆形喷管,在喷管上面开圆形喷嘴,沿炉膛宽度方向布置24根喷管,每根喷管上14个喷嘴,总共336个喷嘴,每平方米大致布置8个喷嘴。喷管直径为0115m 。图1SCR系统结构图根据前期模拟结果,烟道横截面上的参数,如速度,质量浓度等沿着宽度方向上的分布大致是一致的;此外考虑到计算机计算能力上的限制,所以选取一部分烟道空间(宽214m,分布4根喷管进行计算,如图1

9、所示。112网格模型由于系统组成比较复杂,且喷嘴的尺寸和外部烟道尺寸相差过大,为了减少伪扩散,采用分体划分网格方法分别对喷氨格栅,烟道和反应器进行网格划分。总的网格数量在37万左右。2数学模型根据系统结构模型,烟气由烟道入口流入,经过一段流程后进入反应器。其间喷氨格栅内喷入氨气,在烟道中与烟气混和。整个流动过程中流道截面积和流动方向均发生变化,因此应按照三维流动来分析,并考虑烟气的粘性。在数值模拟中作如下假设:不考虑烟气中灰分的影响;不考虑流动中的化学反应及影响;假设整个系统绝热,且无漏风;流动是定常的;所有气体为理想气体3。针对物理模型,列出主要控制方程、质量守恒方程:(u=0(1动量守恒方

10、程:55x iu i u k=55x i5u k5u i-5px k(2能量守恒方程:55x i(u i(E+p=55x i k5T5u i-j h j J j+u j(ij(3考虑模型实际情况,使用标准的k2ep silon二方程湍流模型模拟烟气与氨气的湍流流动。控制微分方程的离散化采用了有限差分法中的控制容积法,针对对流项的离散,采用了上风差分格式,流场的计算则采用典型的SIM PL E算法4。3边界条件根据电厂提供的数据计算得到系统在BMCR 工况下烟气入射速度为15m/s。系统设计脱硝率为50%,要求喷入氨气与烟气中的NO x总量摩尔比为0151。根据入口烟气流速及NO x的质量浓度,

11、计算得喷氨格栅喷管入口速度为28m/s。烟道入口和A IG喷管入口为均匀来流速度边界条件。其中k 和的来流边界值根据来流速度和入口尺寸按经验公式给出。各组分质量含量如表1。烟道出口为OU TFLOW边界条件,固体壁面和导流板设为WALL。表1各组分质量含量表单位/%N2CO2H2O O2SO2NO x烟气入口7017221931421811air N H3A IG入口9824计算结果与分析411系统导流装置研究反应气体与催化剂的接触时间对NO x脱除率有很大影响。随着反应气体与催化剂的时间增大,有利于反应气体在催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和产物气体的解析、扩散,从而使脱除率提高。但是,若接触

12、时间过大,NO x氧化反应开始发生,95第3期俞逾等:电厂SCR系统的设计与数值模拟反而降低脱硝率。因此需要有一个合理的烟气流速。系统设计要求烟气通过催化剂的速度在6m/s 以下5 。图2SCR 系统剖面速度分布图图2(a 为系统初始剖面速度分布,烟气由于通过烟道拐角时的离心作用,进入反应器后速度分布紊乱,大量烟气以14m/s 左右的速度贴壁快速通过反应器,少量烟气以2m/s 左右速度缓慢通过反应器,这种速度分布不能满足SCR 系统工作要求。此外烟气流量分布不均使得部分催化剂参与大部分反应,催化剂得不到充分利用,造成资源闲置。根据烟气在SCR 系统内的流动,自行设计了系统导流装置。图2(b 为

13、加装导流装置后的系统速度分布图。与图2(a 相比,系统内流场分布得到了极大的改善,满足设计要求。412系统喷氨格栅的研究反应物N H 3与来自送风机的空气充分混合后,通过喷氨格栅的喷嘴(A IG 喷入烟气中,与烟气混合后进入SCR 催化反应器。如果N H 3与烟气混合不均,即使氨的输入量大,氨与NO x 也不能充分反应,不仅达不到脱硝的目的还会增加氨的逸出量。只有速度分布均匀,流动方向调整得当,反应物混和充分时,NO x 转化率、氨逃逸率和催化剂的寿命才能得以保证。采用合理的喷嘴格栅,并为氨和烟气提供足够长的混合烟道,是使氨和烟气均匀混合的有效措施,可以避免由于氨和烟气的混合不均所引起的一系列

14、问题6,7。因此,对于喷嘴格栅的设计就提出了一定的要求。本节对使用直径100mm ,50mm ,25mm 三种不同尺寸喷嘴时氨气与烟气中NO x 的混和情况进行了研究与分析。图3中,(a (b (c 分别代表喷嘴直径为100mm ,50mm ,25mm 时,反应器内横截面上的N H 3/NO x 摩尔比分布图。喷入氨气与烟气中的NO x 总量摩尔比为0151。图3(a 中N H 3/NO x 摩尔比值在0135到0175间呈梯状分布,沿x 轴方向逐渐降低,混和不均匀,在运行中会导致较大的氨漏量;图3(b 中N H 3/NO x 摩尔比值分布比较均匀,在0148到0154之间,符合设计运行的要求

15、;图3(c 中摩尔比值在0139到0154间呈梯状分布,沿x 轴方向逐渐增加,与图3(b 相比混和同样不理想 。为了分析上述情况产生的原因,对喷管喷出的速度场进行研究。图4是同一喷管内不同喷嘴出口06现代电力2007年图3三种尺寸反应器内N H3/NO x摩尔比圆心处的速度变化图 。系列1代表直径25mm喷嘴,系列2代表直径50mm喷嘴,系列3代表直径100mm喷嘴。由于喷入氨气总量一定,不同尺寸喷嘴出口速度是不同的。直径100mm喷嘴喷出速度上只有6m/s左右,直径50mm喷出速度在25m/s左右,直径25mm喷出速度在95m/s左右。喷入速度过小,气体刚性小,不容易穿透烟气进行混和;速度过

16、大,在混和长度一定的情况下会造成混和时间减短,同样会造成混和不充分。直径50mm的喷嘴喷出的气体既有一定的刚性,能冲入烟气与NO x进行混和,速度也与烟气速度比较一致,能有一个比较充足的混和时间,满足设计要求。图5是直径50mm喷嘴出口上方100mm处烟道截面上的速度分布图。此外,同一根圆管内不同的喷嘴的喷出速度也存在差异。从图4中可以看到系列1不同喷嘴的速图4喷嘴出口速度变化图图5直径50mm喷嘴烟道截面速度分布图度在一定范围内波动,流量总体分布比较均匀;系列2和3速度变化趋势类似,前几个喷嘴速度在小范围内波动,之后速度逐渐增大,但是系列2的增加幅度要比系列1小。不同喷嘴直径的出口速度分布导

17、致了喷入氨气流量分布上的不同。直径25mm 喷嘴喷入氨气分布比较均匀,直径50、100mm喷嘴喷入氨气流量沿x轴方向是逐渐增大。图6为喷氨截面烟气的速度分布图,从图中可以看出,虽然烟道内烟气在导流装置作用下流场有明显改善,但是由于经过烟道拐角时离心力的作用,烟气在同一截面上的速度仍有一定差异。烟气速度沿着x轴方向逐渐增大,这造成NO x流量分布沿着x轴方向逐渐增大。综合喷嘴出口速度与烟气速度两者因素,分析不同喷嘴直径导致反应器内不同摩尔比的原因。直径25mm喷嘴喷出氨气流量沿x轴方向分布比较均匀,但是由于喷氨烟道内烟气流量沿x轴方向增16第3期俞逾等:电厂SCR系统的设计与数值模拟 图6喷氨截

18、面烟气速度分布图加,所以氨气与NO x气体摩尔比是沿x轴方向降低的,经过2个烟道拐角转向后到达反应器内时摩尔比沿x轴方向增加,如图3(c所示;直径100mm喷嘴喷出氨气流量与烟道内烟气流量均沿x 轴方向增加,但是由于氨气流量增加幅度更大,造成氨气与NO x气体摩尔比沿x轴方向增加,同理在反应器内沿x轴方向降低,如图3(a所示;直径50mm喷嘴喷出氨气流量与烟道内烟气流量均沿x轴方向增加。但增加幅度较直径100mm喷嘴的小,与烟气流量增加幅度比较符合,所以最终得到的摩尔比也最合适,如图3(b所示。由于假设系统绝热且无漏风,整个系统温度变化很小,对于烟气流动的影响可以忽略。5结论SCR系统由于布置

19、结构的不同,内部的流场分布可能并不能符合它的工作要求,此时需要单独设置导流装置改善其内部流动,本文提出的系统导流方案能较好地改善本系统的流场分布,使其满足设计要求。SCR系统反应器在运行中,要求通过的烟气与还原剂(N H3充分混和。还原剂(N H3的喷入有赖于一套设计合理的喷氨格栅。根据本文的数值模拟结果,喷氨格栅同一条喷管内,喷嘴出口速度由近及远是逐渐增加的,使用较小尺寸的喷嘴有利于减缓这种趋势。要根据不同系统的具体情况来设计喷嘴格栅,喷嘴格栅的喷氨情况应与系统烟气流量分布情况相符合。参考文献1任剑峰,等.大气中氮氧化物的污染与防治J.科教情报开发与经济,2003,(5:9293.2Pio Forzatti,Present Status and Pperspectives in de2N