某燃煤鍋爐外置式脫硝裝置設(shè)計的模擬擇優(yōu)

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:摘要：為滿足國家“超潔凈”排放要求，燃煤電廠煙氣SCR脫硝裝置必須進一步改造，即將原有的低氮燃燒器+單層反應(yīng)器脫硝技術(shù)，改造成低氮燃燒器+外置式多層反應(yīng)器深度脫硝技術(shù)。本文提出采用數(shù)值模擬方法對某220T/h燃煤鍋爐外置式脫硝裝置設(shè)計方案擇優(yōu)，達到提高煙氣與脫硝還原劑混合效果并減小煙道阻力的目的。

關(guān)鍵詞：外置式脫硝裝置,數(shù)值模擬擇優(yōu)

引言：NOx是大氣主要污染物之一，其中燃煤電廠排放的NOx約占NOx排放總量的70%以上。我國是以燃煤為主的國家，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，能源消耗量不斷增加導致燃煤需求量不斷增大，NOx的污染已成為一個不容忽視的問題。在燃煤電廠煙氣NOx處理的若干技術(shù)中，選擇性催化還原技術(shù)（SCR）以高NOx脫除率、技術(shù)成熟可靠、易于操作等特點占據(jù)了市場主流。

1計算流體動力學簡介

計算流體動力學（簡稱CFD）是一種以計算機為手段，通過求解由質(zhì)量、動量和能量守恒方程等組成的非線性微分方程，借助于圖像顯示技術(shù)給出空間各處的速度、壓力、濕度、組分濃度、湍流特性等詳細信息以及流動、傳熱和反應(yīng)裝置的總體性能，從而實現(xiàn)對工程中各類物理問題進行研究的技術(shù)2，本試驗通過計算流體動力學方法進行數(shù)值模擬試驗。

2模擬方法

SCR系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)給定的進、出口NOx濃度值、煙氣流量等參數(shù)，即可對催化劑選型。但SCR反應(yīng)器的外形結(jié)構(gòu)、煙道尺寸、導流板的設(shè)置及煙道彎曲半徑等的設(shè)計需針對具體工程進行設(shè)計，以保證NH3/NOx的充分混合以及反應(yīng)器催化劑入口煙氣的流場分布及脫硝效率。如SCR反應(yīng)器設(shè)計不當，使塔內(nèi)的煙氣濃度、速度等分布不均，易引起催化劑中毒、磨損以及氨逃逸等問題。

本文擬通過對比不設(shè)導流裝置SCR反應(yīng)器煙道初始設(shè)計方案和增設(shè)導流裝置的優(yōu)化設(shè)計方案，對兩種方案流場、煙氣與氨氣混合度進行計算分析，驗證何種方案催化劑入口煙氣流速偏差、煙氣流向偏差、煙氣溫度偏差、NH3/NOX摩爾比偏差及脫硝系統(tǒng)壓力損失等參數(shù)，形成最終設(shè)計方案。

3模型要求

根據(jù)某220T/h燃煤鍋爐外置式脫硝裝置實際運行環(huán)境，在滿足工程要求條件下，為便于模擬計算，對SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣狀況作如下假設(shè)和簡化：①將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；②假設(shè)高溫省煤器出口處煙氣速度分布均勻；③催化劑層壓降采用多孔介質(zhì)進行模擬；④在CFD模型中安裝改變流場的導流板、整流層等；⑤忽略對流場影響較小的內(nèi)部構(gòu)造（如支撐，懸吊件等)。

4數(shù)值模擬試驗

從高溫省煤器出口至空氣預(yù)熱器入口建立包括氨噴射管（AIG）、靜態(tài)混合器、整流格柵、催化劑層和煙道系統(tǒng)等的CFD模型。在高溫省煤器出口、AIG上游及下游、第1層催化劑入口、第2層催化劑出口、SCR反應(yīng)器出口及空氣預(yù)熱器入口等流場變化明顯的位置設(shè)置取樣截面，如圖1所示。

對噴射管、靜態(tài)混合器，采用金字塔形劃分網(wǎng)格，其余采用六面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的密度有所不同。煙氣進口采用速度進口邊界條件，組份輸送；氨/空氣混合采用速度進口邊界條件，組份輸送；出口采用壓力出口邊界條件；催化劑采用多孔介質(zhì)模型；導流裝置、渦流混合板、整流格柵及噴淋管外壁等采用固體壁面邊界條件。

建立動量方程、連續(xù)性方程、能量守恒方程等控制方程，本工程模擬試驗，脫硝系統(tǒng)內(nèi)雷諾數(shù)Re為104的數(shù)量級以上，選擇k—兩方程湍流模型。設(shè)置煙氣進口速度設(shè)為4.14m/s，組份輸送、溫度643K；氨/空氣混合速度設(shè)為18.07m/s，組份輸送、溫度613K；出口靜壓設(shè)為-1800Pa；設(shè)置每層催化劑阻力損失150Pa后選擇解算器精度、求解器類型、對流項離散格式、壓力速度耦合方法、亞松弛因子的設(shè)定及迭代計算的控制精度等，進行迭代計算，顯示或輸出計算結(jié)果。其中，催化劑入口煙氣條件的要求：

1）、煙氣流速偏差小于10%，按式（1）計算；

初始方案催化劑入口煙氣流速偏差Cv為40.277%，不滿足煙氣流速偏差小于10%的技術(shù)要求；初始方案催化劑入口煙氣流向偏差為27.509°，不滿足煙氣流向偏差小于10°的技術(shù)要求。增設(shè)導流裝置方案催化劑入口煙氣流速偏差Cv為7.866%，入口煙氣流向偏差為5.805°，均滿足技術(shù)要求。

進一步模擬增設(shè)導流裝置方案催化劑入口最低溫度Tmin：642.79K、最高溫度Tmax：642.82K、平均溫度Tavg：642.80K，滿足煙氣溫度偏差小于±10℃的技術(shù)要求；模擬催化劑入口NH3/NOx摩爾比偏差CV為2.255%，滿足NH3/NOx摩爾比偏差CV小于5%的技術(shù)要求。

模擬兩方案的沿程阻力，增設(shè)導流裝置方案在催化劑層c-e段阻力明顯較初始方案低，其它煙道部分阻力相當，提高了運行經(jīng)濟性。

6結(jié)論

模擬試驗表明，初始方案催化劑入口煙氣流速、流向偏差均不能滿足設(shè)定的技術(shù)要求。增設(shè)導流裝置方案催化劑不但入口煙氣流速、流向偏差滿足技術(shù)要求，而且在入口溫度偏差、NH3/NOx摩爾比偏差等指標均優(yōu)于技術(shù)要求，沿程阻力也明顯低于初始方案，該方案提高了煙氣與脫硝還原劑混合效果并減小了煙道阻力，達到流場優(yōu)化目的。

參考文獻

[1]朱國榮.解永剛.SCR技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)大型燃煤電站鍋爐的技術(shù)探討[J].電站系統(tǒng)工程2005,21(3)

[2]夏文靜.何長征.韋紅旗.數(shù)值模擬輔助低Nox燃燒調(diào)整試驗的研究[J]-江蘇電機工程2011,30(4).

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