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图1SCR反应器计算模型
原脱硫装置在运行过程中,出现氨氮分布不均,过量喷氨,下游催化剂堵塞、磨损,空预器堵塞等问题。针对原有系统还原剂混合不均匀及速度场不均的问题,本文提出改造方案如下:入口烟道设整流装置;采用多维度驻涡喷氨混合装置;反应器顶部设整流装置。具体结构见图2。
图2优化改造后SCR系统反应器模型
本文通过计算流体力学(CFD)的方法对某660MW火电机组SCR脱硝系统改造前后进行数值模拟和对比,研究烟气在烟道各位置流动、变化和相互混合的过程,同时研究驻涡型喷氨混合器对烟气流场以及脱硝还原剂分布混合的效果,达到有针对性的优化设计,以达到适合催化剂安全、高效、稳定反应的SCR烟道结构的目的。
1.3模型设置
计算中使用的基本假设包括:
(1)烟道模型进口的烟气速度在进口截面均匀分布(16.18m/s),并且温度分布也均匀(373℃);
(2)烟道壁面绝热,并且内部没有热源和热沉,因此,在没有喷氨时烟道内温度处处均匀;
(3)烟道模型出口断面处压力分布均匀;
(4)催化剂层和整流格栅用多孔介质模型简化,用各向异性的方法对催化剂层的阻力特性进行定义。
湍流模型采用standardk-ɛ,壁面函数采用standardwallfunctions。模型采用混合网格划分,模型网格单元数约150万,在喷氨管和驻涡型喷氨混合器采用非结构化网格,其它计算区域利用规则的结构化网格。另外,在特殊区域对网格进行加密处理,如导流板、喷氨管和驻涡型喷氨混合器等。烟道模拟运行工况为BMCR100%的烟气量,物性参数、喷氨系统参数亦参考此时的参数设定。
2计算结果分析
2.1原脱硝系统计算结果
如图3所示,原脱硝装置由于入口水平烟道设有张角较大的扩径段,引起下游烟道左右侧烟气流量不均,进而造成脱硝反应器左右侧出现较大的氨气分布偏差。当机组负荷波动时,脱硝入口来流条件变化时,来流扰动会趋势还原剂氨分布的偏差进一步放大,进而使得脱硝装置效率降低或者氨逃逸排放过高。并且由于该装置喷氨混合器后竖直混合段烟道较短,停留时间短,对还原剂与烟气的混合要求更高。
图3a:改造前脱硝纵断面NH3分布图;b:改造前第一层催化剂入口NH3分布图。(各喷氨支管流量相同)
2.2优化改造方案计算结果
针对该机组脱硝装置的上述特点,实施有针对性的优化设计。根据电厂需求,综合成本和效果分析,确定改造方案如下:采取分级多效混合、多排分区、强制整流的优化思路,在原脱硝装置内,通过升级驻涡喷氨混合装置、增设竖井烟道顶部弯头扰流板,强化氨气与烟气的混合,显著改善了催化剂入口还原剂的均匀性;在脱硝反应器上部增设整流装置,改善反应器内前后墙流速偏差,提高烟气流动的均匀性,缓解催化剂表面积灰、磨损等问题;在入口烟道扩径段前设导流板,调整该处的速度场,缓解侧部烟道积灰及喷氨混合器前烟气偏流问题。
图4a:改造后脱硝纵断面NH3分布图;b:改造后第一层催化剂入口NH3分布图。(各喷氨支管流量相同)
改造优化方案NH3分布模拟结果如图4所示,可以发现无论是在纵截面还是在第一层催化剂入口,NH3分布均匀性较改造前有显著提升。由于烟道截面较宽,改造前单排喷氨装置覆盖面积有限,脱硝反应器前后方向也出现较大的氨气分布偏差。优化改造方案设有两排涡流混合装置,可以实现对烟道截面喷氨的分区控制,进而提高氨气在烟气中分布的均匀性,优化喷氨系统调节性,并且在下游增设扰流板,利用强制扰流进一步加强氨气与烟气的混合,显著改善了催化剂入口还原剂的均匀性,从而达到提高脱硝效率、降低氨逃逸的目的。此外,烟气流场的组织是影响烟道阻力分布、
速度均匀性和烟气组分掺混程度的重要因素。受现场实际情况限制,原脱硝烟道入口设有张角较大的扩径段,导致烟气偏流严重。相比喷氨格栅,驻涡喷氨混合装置本身具有整流效果,具备一定的负荷自适应性。改造方案通过在脱硝装置进口烟道前设置导流叶片,强制改善来流烟气分布的均匀性,使驻涡混合器前端的截面速度分布相对均匀,均匀的速度场能够提高驻涡型喷氨混合器的混合效果。为了保证进入催化剂的速度场均匀,在脱硝反应器上部同时增设整流装置。图5为改造后的烟气流线图,从图中可以看出,烟气在烟道内的流动较为平滑,进入脱硝反应器前,气流在导流叶片和顶部扰流管作用下,经过整流格栅后,烟气方向转为向下,速度方向较为一致,分布更加均匀。
图5烟道内烟气流线图
2.3优化改造结果分析
表1所示为脱硝烟道反应器优化后,BMCR工况下第一层催化剂上表面的速度、烟气入射角度和氨浓度均值、方差,结果表明,优化改造后速度分布的不均匀性为6.6%,小于15%;氨浓度分布的不均匀性小于5%;烟气入射角都小于10°,全部满足超低排放要求的烟道流场设计要求。
表1改造后脱硝系统特征参数
为验证CFD理论研究结果的可靠性,在该660MW机组脱硝装置按照优化方案改造后,进行现场测试。在660MW满负荷运行工况下,沿脱硝反应器出口烟道的长度方向取6~7个测孔,用网格法分别测量反应器出口NOx、氨逃逸浓度,结果如图6、7所示。
图6实测脱硝装置出口NOx浓度
图7实测脱硝装置出口氨逃逸浓度
由图6、7可知,改造后脱硝装置出口NOx浓度总体分布非常均匀,平均浓度低于较超低排放限值,并且氨逃逸浓度值远低于设计值3ppm,说明经过流场优化改造后,在进入反应器时,烟气与还原剂混合均匀,保证了脱硝效率,同时减少氨逃逸及还原剂耗量,减缓下游空预器堵塞,降低机组运行维护费用。
3结论
1)本文针对某660MW超临界煤粉锅炉脱硝系统进行烟气和氨气在SCR脱硝反应器内的混合过程研究,针对现有喷氨优化系统问题,提出了基于入口烟道设整流装置、采用分级多效驻涡混合装置、反应器顶部设整流装置的改造方案。
2)依据CFD模拟计算结果,本文所提出的SCR脱硝系统的优化设计方案可以充分实现流场分布和NH3/NOx充分混合的要求,即反应器内第一层催化剂入口截面烟气气流速度不均匀性低于15%;第一层催化剂的烟气入射角低于10°;SCR反应器第一层催化剂所在入口截面NH3/NOx混合不均匀性低于5%。
3)依托理论研究的成果,原脱硝装置进行相应改造后,在脱硝装置出口进行网格化测量NOx浓度和氨逃逸浓度,验证了改造方案的可靠性。
4)此660MW机组SCR装置的烟道、反应器布置以及流场存在的问题在大型燃煤机组SCR装置中具有代表性,本文提出的流场升级改造思路及理论研究方法对指导大型燃煤机组SCR系统超低排放改造具有借鉴意义。
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