煙氣脫硝冷模氣體供應(yīng)管道仿真及驗(yàn)證

張圣杰，孫翔，王景成，金強(qiáng)，李雨

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)火電裝機(jī)容量迅速擴(kuò)增，用于火力發(fā)電的煤炭消耗量從2000年的5.8億噸上升到了2005年的逾12億噸，而每消耗1噸煤，平均要排放9.95公斤NOx。為控制氮氧化物排放，2004年中國(guó)實(shí)行NOx排污收費(fèi)，旨在通過經(jīng)濟(jì)杠桿促使電廠逐步裝備煙氣脫硝技術(shù)與設(shè)施；中國(guó)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2003)則規(guī)定，2003年之前的火力電站執(zhí)行650 mg/Nm3NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，而2003年后新建的火力電廠則實(shí)施200mg/Nm3的煙氣NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。650 mg/Nm3NOx排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是低NOx燃燒技術(shù)所能達(dá)到的水平。再要降低NOx排放，煙氣脫硝(DeNOx)是必然選擇。

當(dāng)前煙氣脫硝工程有待攻克的核心技術(shù)是基于流態(tài)仿真、冷模實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)[1]。基于CFD仿真[2]和FMT驗(yàn)證的大型火電煙氣脫硝系統(tǒng)氨-煙氣渦流混合研究在國(guó)內(nèi)方興未艾[3]。本文介紹的煙氣脫硝冷模氣體供應(yīng)管道仿真及驗(yàn)證，集CFD仿真和FMT驗(yàn)證于一身，為提高脫硝效率提供重要保障，是煙氣脫硝工程中不可或缺的重要子項(xiàng)目之一。其成功建設(shè)和示范應(yīng)用，不僅使我國(guó)煙氣脫硝企業(yè)能夠自主完成煙氣脫硝氣體供應(yīng)管道設(shè)計(jì)提供所必需的教材，并為超臨界火力電站煙氣脫硝裝置脫硝氣體供應(yīng)管道建設(shè)打下基礎(chǔ)。

1 模擬氣體供應(yīng)管道CFD仿真設(shè)計(jì)

還原氣體供應(yīng)管道的布置與脫硝煙道的形狀和布置密切相關(guān)，為了達(dá)到均勻效果，它們的布置應(yīng)與 SCR 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。國(guó)際上一般采用模擬方法來(lái)確定煙氣脫硝裝置的設(shè)計(jì)方案[4]。對(duì)于該物理系統(tǒng)，我們采用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)建立冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置。模擬氣體供應(yīng)管道系統(tǒng)由氣瓶、減壓閥、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、管道和噴射格柵組成，其設(shè)計(jì)圖如圖1所示：

圖1 氣體供應(yīng)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

本文中的煙氣脫硝氣體供應(yīng)管道仿真軟件為著名的CFD仿真軟件FLUENT，每個(gè)仿真算例均為三維模型，并用GAMBIT軟件生成流場(chǎng)網(wǎng)格（計(jì)算網(wǎng)格）。在滿足邊界約束的條件下，整個(gè)系統(tǒng)由變體積的約500萬(wàn)個(gè)計(jì)算網(wǎng)格組成[5]。迭代計(jì)算持續(xù)到達(dá)穩(wěn)態(tài)為止。所有變量的收斂誤差在1E-6以下。仿真條件如下：

a) 采用空氣（密度 0.5356m3/s，粘度 3.225e-5N·s/m2）替代煙氣，采用氨氣替代氨氣與空氣的混合氣；b) 選用k-epsilon標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，選用組分傳輸模型模擬氨氣與空氣混合氣，即噴氨嘴噴出的氨氣濃度為 100%；c)暫不考慮擴(kuò)散效應(yīng)。

在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，迭代輸出的殘差曲線變化圖如圖2所示：

圖2 FLUENT迭代殘差曲線

可以看到，在迭代有限次以后，各殘差曲線均趨于平穩(wěn)，在收斂誤差小于1E-6下達(dá)到收斂狀態(tài)。

2 模擬氣體供應(yīng)管道CFD仿真結(jié)果

根據(jù)電廠提供的實(shí)地圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)相似?；瓌t進(jìn)行比例縮小，再用 FLUENT對(duì)氣體供應(yīng)管道進(jìn)行尋優(yōu)仿真，取得較為滿意的仿真結(jié)果[6]。

圖3和圖4分別直觀地從三維和二維的角度顯示出了氨氣速度在模擬氣體供應(yīng)管道出口處的分布和濃度在第一層催化劑層上表面的分布：

圖3 氣體供應(yīng)管道出口處速度分布仿真圖

圖4 第一層催化劑層上表面氨氣濃度分布仿真圖

對(duì)仿真結(jié)果中的得到的速度和濃度場(chǎng)數(shù)據(jù)采用定性和定量的方法進(jìn)行處理。定性結(jié)果用云圖表示，可以較直觀的模擬氣體供應(yīng)管道出口處的速度和濃度分布。定量結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)偏差（S）衡量，S越小，說(shuō)明速度和濃度的分布均勻性越好。

式中：

xi為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的平均值，n為數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

把各噴嘴出口處的速度和濃度數(shù)據(jù)代入上式，進(jìn)行定量分析，可以得到表1，仿真結(jié)果顯示滿足工藝要求。

CFD仿真數(shù)據(jù)分析

項(xiàng)目 最大值 最小值 平均值 標(biāo)準(zhǔn)偏差速度數(shù)據(jù)（m/s）31.93 28.77 30.13 2.54%濃度數(shù)據(jù)(ppm)2055.93 1580.67 1814.01 5.93%

3 氣體供應(yīng)管道FMT設(shè)計(jì)與建設(shè)

根據(jù) CFD仿真結(jié)果，對(duì)冷態(tài)模型模擬氣體供應(yīng)管道系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì)。模擬氣體供應(yīng)管道系統(tǒng)由氣瓶、減壓閥、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、管道和噴射格柵組成，模擬氣體供應(yīng)管道系統(tǒng)實(shí)物圖見圖5，

圖5 氣體供應(yīng)管道系統(tǒng)實(shí)物圖

在管道工程的建設(shè)過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)事項(xiàng)：

（1）高 (超)純氣體管道選用閥門應(yīng)選用密封性良好的針形閥、球閥、隔膜閥、真空閥及角閥等;并注意介質(zhì)的壓力要求，對(duì)易燃易爆氣體使用閥門時(shí)壓力應(yīng)提高1"2個(gè)等級(jí)。

（2）管道的連接應(yīng)采用特制的成型管接，三通彎頭等進(jìn)行套管焊接，對(duì)于不銹鋼管必須采用氫弧焊打底，施焊時(shí)在管內(nèi)通入氨氣(以高純度氫為好)，其管道附件的制作材料應(yīng)與其配管材料相同。

（3）管道與設(shè)備、閥門的連接應(yīng)視具體情況采用法蘭、螺紋、卡套或其它密封性能優(yōu)良的連接方法，螺紋連接宜采用錐螺紋連接為好，這種連接方式，不需用密封墊，但必須在螺紋部分涂上密封劑后方能擰上，不能使用密封帶。采用平螺紋連接時(shí)，必須加密封墊，其密封性亞于錐螺紋連接方式。

4 氣體供應(yīng)管道FMT驗(yàn)證結(jié)果

模擬氣體供應(yīng)管道系統(tǒng)建設(shè)完工后，即可進(jìn)行 FMT實(shí)驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，取與 CFD仿真結(jié)果位置同樣的截面分別進(jìn)行速度、濃度測(cè)量，由于現(xiàn)實(shí)中較難測(cè)得整個(gè)平面的連續(xù)變化，因此在實(shí)驗(yàn)中采取了分區(qū)采樣的方法：

速度和濃度測(cè)點(diǎn)分別設(shè)在噴射格柵出口后30mm橫截面和催化劑入口前50mm的橫截面上,測(cè)量截面的橫縱方向分別稱為X 方向和Y方向。

（1）速度測(cè)點(diǎn) 沿X 方向測(cè)點(diǎn)間距為86mm ,測(cè)點(diǎn)為3個(gè);沿Y 方向測(cè)點(diǎn)間距為88mm ,測(cè)點(diǎn)為8個(gè)。每個(gè)測(cè)量截面上共設(shè)置24個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

（2）濃度測(cè)點(diǎn) 沿X 方向測(cè)點(diǎn)間距為150mm ,測(cè)點(diǎn)為5個(gè); 沿Y 方向測(cè)點(diǎn)間距為88mm ,測(cè)點(diǎn)為8個(gè)。共計(jì)40個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣處理分析，可得表2數(shù)據(jù)：

FMT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

項(xiàng)目 最大值 最小值 平均值 標(biāo)準(zhǔn)偏差 30.83 25.74 27.28 4.54%1855.93 1510.73 1664.82 8.93%速度數(shù)據(jù)（m/s）濃度數(shù)據(jù)(ppm)

對(duì)比表1和表2數(shù)據(jù)，我們可以得到如下結(jié)論：

兩表的數(shù)據(jù)誤差最大不超過10%，F(xiàn)MT實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比CFD仿真所得結(jié)果，無(wú)論是速度值還是濃度值，均有所下降，而標(biāo)準(zhǔn)偏差則有所增大；

（2）造成上述現(xiàn)象的原因，是由于CFD仿真軟件構(gòu)造了一個(gè)理想環(huán)境，對(duì)現(xiàn)實(shí)中存在的管道內(nèi)壁粗糙度不一致，脫硝煙道殼體氣密性不完美導(dǎo)致的部分氣體泄露，管道連接處的額外壓損等可能出現(xiàn)的情況均沒有進(jìn)行考慮造成的；

（3）盡管存在以上不足，毋庸置疑的是，CFD仿真的數(shù)據(jù)得到了FMT實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的較好驗(yàn)證，兩者的速度數(shù)據(jù)和濃度數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)偏差均在工藝要求15%以內(nèi)。而且具體數(shù)值也僅相差不到10%。所以，我們有理由相信FLUENT提供的流體力學(xué)仿真，可以對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)行有效率的指導(dǎo)。

5 結(jié)論

在建設(shè)火力電站煙氣脫硝冷態(tài)模型的項(xiàng)目中，氨氣模擬氣供應(yīng)管道的建設(shè)質(zhì)量，是保證氨氣在噴射進(jìn)入煙氣通道后均勻分布，從而達(dá)到提高脫硝效率的重要保障之一。根據(jù)電廠提供的實(shí)地圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，以CFD尋優(yōu)仿真，再進(jìn)行FMT冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)，得到真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，是脫硝工程中低成本高效率的一種方法，可以用于代替原來(lái)高成本低效率的先建設(shè)電站實(shí)際管道、后根據(jù)效果作出調(diào)整的方法。

[1]陳杭君,趙華,丁經(jīng)緯.火電廠煙氣脫硝技術(shù)介紹[J].熱力發(fā)電,2005,(2):15-18.

[2]Adams B, Cremer,M Valentine J.Use of CFD Modeling for Design of NOxReduction Systems in Utility.Boilers[C]//Proceedings of IJPGC’02,2002 International Joint Power Generating Conference, Phoenix, AZ,USA,2002,June 24-26:695-702.

[3]孫克勤,鐘秦.火電場(chǎng)煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:991-103.

[4]Bai H, Lee Shang-Hsiu, Lin Chia-Hsin, et al.Field Study,Design, and Catalyst Cost of Selective Catalytic Reduction Process[J].Journal of Environmental Engineering,2001,(8):735-740.

[5]Adams B, Cremer M, Valentine J.Use of CFD Modeling for Design of NOx Reduction Systems in Utility Boilers[C]//Proceedings of IJPGC’02,2002 International Joint Power Generating Conference, Phoenix, AZ, USA,2002, June 24-26:695-702.

[6]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:167-183.