600 MW燃煤機組SCR催化劑入口流場模擬優(yōu)化及改造分析

羅　敏，陳鴻偉，李　凡，許文良，趙寶寧

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院, 河北保定071003)

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600 MW燃煤機組SCR催化劑入口流場模擬優(yōu)化及改造分析

羅敏，陳鴻偉，李凡，許文良，趙寶寧

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院, 河北保定071003)

摘要：使用數(shù)值模擬軟件ANSYS 14.0，以某600 MW燃煤機組及其SCR系統(tǒng)為對象，模擬了SCR催化劑入口4種不同導流擋板布置方案對流場均勻性的影響，定性和定量分析確定了最佳的布置方案；同時以此為基礎，進行現(xiàn)場的優(yōu)化改造，改善了催化劑入口流場的均勻性，有效地提高了機組SCR脫硝系統(tǒng)的脫硝性能。

關鍵詞：600 MW燃煤機組；SCR；流場模擬；導流擋板；改造分析

0引言

燃煤機組SCR脫硝系統(tǒng)反應物間的均勻混合是脫硝反應高效進行的前提，而足夠的反應停留時間則是脫硝反應高效進行的保證。在氨/氮摩爾比一定的條件下，與NH3充分混合的煙氣能均勻地通過催化劑層，是改善脫硝效率的關鍵因素。但由于SCR催化劑入口處彎道的存在與流通截面劇烈的變化，通常會引起不同程度地流場分離，使得煙氣進入催化劑層時流速分布不均勻，進而造成系統(tǒng)脫硝效率下降，氨逃逸率升高的現(xiàn)象。與此同時，催化劑入口處流場不均引起局部流速過高，易使得煙氣攜帶的灰顆粒磨損、沖刷催化劑床層的能力進一步加強，最終導致催化劑的機械損壞，使用壽命大幅縮減；局部流速過低，則會導致反應器催化劑層上方較大面積不同程度地積灰，最終導致脫硝效率降低，SCR系統(tǒng)性能下降。

我國已有諸多的文獻研究報道，燃煤鍋爐尾部煙道流場的均勻性及SCR脫硝系統(tǒng)的運行環(huán)境能夠通過合理設計、調整導流裝置的布置而得到很大程度地改善[1-2]。應用CFD數(shù)值模擬軟件，針對不同數(shù)量、形狀導流裝置的尾部煙道SCR脫硝系統(tǒng)模型設計方案進行模擬與優(yōu)化，可有效提高煙氣速度場和濃度場分布的均勻性[3-4]，并減小催化劑入口煙氣的平均入射角度[5]，改善氨氮比的分布降低氨逃逸率[6]，降低煙氣對催化劑的沖刷磨損作用，保證催化劑的使用壽命[7]。同時，為防止過高的壓降使引風機電耗增大影響SCR系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，在對SCR系統(tǒng)前煙道流場的優(yōu)化設計與模擬研究中，還必須關注流場優(yōu)化設計方案的壓降，有文獻指出合理地布置和設計導流裝置，不僅不會增大壓降，反而能夠一定程度地減小系統(tǒng)的壓降損失[8]。一般設計要求脫硝裝置整體壓降需低于1 000 Pa[9]。

采用導流板優(yōu)化催化劑層入口煙道流場是一種行之有效的手段[10]，由于其結構簡單，安裝方便，實際工程中有著較為廣泛的應用。四川某600 MW燃煤鍋爐SCR系統(tǒng)自投運以來，由于催化劑入口流場分布不均，發(fā)現(xiàn)反應器催化劑層上方堵塞、積灰情況嚴重，使得SCR系統(tǒng)的脫硝效率長期偏低，氨逃逸率較高，故擬在頂層催化劑入口、整流格柵上方處加裝導流擋板。本文以此為背景，采用ANSYS 14.0模擬了BMCR工況安裝渦流混合器后SCR系統(tǒng)入口煙道流場的分布，并在SCR催化劑入口不同的導流板布置方式下，探討加裝導流板后對催化劑入口流場均勻性的影響。對初步設計的 SCR 煙氣脫硝裝置內部流場的模擬結果進行分析，并以此為依據(jù)提出合理的導流板布置方案，為下一步的工程改造提供理論依據(jù)和基礎。

1數(shù)值模擬對象與條件

以東方鍋爐(集團)股份有限公司生產(chǎn)，型號為：DG2028/17.45-Ⅱ5的四川某600 MW燃煤鍋爐及其SCR反應器的大小為原型，利用Gambit網(wǎng)格劃分軟件，按1:1的尺寸繪制原始模型與4種催化劑入口導流板布置方案模型。SCR系統(tǒng)的幾何結構如圖1所示(單位：cm )，煙道B(噴氨段煙道)截面尺寸為3.4 m × 14.14 m。煙道C(過渡煙道)截面尺寸為3.4 m × 14.14 m。反應器(催化劑層)高12.0 m，截面尺寸為12.0 m × 14.14 m。反應器煙道B和反應器壁面間距4.25 m。

圖1　SCR系統(tǒng)幾何結構圖

網(wǎng)格劃分采用分塊局部劃分的方法，優(yōu)先采用四面體/楔形網(wǎng)格對導流板區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，其他區(qū)域采用結構化/非結構化混合六面體網(wǎng)格進行劃分，并對結構復雜區(qū)域利用尺寸函數(shù)進行局部加密，確保模擬精度。模型采用了速度進口與出口自由出流設置，其網(wǎng)格數(shù)量均在380萬左右，網(wǎng)格質量較好，并通過網(wǎng)格無關性驗證。

忽略脫硝系統(tǒng)內的化學反應，僅對拐角出口處截面流場分布進行研究分析，選取標準k-ε模型，對不同反應器布置方案進行模擬。設置催化劑層為多孔介質模型，為模擬床層壓降，設置阻力系數(shù)計算得到催化劑層阻力壓降約為600 Pa。根據(jù)設計工況，設置噴氨煙道入口煙氣流速為17.0 m/s，近似將SCR反應器當作等溫環(huán)境處理，設置溫度為387 ℃。并利用Tecplot軟件對模擬結果進行處理與分析。

2模擬結果與分析

2.1模擬結果及定性分析

包括原始模型在內，通過改變催化劑入口處導流擋板布置數(shù)量，共模擬分析了5種擋板布置方案，導流擋板布置示意圖如圖2所示。原始模型：不加導流擋板；方案一：布置1 ～ 4號4塊均勻分布的導流擋板；方案二：去掉1號，布置2 ～ 4號3塊導流擋板；方案三：去掉1、2號，布置3、4號兩塊導流擋板；方案四：僅布置4號一塊導流擋板。圖3 ～ 7所示為各方案模型模擬結果的速度云圖。

圖2　導流擋板布置示意圖

圖3　原始模型截面速度云圖

圖4　方案一截面速度云圖

(1)原始模型。Z方向截面和催化劑入口的速度云圖如圖3所示。因為過渡煙道和反應器以直角彎道相連接，尾部煙氣經(jīng)過反應器煙道拐角處時由于慣性作用會涌向轉向區(qū)外側，并以較高的流速沖刷反應器外側及壁面，造成反應器較嚴重的沖蝕磨損。同時，煙氣在轉向內側區(qū)域產(chǎn)生了較明顯的回流現(xiàn)象，阻礙煙氣向下的流動，形成局部低速區(qū)，易造成催化劑堵塞，甚至造成大面積的積灰。

(2)方案一。在催化劑入口拐角處等間距布置了4塊弧-直形導流擋板，從圖4中可以看出，4塊導流擋板的布置并沒有很好地改善產(chǎn)生的流場高速區(qū)，僅改變了煙氣的慣性流動，使得高速區(qū)從反應器外側向內側移動，催化劑入口截面的流速仍舊十分不均勻。

(3)方案二。在方案一的基礎上，去掉1號導流板，其速度云圖如圖5所示。從圖中可以看出，方案二較好地消除了催化劑入口流場的高速區(qū)，雖存在小范圍的回流，但入口的速度分布相比于方案一和原始模型得到了很大的改善，要更加地均勻。

圖5　方案二截面速度云圖

(4)方案三。在方案二的基礎上，再去掉2號導流板，如圖6的速度云圖所示，催化劑入口流速的差異很小，其分布相比于方案二又要更加均勻一些；相比于原始模型，回流區(qū)的面積顯著減少，煙氣的整體分布較為理想。

圖6　方案三Z=7 m截面速度云圖

(5)方案四。在方案三的基礎上，去掉3號導流擋板。從圖7所示的速度云圖模擬結果中可以發(fā)現(xiàn)，僅保留4號導流板的布置方式對煙氣流的導向作用很小，催化劑入口截面的流速差異較為明顯，兩側的流速偏低而中間部分的流速較高，煙氣的整體分布不夠均勻。

圖7　方案四截面速度云圖

2.2模擬結果的定量分析

為進一步評價不同設計方案下，催化劑入口煙氣流場速度分布的優(yōu)劣，采用最常用的美國RMS標準[11]，即相對標準偏差Cv的概念，來定量地評價不同方案催化劑入口流場的均勻性程度。圖8所示即為不同方案煙氣流速的標準偏差值?？芍寄Ｐ偷拇呋瘎┤肟诹魉貱v值最大， 流場分布最不理想；方案三的催化劑入口流速Cv值最小，流場較為均勻，整體的煙氣流動分布最為理想，相比原始模型，方案三的流速Cv值減小了67.02%，很大程度地改善了流場分布。

圖8　各設計方案催化劑入口截面速度Cv值

導流擋板的不同布置方案，在一定程度上改善了催化劑入口流場均勻性的同時，也帶來額外的阻力壓降損失，各導流擋板布置方案所引起的系統(tǒng)阻力壓降損失如圖9所示。從圖中可以看出，在催化劑入口布置加裝導流擋板以后，相比于原始模型，各設計方案的系統(tǒng)阻力壓降均有所降低。其中，方案三的系統(tǒng)阻力壓降為321 Pa，比原始模型的阻力壓降損失減小約40%。雖然要大于方案一249 Pa的阻力壓損，但綜合流場均勻性的改善情況可以得出在4種設計方案中，方案三為最佳布置方案。

圖9　各導流擋板布置方案系統(tǒng)阻力壓降對比

表2　脫硝系統(tǒng)改造后頂層催化劑入口煙氣流速分布　m/s

3某600 MW機組脫硝系統(tǒng)改造及分析

根據(jù)上述模擬結果及分析，對某600 MW機組SCR脫硝系統(tǒng)進行了改造，在反應器催化劑入口處，按方案三布置加裝了導流擋板。同時，對系統(tǒng)改造前后350 MW負荷條件下催化劑入口靠近前后墻兩側的位置進行了速度場的測量，測點分布示意如圖10所示，測量結果如表1 ～ 2所示。根據(jù)測量結果可知：改造前，頂層催化劑入口A，B兩側爐前方向(內側)的流速很小，平均流速僅為0.84 m/s，而外側的流速較大，平均流速約為3.91 m/s；改造后，流速的分布較為均勻，頂層催化劑入口內側的平均流速約為2.56 m/s，外側的平均流速約為2.06 m/s。由于運行工況僅為350 MW，故相比于模擬結果，實測流速整體偏小，但分布趨勢基本與模擬結果一致。根據(jù)測量的結果，計算得到相對標準偏差Cv值由改造前的68.46%降低至27.92%。表3所示為改造前后月平均運行參數(shù)的對比，從表中可以得出改造后脫硝系統(tǒng)壓降與氨逃逸率均有所降低，脫硝效率也得到提高。綜上所述，根據(jù)方案三改造后的催化劑入口流場均勻性有了顯著提升，一定程度上提高了SCR系統(tǒng)的脫硝性能，充分說明該技術改造方案是有效的。

圖10　測孔位置及編號

表3　改造前后脫硝系統(tǒng)月平均運行數(shù)據(jù)對比

4結論

(1)在SCR催化劑入口處布置適當位置及數(shù)量的導流擋板能夠有效地改善流場不均的現(xiàn)象，一定程度地提高SCR系統(tǒng)的脫硝性能。

(2)通過數(shù)值模擬定性、定量分析不同導流擋板布置方案的優(yōu)劣，確定方案三為最佳布置方案。

(3)根據(jù)模擬結果，對某600 MW機組SCR系統(tǒng)進行方案三的改造，現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好，可為此類的工程實踐提供一定的基礎和參考。

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Simulated Optimization and Retrofitted Analysis of Flow Fieldfor a 600 MW Coal-fired Unit of SCR Catalyst Inlet

LUO Min，CHEN Hongwei，LI Fan，XU Wenliang，ZHAO Baoning

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Abstract：The simulation aimed to find out the influence on the flow field in four different arrangements of baffle plates.This paper simulates a 600 MW coal-fired unit and its SCR system as research object based on the numerical calculation software ANSYS 14.0. The optimal scheme is determined qualitatively and quantitatively. The optimization and modification of the locale is executed on this basis. As the result, the catalyst inlet flow field uniformity has been presented more evenly and the denitration performance of the SCR system is improved effectively.

Keywords：600 MW coal-fired unit；SCR；flow field simulation；deflectors；retrofitted analysis

收稿日期：2016-04-17。

作者簡介：羅敏(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為燃煤電廠脫硝技術，E-mail:hd14_1m@163.com。

中圖分類號:X701

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.002