| SCR脱硝系统中气流分布均匀性研究 |
| 作者： 发布于：2018/12/21 10:37:13 点击量： |
SCR脱硝系统中气流分布均匀性研究 （西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049） 摘要：选择性催化还原技术是目前应用最为广泛的烟气脱硝技术，改善脱硝反应塔内的气流分布均匀性，可以有效提高催化剂的利用效率。本文采用标准κ-ε双方程模型，建立了SCR反应塔数值模型，进行了数值模拟计算。模拟得到了整个SCR脱硝系统反应塔内的流场分布，可直观监测到系统内的烟气流动状况。通过数值模拟，得到较优的SCR脱硝反应塔结构、反应塔内导流板结构参数、转弯烟道内导流板数目及结构参数，为实际工程中SCR脱硝系统内的流场优化和脱硝效率的提高提供参考。 关键词：SCR；气流分布均匀性；导流板 1引言 现阶段我国以燃煤为主的能源利用形式对烟气脱硝技术提出很高的技术要求，而选择性催化还原技术作为燃煤电厂中用于尾部烟气脱硝的重要技术，其所使用的价格昂贵的催化剂成为诸多学者关注和研究的重点[1]。对于催化剂来讲，气流分布的不均匀会直接导致催化剂得不到充分利用，从而导致脱硝效率的降低。因此，如何保证SCR脱硝系统内部流场及混氨均匀，对国内的SCR脱硝系统工程的新建及改造意义重大。 潘海浪等学者结合SIMPLE算法，采用RNG k-ε双方程模型，发现加装整流板以后能够有效地改善气相流场分布，圆弧状整流板效果更佳[2]。华北电力大学的董建勋、于遂影等学者对两种不同结构的反应塔进行了烟气流速均匀性试验，得到了较为合理的反应塔结构[3]。张波等人通过数值模拟和模型试验，研究了某电厂300MW机组锅炉SCR装置内的流场。通过调整烟道结构设计、安装导流叶片以及延长整流格栅前导流叶片长度等，使SCR装置能够满足喷氨格栅来流烟速分布的要求，提高了催化剂来流烟速分布的均匀性和方向性[4]。周健等学者以某火电厂600MW机组选择性催化还原法(SCR)反应器为对象，采用流体动力学计算软件ANSYS-CFX10.0对7种不同的导流板设计和布置方案进行数值模拟，确定出最优的导流板布置，可使催化剂层入口处流场均匀性明显提高[5]。 尽管之前有学者对脱硝装置内气流分布的均匀性展开过数值模拟和实验研究，但其研究主要侧重点是对于某个具体的SCR脱硝装置的具体结构进行结构优化，得出对于该装置本身较为合理的优化方案，很少有对普遍性的反应系统各个主要结构进行系统的研究分析，探求其对下游烟道气流分布均匀性的影响，以便对实际工程设计及应用提出合理的参考及建议。 本论文以某电厂2×600MW超临界燃煤机组配置的SCR脱硝系统为原型进行模拟研究，主要研究SCR脱硝系统的不同类型反应塔、反应塔内和转弯烟道内加装不同导流板数目、导流板进、出口不同直段长度以及不同过渡段长度对第一层催化剂层前气流分布均匀性的影响，得出较为合理的布置方式及组合。 2 烟道结构 图1为SCR脱硝系统示意图，风机将模拟烟气经两个转弯烟道送入SCR脱硝反应塔，经过3层催化剂层之后由反应塔出口排出。模拟的基本设计思路是通过加装不同数目及进、出口不同直段长度的导流板，使其将系统烟道及反应塔平均分为等横截面积的几个腔室，使烟气从进入SCR脱硝系统的进口烟道，经过各个转弯烟道，直至到达反应塔内，所经过的各个腔室的烟气量尽量保证基本相等。通过提高系统上游烟道各个横截面的均流效果，从而改善第一层催化剂层之前的气流分布均匀性，提高催化剂的利用率，进而提高SCR脱硝系统的脱硝效率。 试验中采用当量长度L标示导流板的长度，L为导流板或直段的长度与进口烟道当量直径的比值。
图1 SCR脱硝系统示意图 3 数学模型 本文重点研究SCR脱硝系统的烟道以及反应塔上部导流板、均流板布置对第一层催化剂流场分布的影响，不涉及化学反应过程。利用FLUENT软件进行数值模拟计算，网格类型采用四面体网格和六面体网格两种，除了楔形反应器顶部和反应器出口处结构不规则而采用四面体网格划分之外，其余部分均采用六面体结构化网格进行划分。网格质量良好，均通过网格质量检验。各个工况模拟三遍，网格总数量分别为30万，70万和100万，平均步长分别为10mm，8mm和7mm。模拟结果相对误差较小，满足网格无关性验证。 湍流模型选择k-epsilon双方程模型中的标准模型（Standard）、标准近壁处理（Standard Wall Functions）；求解器采用压力基求解器；选用空气作为流体进行试验，设定烟道进口速度为12m/s；出口类型为压力出口；多孔介质模型的参数设置中，黏性阻力损失x、z向均为1.0×1010，y向为1.0×108；设定各项残差精度为1.0×108。 4 模拟工况 针对以上试验目的和设计思路，主要从以下几方面设计试验工况进行试验研究： （1）SCR脱硝系统反应塔的试验工况设计。塔对于反应塔的类型，试验选取了4种类型的反应塔，如图2，包括平顶反应塔R0、两种过渡类型的反应塔R1、R2，以及楔形反应塔R3。对于4种类型的反应塔，其顶部水平方向的长度分别为450mm，300mm，150mm和0mm。在SCR脱硝系统内不加装任何导流板的前提下，研究4种类型的反应塔内第一层催化剂层之前的气流分布均匀性。
图2 四种类型反应塔 （2）反应塔内导流板选取。对于反应塔内导流板的选取，是在既定SCR脱硝系统反应塔类型的基础上，在反应塔内均匀加装2块导流板。本着均分流量思想，2块导流板将连接进口烟道及出口反应塔的腔室平均分为3个等截面腔室，假定来流均匀的情况下，保证烟气从烟道进入反应塔的过程中，进入3个等截面腔室的烟气量基本相等。 导流板进口分别加装长度为L3的直板，出口分别加装长度为L4的直板。反应塔导流板进口直板的当量长度L3分别取0，0.1，0.2。 （3）转弯烟道均流特性的试验工况设计。转弯烟道内分别均匀加装N块导流板，导流板的进口分别加装长度为L1的进口直板，出口分别加装长度为L2的出口直板。导流板的个数N分别取0块，1块，2块和3块。转弯烟道导流板进口直板的当量长度L1分别取0，0.1，0.2和0.3；出口直板的当量长度L2分别取0，0.1，0.2和0.3。 5结果与讨论 5.1反应塔类型的影响 气流从烟道进入反应塔内，横截面积突然变化，引起流体不可逆的局部阻力损失。该区域的局部阻力损失与动、静压之间的转换效应也会对气流分布均匀性产生显著影响。由图3中可以看出，平顶反应塔R0内存在很大的速度回流区，经过渡型反应塔R1、R2到楔形反应塔R3，回流区的问题有所改善。惠世恩、徐通模教授的研究表明，采用等压风室时，系统的总压降可能相等，但是可以很大程度减小不可逆压力损失[6]。而对于本试验中的四种不同类型的反应塔，楔形反应塔R3结构类似于等压风室，不可逆压力损失相对R0、R1、R2较小，因此气流分布均匀性相对较好。 之前的研究表明，反应塔导流板出口加装出口直板之后能够很大程度上改善首层催化剂层之前的气流分布均匀性。在此基础上，我们继续研究反应塔导流板进口加装不同长度进口直板时的影响。上游两个转弯烟道内分别均匀加装3块导流板，导流板进、出口均不加装进、出口直板。反应塔内均匀加装2块导流板，导流板出口均匀加装8块当量长度L4为0.2的出口直段。在以上工况条件不变的基础上，反应塔内导流板进口均匀加装2块当量长度L3分别为0，0.1和0.2的进口直板，2块进口直板将进口烟道平均分为3个等截面腔室，假定来流均匀的情况下，保证进入3个等截面腔室的烟气量基本相等。 试验过程中，本着均分截面等流量均流的设计思想，即设计尽量保证流体在SCR脱硝系统内各个被导流板或进、出口直板隔开的腔室内都能够基本实现等流量通过，以促使下游的气流分布均匀性更加良好。与预期效果相反，在导流板进口加装进口直板后，出口下游的均流效果反而变差，进口直板越长，均流效果恶化越厉害。我们选取数值模拟试验这3种工况Z=200mm切面的速度云图进行比较分析，如图4。分析结果如下：气流经过两个转弯烟道之后，经过很短的烟道距离，未经充分发展就经导流板引流进入反应塔内。而经过两次转弯烟道之后的气流不可能完全分布均匀，或多或少存在一定的速度分布偏差。当在反应塔导流板的进口加装进口直板后，相对缩短了充分发展的距离，进口直板越长，充分发展的距离就越短，导致流入被导流板分开的各个腔室的气流量差异就越大，因此造成出口下游气流分布越不均匀。因此，当两个转弯烟道之间距离较短时，第二个转弯烟道导流板的进口不适合加装进口直板。
图4 反应塔导流板3种长度进口直板工况下Z=200mm切面速度云图 5.3 转弯烟道处均流效果优化 SCR脱硝系统中存在转弯烟道，实际工程中，不仅仅在SCR脱硝系统中，很多情况下都会遇到转弯烟道，都存在气流通过转弯烟道后分布不均匀的问题。因此研究转弯烟道处导流板对烟道内气流分布均匀性的影响意义重大。我们在之前反应塔内导流板及均流板优化的基础上，进一步在转弯烟道中加装不同数目的导流板及导流板上、下游不同长度的均流板，研究其对转弯烟道气流分布均匀性的影响。 5.3.1 不同数目导流板 在楔形反应塔R3的第二个转弯烟道处均匀加装3块导流板，导流板进、出口不加装进、出口直板。反应塔内均匀加装2块导流板，导流板进口不加装进口直板，出口均匀加装8块当量长度L4为0.2的出口直板。在以上工况条件不变的基础上，第一个转弯烟道处分别均匀加装N块导流板，本着均分流量思想，N块导流板将转弯烟道平均分为（N+1）个等截面的腔室，假定来流均匀的情况下，保证在转弯烟道中进入各个等截面腔室的烟气量相等。导流板的个数N分别取0块，1块，2块和3块。 图5为数值模拟转弯烟道4种不同数目导流板工况Z=200mm切面的速度云图。从图中可以看出，转弯烟道不加装导流板时，在弯道内侧存在一个高速区，经过转弯烟道后导致出口下游烟道后侧存在一个高速分布带，前侧存在低速分布带。加装导流板之后，能够一定程度缩小弯道内侧高速区的范围，增加导流板的数目，改善效果更加明显。当导流板增加至3块时，高速分布带及低速分布带已基本消失，气流分布均匀性很大程度上有所提高。
图5 转弯烟道内4种数目导流板工况下Z=200mm切面速度云图 5.3.2不同长度导流板出口直板 进一步改变导流板出口直板的长度，研究其对转弯烟道出口下游气流分布均匀性的影响。第二个转弯烟道内均匀加装3块导流板，导流板进、出口不加装进、出口直板。反应塔内均匀加装2块导流板，导流板进口不加装进口直板，出口均匀加装8块当量长度L4为0.2的出口直板。在以上工况条件不变的基础上，在转弯烟道内均匀加装3块导流板，导流板进口不加装进口直板，出口均匀加装3块当量长度L2分别为0，0.1，0.2和0.3的出口直板，这3块出口直板将对应的出口烟道段平均分为4个等截面腔室。 图6为转弯烟道内导流板出口加装不同长度出口直板工况下数值模拟Z=200mm切面速度云图。从云图中可以看出，转弯烟道导流板出口加装出口直板后，靠近转弯烟道内侧局部的高速区域面积有所减小，速度值也有所降低。而不同长度出口直板工况之间的速度值分布差异不大，云图中几乎体现不出来。数值模拟试验云图中的所反映的现象与上述数据处理结果基本保持一致。
图6转弯烟道导流板4种长度出口直板工况下Z=200mm切面速度云图 5.3.3不同长度导流板进口直板 在上述试验的基础上，进一步改变导流板进口直板的长度，研究其对转弯烟道出口下游气流分布均匀性的影响。在楔形反应塔R3的第二个转弯烟道内均匀加装3块导流板，导流板进、出口不加装进、出口直板。反应塔内均匀加装2块导流板，导流板进口不加装进口直板，出口均匀加装8块当量长度L4为0.2的出口直板。在以上工况条件不变的基础上，在转弯烟道内均匀加装3块导流板，导流板出口不加装出口直板，进口均匀加装3块当量长度L1分别为0，0.1，0.2和0.3的进口直板，这3块均流板将对应的进口烟道段平均分为4个等截面的腔室，假定来流均匀的情况下，保证在转弯烟道中进入各个等截面腔室的烟气量相等。 图7为转弯烟道导流板进口加装不同长度进口直板工况下数值模拟试验Z=200mm切面速度云图。从云图中可以看出，不同长度进口直板工况之间的速度值分布差异不大，云图中几乎体现不出来。数值模拟试验云图中的所反映的现象与上述数据处理结果保持一致。
图7 转弯烟道导流板4种长度进口直板工况下Z=200mm切面速度云图 6 结论 通过对比平顶反应塔R0，两种过渡型反应塔R1、R2，以及楔形反应塔R3空反应塔内的流场分布，得出楔形反应塔R3的均流效果优于其它三种。 在楔形反应塔R3上部加装2块固定导流板，改变导流板出口直板长度。发现当转弯烟道离反应塔距离较近时，在反应塔内导流板进口加装进口直段会导致首层催化剂层之前的气流分布均匀性变差。与不加装导流板出口直板相比较，在导流板出口加装出口直板后，能够很大程度提高首层催化剂层前的气流分布均匀性；当导流板出口直板当量长度在0.2~0.4长度范围内，增加导流板出口直板的长度有助于改善首层催化剂层之前的气流分布均匀性。 转弯烟道内不加装导流板或者加装1块导流板时，转弯烟道出口下游的气流分布均匀性极差；加装2块导流板时，可以达到合格标准；加装3块导流板时，可以达到优秀标准。转弯烟道内导流板加装出口直板能够改善转弯烟道出口下游的气流分布均匀性，但是出口直板当量长度在0.1~0.3长度范围内对烟道出口下游气流分布均匀性的影响差别不是很大。转弯烟道内导流板加装进口直板不能改善转弯烟道出口下游的气流分布均匀性，而且进口直板的当量长度在0~0.3长度范围内变化时，转弯烟道随着进口直板长度的增加还有缓缓变差的趋势。 参考文献 [1] BP. 世界能源统计. 2018. [2] 潘海浪, 郝大伟, 赖宝文. 脱硫塔内部流动优化的数值模拟[J]. 东北电力大学学报. 2007(01). [3] 董建勋, 于遂影, 祁宁, 等. 火电厂SCR脱硝反应塔均流与混合技术试验研究[J]. 热力发电. 2006(10). [4] 张波, 张伟, 牛国平. 300MW机组锅炉SCR装置流场研究[J]. 热力发电. 2012, 41(7): 22-24. [5] 周健, 阎维平, 石丽国, 等. SCR反应器入口段流场均匀性的数值模拟研究[J]. 热力发电, 2009, 38(4): 22-25. [6] 徐通模, 刘尧奇, 惠世恩. 风室内受限射流特性及其对配风均匀性的影响[R]. 1986. 作者简介： 王登辉（1989.08-），西安交通大学，能源与动力工程学院，博士，助理研究员 收稿日期：2018.11.2 责任编辑：张仲民 |
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