燃煤机组SCR脱硝系统的优化设计分析.pdf

燃煤机组 S C R脱硝系统的优化设计分析 文雅 。 马 志刚 ， 金晶 ， 戴 尚莉 ， 刘 颖绮 ， 张殷 浙江浙大网新机电工程 有限公司，浙江 杭州 3 1 0 0 5 1 摘要 采用冷态试验 和数值模拟相 结合对 某电厂 3 6 0 MW 燃煤锅炉 S C R脱硝 系统设计方案进行 了系统分析。 结果表 明， 数值模 拟结果和 冷态试验 结果较为吻合 ， 催化 剂入 口速度分布 值 以及浓度场 值 都能满足设计 要 求。数值模拟 可用于指导 S C R脱硝 系统的优 化设 计。 关键 词 S E R 脱硝 ； 数值模拟 ； 冷 态试验 ；流场 中图分类号 X 5 1 1 文献 标识码 A 文章 编号 1 0 0 43 9 5 0 2 0 1 3 0 4 0 0 5 4 0 3 S i mul a t i o n o pt i mi z a t i o n a nd de s i g n o f a S CR de n i t r i fic a t i o n s y s t e m f o r c o a 1 ． fir e d s t a t i o n W E N Y a ， M A Z h i - g a n g ， 3 I N - J i n g ， e t a l I n s i g ma ME E n g i n e e r i n g Co ． ， L t d ，Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 1 ，C h i n a Abs t r a c t The S CR s ys t e m o f a 3 6 0MW c o a l fir e d u ni t wa s s t ud i e d b y a c o mb i n e d me t h o d o f c o l d mo de l t e s t wi t h n u me r i c a l s i mul a t i o n．T he e x p e r i me n t s s h o we d t h a t t he r e s u l t s o f n ume r i c a l s i mu l a t i o n we r e t he s a me wi t h t h o s e o f c o l d mo d e l t e s t ，wh i c h me a n t h e me t ho d o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n wa s c r e d i bl e．The Cv v a l ue s o f v e l o c i t y fi e l d a n d c o n c e n t r a t i o n f i e l d a t t he i n l e t o f c a t y s t l a y e r we r e s a t i s fie d wi t h de s i g n r e q u i r e me n t ，T he n u me r i c a l s i mu l a t i o ns c a n g ui de t he d e s i g n o f t h e SCR s y s t e m e f f e c t i v e l y． Ke y wo r ds SCR d e n i t r i f i e a t i o n；n u me r i c a l s i mu l a t i o n；c o l d mo d e l t e s t ；flo w fie l d 0 引 言 选择性 催 化 还 原 法 S e l e c t i v e c a t a l y t i c r e d u c ． t i o n ， s c R 以其技 术 成熟 、 脱硝 效 率高 、 几乎 无二 次污染等优点在大型燃煤 电厂获得 了广泛应用。 随着环保排 放标准 的 日益严 格 ， 对反应器 的性能要 求也 E l 益提高。S C R脱硝系统具有设备尺寸大、 烟 道布置局限性大等特点 ， 对烟气流速、 氨氮比、 温度 及飞灰的负载分布提出了相当高的要求 ， 深入研究 烟气脱硝系统， 改善烟气和氨气 的混合均匀程度， 对于燃煤电厂的节能减排工作意义重大。 S C R反 应器 中烟气 的流 动特性 以及 还原剂 与 烟气 的混合 情况对 催化剂 的有效 利用 和脱 硝效率 都有较大的影响。为使脱硝催化还原反应充分进 行 ， 必须 满足适 宜 的反应 条件 和足够 的反应 时 间。 具体要求如下⋯ 1 进入反应器催化剂层的烟气流速分布应 均匀。当气体速度分布不均时 ， 一方面在速度过 高 处会造 成催 化 剂 冲蚀 和 磨损 ， 在 速 度 过 低处 造 成催化剂积灰和堵塞 ， 影 响催化剂 的寿命和脱硝 性 能 ； 另 一方 面烟 气 通过 催 化 剂 的行 程 时 间各 不 相 同 ， 反应时 间不充 足 ， 导致反应 程度 不均衡 。工 程上一般要求第一层催化剂前流场速度相对标准 偏 差 ≤1 5％ 。 2 反应 物浓 度 分 布均 匀 。均 匀 的氨／氮摩 尔 比 ， 也就是 均匀 的反应 物浓度 ， 需要 通过 烟气速 度场和氨喷射速度场的协调配合实现 。一般烟气 中 N O 的浓度 是均 匀 的 ， 因此 要求 N H 喷射 浓度 均匀 ， 在二者 浓度 都均匀 的前 提下 ， 控制速 度均匀 即可 实现浓 度 的均匀分 布 。工程上 一般要 求第 一 层催 化剂前 流场 浓度相 对标 准偏差 ≤5 ％ 。 3 反应温度适宜。使反应温度满足催化剂 的最佳反应温度范围条件 ， 保证反应速度最快。 4 沿烟气流程布置足够的催化剂来保证反 应时 间充 足。 总之 ， 反应器 内速度场 的分 布是影响其运 行性 收稿 日期 2 0 1 21 21 0 作者简介 文雅 1 9 6 6一， 女， 四川成都人 ， 高级 工程师 ， 主要从事能源综合 利用及污染物治理等研究 。 一 5 4 能的关键 因素 。但 由于受空 间限制 ， 从 省煤器 出 口 至 S C R反应器入口这段烟道的设计与布置一般都 非常紧凑 ， 且烟道截面变化大， 急转弯多， 流动速度 分布很不均匀 ， 难以保证烟气与氨气的均匀混合 ， 也难 以保 证烟气 进 入第 一 层催 化剂 的速度 分 布 均 匀。加装导流板以改善弯道 内的速度场是 S C R系 统设计 中 比较成 功的方法 。不 同 的工 程 系统 ， 其 结 构布置 不 同 ， 导 流板的布 置方 案也 不 同。科 学合 理 地布置 导流板 ， 不仅 可 以减少 流体流经 弯道 时 的分 离现象 ， 还能减小二次流带来的阻力。 数值模拟相较 于冷态模拟要更加省时 、 省力 ， 国 内在脱 硝 方 面 刚 刚起 步 ， 一 些 研 究 者 虽 然 已 经 采用数模方法对 S C R系统进行分析 ， 但还 是 有 必要采 用 冷态 实验 与数 值模 拟计 算 的结果 进行 对 比 ，以验 证 数 值 模 拟 计 算 的 准 确性 ， 使数 值 模 拟计算结果更为真实可信 。本文 中以某 3 6 0 M W 燃煤机组 S C R脱硝系统为原型进行数值模拟 ， 针 对 S C R反应器的设计方案进行分析 ， 获得 1 0 0 ％ B MC R B o i l e r ma x i m u m c o n t i n u o u s r a t i n g ，B MC R 工况下的流场和浓度场 ， 并通过冷态模型试验验 证 数值 模 拟结果 的可靠性 。 1 冷态试验模型 本试 验台的模型按实际的 3 6 0 M w 机组 S C R反 应器 1 ／ 1 2比例缩 小 ， 实验 台设计 满足几 何相似 、 运 动相似和动力相似原则。冷态物理模型从省煤器底 部低温过热器区域延伸至空预器入 口。其中优化流 场的部件包括 1 省煤器出口及喷氨格栅前设置 导流板 ； 2 A I G A m m o n i a i n j e c t i o n g r i d ， A I G 下 游 设置静态混合器。并在各烟道转弯及截面变化区域 设 置导 流板 ； 3 在 催 化剂 层人 口处安 装 了整 流格 栅。冷态物理模型主体采用 8 m m透明有机玻璃制 作， 以便于观察流场 ， 喷氨格栅采用不锈钢管制作， 导流板及空预器人 口处烟道采用钢板制作 ， 采用等 压海绵模拟催化剂床层的阻力。 2数学模型与数值计算 方法 2 ． 1 模 型 简化 对于实 际燃 煤 电厂 的脱硝装置 的设 计 ， 采 取措 施保证脱硝反应器中催化剂人 口截面气体速度和 反应物分布的均匀性是 主要技术关键。根据设计 要求确定 计 算 方案 ， 确 定 S C R 反应 器 、 导 流 叶栅 、 整流板 、 涡流混合 器 等 主要 流动 部 件 的几 何模 型 ， 提高第一层催化剂入 口前气流均匀性 ， 使氨气和氮 氧化物充分混合 ， 提高脱硝效率。对 S C R反应器 人 口烟道及 其导 流 、 整 流部 件 进行 了优 化 设计 ， 得 到合理 的设计 方案 ， 模拟 范围从省煤器 出 口到空气 预热器入 口。本文 中此模 型 的几何 尺 寸是 按 S C R 系统 的实 际尺寸构造 ， 几何模 型如 图 1 所示 。 图 1 S C R系统 C F D模型 由于 S C R烟气脱硝过程十分复杂 ， 它涉及到 反 应器结 构 的设 计 ， 烟 气 与 还原 剂 在 烟 道 和反 应 器里面的湍流流动 ， 传热传质， 多组分输运 ， 化学 反应等过程。由于条件所限， 在建立模型之前需 对实际过程作如下近似假设 考虑到两个反应器 是对称性 ， 只模拟单侧的一个反应器 ， 忽略一些对 流 场影 响较 小 的 内部 构 造 构 架 、 梁 等 ； 导 流 板 的厚度 相对 烟道 尺寸 较小 ， 假设其 厚度 为零 ； 不考 虑系统的漏风 ； 烟气中灰分对本研究影响较小 ， 因 此 不考 虑灰 分 的影 响 ； 在反 应器 上游 烟道 中 ， 烟气 各组分不发生化学反应； 流动是定常流动 ； 流体物 性参数为常数。 2 ． 2控 制 方 程 本 文 中选取 烟 气 为 流动 介 质 ， 设 流 动 为不 可 压流动。采 用标准 k s模 型模拟气体湍流流 动； 采用物质输运模型模拟多种物质的混合； 采用 多孔介 质模 型模 拟催 化剂 结构 及整 流格栅 。下面 给出了在三维直角坐标系下基本控制方程中各项 的表达 式 。 连 续性 方程 d i v p u c b d i v Fg r a d b S 湍流方程 标准 ks模型 毒 G k - p 8or d￡ a a ，l I ‘ Ia ， I 褊 瀚 2 0 1 3 年 ， 第 4 期一 5 5 风 出 口烟温 最低 。 4 结 论 对 3 0 0 M W 电站锅 炉燃 烧 调 整数 值 模 拟结 果 表明 ， 在炉膛同一高度上 ， 宝塔配风炉膛中心温度 较高 ， 且炉膛中心含氧量较低 ； 与其他两种配风方 式 比较 ， 宝塔 配风 方 式 下炉 膛 侧 墙 附近 氧 浓 度较 高 ， 燃烧 器及 以下 区域基本 呈 现氧化 性 区域 ， 不 容 易结 渣 ； 宝 塔配 风 飞灰 含碳 量 较 低 ， 燃尽 率 较 高 ， 上接 第 5 6页 3 考虑到数模 和物模会 略有偏差 ， 在实际 的数模计 算中应 该尽量降低速度及浓度 分布的 c ， 以最大程度的满足系统设计要求 。 参考 文献 [ 2 ] 陈莲芳 ， 周 慎杰 ， 王 伟．选择 性催 化还 原烟气 脱 硝反 应 器 流 场 的 模 拟 优 化 [ J ] ． 动 力 工 程 学 报 ， 2 0 1 0， 3 0 3 2 2 42 2 9 ． 蒋新伟 ， 施平平 ， 钟毅 ， 等． 电站锅炉 S C R系统流 上接 第 6 0页 3 结 论 1 随着氧气浓度的增加， 煤气中各可燃气体 的组分 明显增加 ， 煤气的热值也 明显增加 ， 因此气化 过程中适 当提高氧气 的浓度可以提高煤气的热值 ； 2 随着 氧 气 浓 度 的 增 加 ， 碳 转 化 率 明显 增 加 ， 半 焦含碳 量 明显 降低 ； 3 随着空煤 比的增加 ， 煤气热值 出现 了明 显 的下降 ； 4 与 空 气 气 化 数 据对 比可 知 ， 富 氧 气 氛 下 煤气的热值明显高于空气气氛下煤气的热值。 参 考文 献 [ 1 ] 方梦祥 ， 曾伟 强 ， 岑 建孟 ， 等． 循环 流化床煤 分级 转 化多联产技术 的开发 与应 用 【 J ] ． 广东 电力 ， 2 0 1 1 ， 2 4 9 18 ． [ 2 ] 岑建孟 ， 方 梦祥 ， 王勤辉 ， 等． 煤分 级利用 多联 产技 一 6 8 一 双曲配风方式炉膛出口烟温最高 ， 宝塔配风次之， 均匀 配风 出 口烟 温最低 。 参考 文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 张善 军 ， 穆林 ， 尹洪超 ， 等． 锅炉结 渣过程 研究 与结 渣数值模拟 [ J ] ． 节能技术 ， 2 0 1 0 ， 2 8 3 2 6 2 2 6 7 ． 李永华 ， 陈鸿伟 ， 刘 吉臻 ， 等． 8 0 0 MW 锅炉混煤燃 烧 数值模拟 [ J ] ． 中国电机工程学报． 2 0 0 2 ， 2 2 6 1 0 1 1 04． 场的冷态 试验 与 数值 模拟 的研 究 [ J ] ． 能 源工 程 ， 2 0 1 0 3 5 l一5 5 ． 刘小 波 ， 陈冬林 ， 姜 昌伟 ， 等． 燃煤 锅炉选 择性催 化 还原脱硝反应器 结构 的模拟优 化 [ J ] ． 动力 工程学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 5 3 8 4 3 8 9 ． 郭婷婷 ， 刘汉强 ， 杨 勇平 ， 等． 基 于数值模 拟 的 1 0 0 0 M W 燃煤机组 S C R脱硝系统设计 [ J ] ． 电站 系统工 程 ， 2 0 1 0， 2 6 5 6 16 4 ． 王福军． 计算流体动力学分析c F D软件原理 与 应用 [ M] ． 北 京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 术及其发 展前景 [ J ] ． 化 工进 展 ， 2 0 1 1 ， 2 9 增 刊 70 570 8． 王勤辉 ， 骆中泱， 方梦祥 ， 等． 1 2兆瓦热 电气多联产装 置的开发 [ J ] ． 燃料化学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 0 4 1 4 1 1 4 6 ． 黄亚继 ， 金保升 ． 循环 流化 床部分煤 气化 实验研 究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 3 ， 1 2 2 02 3 ． 赵孚 ， 李定 凯 ， 吕子安 ， 等． 水 蒸汽 流化下 煤气 化 气态污染物释放研 究 污染物生成 与脱 硫试验研究 [ J ] ． 环境科学学报 ， 1 9 9 8 ， 5 3 2 2 52 2 9 ． 赵孚 ， 李定凯 ， 吕子安 ． 水蒸汽 流化下煤气化气 态 污染物释放研 究 污染物生成与脱硫过 程综合模 型 [ J ] ． 环境科学学报 ， 1 9 9 8 ， 5 3 2 3 0 2 3 5 ． 刘皓 ， 黄永 俊 ， 杨 落恢 ， 等． 高温快 速加热 条件 下 压力对煤气化反应 特性 的影 响 [ J ] ． 燃烧科 学与 技 术 ， 2 0 1 2 ， 1 8 1 1 51 9 ． 谢俊 ， 金保 舁 ， 钟文琪． 基于 MP P I C模型的流化 床煤气化过程三维数值模拟 [ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 l 2． 3 3 6 9 8 19 8 4 ． 1j 1 』1 j 1 j 3 4 5 6 7 8 r }r L r L r L