燃煤电厂SCR反应装置数值模拟及优化研究.pdf

南京理工大学 硕士学位论文 燃煤电厂SCR反应装置数值模拟及优化研究 姓名韩升 申请学位级别硕士 专业工业催化 指导教师钟秦;陈迁乔 20100620 硕上论文燃煤电』‘S C R 反心装置数值模拟及优化研究 摘要 以燃煤电厂6 0 0 M W 机组为对象，采用C F D 软件F L U E N T ，开展烟气脱硝工程 核心设备选择性催化还原 S C R 反应装置的数值优化研究。 在锅炉最大蒸发量 B M C R 工况下，应用标准K 吨湍流模型，对反应器及其连 接烟道内的流场进行数值模拟。模拟结果表明反应器斜顶结构优于平顶，烟道采用弧 形拐角以削弱局部高低速区，渐变出口形式更加有利于反应器内部流场的均匀。对上 述布置方案，设置并逐步改进导流叶片位置、数量与形状，从而有效控制烟气速度的 均匀分布。反应装置满足设计要求第一层催化剂表面的速度不均匀值为3 ．O ％，压力 损失为8 3 0 P a 。 S C R 反应器内N H 3 ／N O 。良好的混合，有赖于设计出合理的喷氨格栅并采用合适 的喷氨方式。喷氨格栅简化为若干个在烟道截面内按规律分布的喷嘴。根据N O 。的分 布，将喷嘴进行分组，增大靠近烟道壁面的喷氨量，从而得到合适的N H 3 ／N O 。摩尔比。 催化剂层简化为多孔介质模型，并采用层流有限速率模型模拟其中的催化反应。经催 化反应后，氨逃逸量约为2 ．2 6 1 0 。6 ，脱硝率约为8 0 ．7 ％，满足设计要求。 应用分散相模型 D P M ，对烟气中飞灰颗粒运动轨迹及反应器内部各位置的颗 粒浓度分布进行模拟。模拟结果表明催化剂层左侧的颗粒浓度较高，在此处发生飞灰 的堵塞甚至堆积。因此，在每层催化剂上方安装吹灰器并将其布置于反应器左侧，进 行定期吹扫，可避免或减轻大粒径飞灰颗粒对催化剂的磨损和堵塞。 通过变工况下的速度场及压力损失的考察，证实了S C R 反应系统的可靠性。为 增强反应系统的调温能力，设计出一种插入．间歇式省煤器旁路烟道，可以将第一层催 化剂表面的温度提高到最低运行温度以上并且温差控制在1 0 K 以内。 关键词选择性催化还原，数值模拟，气固两相流，省煤器旁路 A b s t t a c t硕士论文 A b s t r a c t B a s e do nt h ed e N O xp r o j e c to fa6 0 0 M Wc o a l f i r e dp o w e rp l a n t ，s o f t w a r eF L U E N T o fC F Dw a su s e dt oc a r r yo u tt h en u m e r i c a lo p t i m i z a t i o no fS C Rr e a c t o r s ，w h i c ha r et h e c o r ee q u i p m e n t si nt h ep r o j e c t ． 1 1 1 es t a n d a r dK - I ；t u r b u l e n c em o d e lw a su s e dt Os i m u l a t et h ef l o wf i e l do ft h em a i n p a r to ft h er e a c t o ra n d i t sc o n n e c t e ds t a c ku n d e rb o i l e rm a x i m u mc o n t i n u er a t e B M C R c o n d i t i o n ．B a s e do nt h er e s u l t s ，t h er e a c t o rw i t hs l a n tt o pw a sb e t t e rt h a nf i a tt o p ，t h eh i g h o rl o ws p e e di nl o c a la r e a sc o u l db ew e a k e n e db yc u r v e dc o m e r , t h eo u t l e tw i t hg r a d u a l c h a n g ew a sm o r ec o n d u c i v et oo p t i m i z e f l o wf i e l d ．A tt h es a m et i m e ，t h ev e l o c i t y d i s t r i b u t i o no ff l u eg a sc o u l db ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e db yi m p r o v i n gt h ep o s i t i o n ，n u m b e r a n ds h a p eo ft h eg u i d ev a n e s ．T h ed e s i g no ft h er e a c t o rm e tt h ed e m a n d s t h es p e e d d i f f e r e n t i a lv a l u eo ft h ef i r s tc a t a l y s ts u r f a c ew a s3 ．0 ％a n dp r e s s u r el o s sW a sa b o u t8 3 0P a ． G o o dN H 3 ／N O xm i x i n gi nS C Rr e a c t o rd e p e n d so nt h er e a s o n a b l es t r u c t u r eo f a m m o n i ai n j e c t i o n 鲥d s A I G a n dt h er i g h tm e t h o do fi n j e c t i n ga m m o n i a ．A I Gw e r e s i m p l i f i e da sa n u m b e ro ft h en o z z l e s ，w h i c hw o u l db ea r r a y e dw i t hs o m er e g u l a r i t ya c r o s s t h es t a c ks e c t i o n ．T h ea p p r o p r i a t eN H 3 ／N O xm o l a rr a t i oc o u l db eg o t t e nb yg r o u p i n g n o z z l e sa n di n c r e a s i n gt h ea m o u n to fi n j e c t i n ga m m o n i an e a rt h ew a l la c c o r d i n gt ot h e d i s t r i b u t i o no fN O x ．C a t a l y s tl a y e r sa n dr e l a t i v ec a t a l y t i cr e a c t i o nw e r es i m u l a t e db yp o r o u s m e d i aa n dl a m i n a rf l o wf i n i t e - r a t em o d e l ，r e s p e c t i v e l y ．T h ed e s i g nr e a c h e dt h e r e q u i r e m e n t s d e N O xp e r f o r m a n c ew a sa b o u t8 0 ．7 ％a n dt h ea m m o n i as l i pW a sa b o u t 2 ．2 6 x10 一a f t e rc a t a l y t i cr e a c t i o n ． D i s p e r s e dp h a s em o d e l D P M W a su s e dt os i m u l a t et h et r a c ko fa s ha n dt h ep a r t i c l e c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nw i t h i nt h er e a c t o r ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tp a r t i c l e se a s i l y s u b s i d e do nt h el e f ts i d eo fc a t a l y s tl a y e r s ，w h i c hm i g h tm a k ea s ha c c u m u l a t e d ．T h e r e f o r e ， i tw a sn e c e s s a r yt oi n s t a l lt h es o o tb l o w e r sa b o v et h el e f ts i d eo fe a c hc a t a l y s tl a y e r ．T h e w e a r i n ga n dp l u g g i n go ft h ec a t a l y s t s ，c a u s e db yt h el a r g es i z ea s hp a r t i c l e s ，c o u l db e a v o i d e do rr e d u c e db ys o o tb l o w e r sp u r g i n gr e g u l a r l y ． T h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no ft h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dp r e s s u r el o s si nv a r y i n g o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h er e l i a b i l i t yo ft h eS C Rs y s t e mw a sc o n f i r m e d ．B e s i d e s ，ak i n do f i n s e r t b a t c he c o n o m i z e rb y p a s sW a sd e v e l o p e dt oe n h a n c et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e mo f r e g u l a t i n gt e m p e r a t u r e ．B ya d j u s t i n gt h ee c o n o m i z e rb y p a s s ，t h es u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h e f i r s tc a t a l y s tl a y e rc o u l db er i s e do v e rt h em i n i m u mo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h e U 硕士论文 燃煤电』‘S C R 反J 娅装置数值模拟及优化研究 d i f f e r e n c eo f t e m p e r a t u r ec o u l db ec o n t r o l l e di nIO K ． K e y w o r d s s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n s S C R ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，g a s s o l i df l o w , e c o n o m i z e rb y p a s s I I I 声明户明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名 2 口／。年b , q , - 。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 篁圭丑乃／口年石月2 口日 硕十论文燃煤电厂S C R 反戍装置数值模拟及优化研究 1 绪论 1 ．1 研究背景 随着国民经济发展，能源消耗逐年递增，伴随而来的大气污染问题渐渐凸显并成 为人们关注的焦点。氮氧化物 N O x 作为我国三大主要大气污染物之一，危害巨大。 N O x 主要有N 2 0 、N O 、N 0 2 、N 2 0 3 、N 2 0 4 和N 2 0 5 等，但燃煤过程中产生的N O x 大多 为N O ，占9 5 ％以上。因物理化学作用的参与，N O x 可引发一系列多层次的环境问题， 严重危害了人体健康和生态安全。 N O 与血色素的亲和力很强，急性中毒后出现无力、头晕、恶心、胸闷等症状； 较高浓度时，引起痉挛和麻痹；高浓度中毒时，将迅速导致肺部充血和水肿，甚至窒 息死亡。N 0 2 毒性更强，能使血液中血红蛋白硝化，造成严重缺氧，在浓度为4 0 0 x 1 0 。6 N 0 2 的大气5 m i n 就会引起人的死亡。在臭氧层，N 2 0 在光合作用下会释放氮原子，氮 原子参与催化循环，破坏臭氧分子，导致臭氧层破坏。另外，N 2 0 会引起温室效应， 导致全球变暖【1 ，2 J 。 N O 。排放的增加使得我国酸雨污染由硫酸型向硫酸和硝酸复合型转变，硝酸根离 子在酸雨中的比例从上世纪8 0 年代的1 ／1 0 逐步上升到近年来的1 ／3 。N O 。对酸雨的贡献 呈增长之势，逐渐抵消了近年来卓有成效的S 0 2 控制效果。更为严重的是，N O x 与挥 发性有机物达到一定浓度后，形成光化学烟雾[ 2 1 。 N O x 来源广泛。自然界的氨氧化、生物质的燃烧、土壤排出物、闪电合成和平流 层光化学反应等，均能生成N O 。。人类活动也会产生N O 。，一为活动源，主要来自机 动车排放的尾气；二为固定源，主要来自火力发电和工业生产。据统计，人类活动产 生的N O 。仅为自然界的十分之一，但人类活动的生产源较集中，多在自身活动的环境 区域内，其危害远远大于后者p ，4 J 。 我国是世界上少数以煤为主要能源的国家之一，因此决定了电力行业的结构以燃 煤电厂为主，并且在今后较长一段时间内不会改变。随着工业化进程的推进，燃煤电 厂的燃煤量飞速增加，从2 0 0 0 年的5 ．8 亿吨煤激增到2 0 0 7 年的1 4 亿吨【5 1 。燃煤排放 的N O 。亦随之不断增长，据中国环保产业协会的中国火电厂氮氧化物排放控制技术 方案研究报告分析，2 0 0 7 年燃煤电厂N O x 排放量为8 4 0 万吨，比2 0 0 3 年的5 9 7 ．3 万吨增加约4 0 ．6 ％，约占全国N O x 排放量的4 0 ％。2 0 0 8 年全国N O 。排放量达到2 0 0 0 万吨，已成为世界第一的N O 。排放国。因此，N O 。控制形势严峻。 欧美等国，在2 0 世纪4 0 年代因机动车尾气排放的N O 。和V O C 引起光化学烟雾 污染，便开始了同N O 。的较量；8 0 年代围绕N O x 污染制定各类排放源排放标准，并 签订各类国际公约和协议来控制国家层面的排放总量[ 6 - , 9 1 。日本的大气污染防治法， l l 绪论硕士论文 从1 9 7 3 年的制定到1 9 8 7 年第4 次强化修订，使排放浓度标准不断升级，最终追加 N O x 为总量控制物质l l Ⅲ。 我国N O 。排放控制起步虽相对较晚，但治理力度不断增强。国家环境保护总局于 1 9 9 1 年批准颁布了燃煤电厂大气污染物排放标准；1 9 9 6 年修订首次增力HT N O 。排 放浓度限值；2 0 0 3 年的修订，根据时段及燃料特性，划分了排放标准限值最近准备 第三次修订，将进一步严格N O x 排放浓度限值。省级地方政府还可根据当地实际情况， 颁布更为严格的地方性排放标准【l 。2 0 0 4 年出台的排污费征收使用管理条例及2 0 0 6 年燃煤烟气脱硝技术装备的制定完善了环境保护的法律体系。 在政策调控方面，我国可借鉴欧美及同本等国，如欧美等国的命令控制型与市场 激励型相结合的政策手段及体现“技术强制“ 的排放标准【1 2 1 ；日本的排放标准针对不 同的行业、各类污染源的都有不同的详细标准，更具针对性、科学性和可行性【l 0 1 。 今后，我国应通过经济、技术及法律等多种手段，尤其加快N O x 控制技术的研发， 加大N O 。的控制力度。 1 ．2N O x 控制技术 目前，已有多达几十种N O 。控制技术，但归纳起来主要分为燃烧前、燃烧中和燃 烧后三方面的技术。 燃烧前控制技术主要涉及对燃料煤的处理或使用替代燃料，如目前研究的整体煤 气化联合循环 I n t e g r a t e dG a s i f i c a t i o nC o m b i n e dC y c l e ，I G C C 发电系统，在国际上已经 历三代的技术更新，在欧美日及我国都建设了I G C C 示范电站。该技术将煤的气化、 净化技术及高效的联合循环相结合，N O 。排放量仅是常规燃煤电站的1 5 ～2 0 ％左右，但 存在建设费用较高的瓶颈。 燃烧中技术主要采用低N O 。燃烧技术【l3 。，它通过改变燃烧条件或燃烧器结构来降 低燃烧过程中N O 。的产生及其最终的排放。低N O x 燃烧技术经过三代发展，工艺已相 当成熟，并且投资和运行费用较低。按照燃烧技术和原理，低N O x 燃烧器可分为空气 分级燃烧、燃料分级燃烧以及烟气再循环三大类，其中空气分级低N O 。燃烧器使用最 广泛、技术最成熟。低N O 。燃烧器仅用较小成本，便可降低烟气中4 0 ～6 0 ％的N O x ，在 欧美及日本等发达国家应用很广泛。 燃烧后技术，也称烟气脱硝技术，主要有S C R 技术、选择性非催化还原技术 S N C R 、S C R ．S N C R 的联用技术、液体吸收法、微生物吸收法、等离子体法、炽热 炭还原法、反馈式氧化吸收脱硝技术等【1 , 1 3 ] ，这些方法各有优缺点。 目前，已实际应用在电厂的烟气脱硝技术主要有S C R 技术、S N C R 技术及 S C R ．S N C R 的联用技术。S C R 指在催化剂的作用下，还原剂N H 3 或C x H v 等 与烟 气中的N O x 反应并生成无毒无害的N 2 和H 2 0 。催化剂是该技术的关键。S N C R 指在 2 硕{ j 论文燃煤电厂．S C R 反应装置数值模拟及优化研究 无催化剂的情况下在炉膛9 0 0 ～1 1 0 0 。C 温度区域内，用N H 3 或尿素等作为还原剂脱除 烟气中的N O 。。温度控制是S N C R 技术的关键，过高或过低都会导致脱硝效果下降及 还原剂损失。S C R 工艺与S N C R 工艺的比较如表1 ．1 所列。 表1 ．1S C R 与S N C R 工艺比较1 1 4 J T a b l e1 ．1T h ed i f f e r e n c eo fS C Ra n dS N C R l l 4 l S C R ．S N C R 联用技术则结合了两者优势，既在炉膛喷入还原剂进行S N C R 脱硝， 又在省煤器尾部用S C R 技术将逸出的N H 3 和未脱除的N O 。进行催化反应。这样既保证 了一个较高的脱硝率，也将氨逃逸量限制在一个较低的水平，但是在总投资成本和运 行费用依旧较高。 在实际工程应用中，考虑脱硝成本等具体问题，一般将低N O 。燃烧器与烟气脱硝 联合运用，如德国、同本等对N O 。控制较严的国家先采用低N O 。燃烧器，再进行S C R 烟气脱硝，以降低反应器入口的N O 。浓度来减少投资及运行费用。 1 ．3S C R 技术 国家“十二五“ 计划期间将启动强制烟气脱硝，严格控制N O 。排放标准，而S C R 技术以高脱硝率、几乎无二次污染等优点，将成为控制N O x 排放的主流技术。 1 ．3 ．1S C R 技术原理 当以N H 3 为还原剂时，S C R 催化反应过程主要进行以下的反应 4 N H 3 4 N O 0 2 } 4 N 2 6 H 2 0 1 ．1 4 N H 3 2 N 0 2 0 2 } 3 N 2 6 H 2 0 1 ．2 因燃煤电站烟气中的N O 在9 5 ％以上，一般仅考虑H N 3 与N O 的还原反应 忽略 N 0 2 的影响 ，在工程应用中是可接受的，故反应式 1 。1 是主要的。 另外，S C R 脱硝过程中还可能发生以下副反应 4 N H 3 3 0 2 } 2 N 2 6 H 2 0 1 ．3 2 N H 3 _ N 2 3 H 2 1 ．4 4 N H 3 5 0 2 4 N O 6 H 2 0 1 ．5 S C R 反应的温度一般在2 5 0 - 4 5 0 。C 范围内，式 1 ．4 和 1 ．5 在3 5 0 。C 以上才能 3 ％睦坝1 * 女 进行，4 5 0 C 以上，r 始激烈起来；在3 0 0 “ C 以下时脱硝副反应以式 13 为主忆 1 ．3 ．2S C R 布置方式 在实际应用中，S C R 装置有三种抽雹方式 I 静电除尘器之前的高扶柿旨 2 静电除尘器之后，脱硫之前的低扶布胃 3 脱硫之后尾部布置。如图1 1 所示。 篮蓝 啊圜．⋯ ’； | | 口E 网。团I 。 一J ≮r 篙嚣赫 国1 1S C R 反应器布置 F 咄l _ ID e v i c el a y o u to f S C R 第一种高灰布置方式，进入反应器的烟气温度为3 0 0 ～5 0 0 “ C ，般催化剂在此温 度范围内有足够的活性，但烟气中含人量飞扶和S 0 2 ，易导致催化剂堵塞和中毒，使 得催化剂需要频繁的同常维护并大大缩短了使用寿命，增大运行成本。第二种低灰布 置方式虽然避免了飞扶的堵塞问题，但S 0 2 的影响依然存在，『司时需丌发静电除尘器 热端，u r 靠性不高，一般不采用。第三种尾部布置方式，可同时避免毪扶和S 0 2 的影 响．但烟气在经过除尘和脱硫工序后，温度已降至1 0 0 ℃以下，而目前仍无相应的低 温5 “ q k 催化剂出现。若采用颓外的烟气再加热装置，会降低锅炉的热效率且增加运行 费用。冈此，目前在工业应用巾常采用高扶句置方式””。 1 ．3 ．3S C R 技术的应用现状 S C R 技术，首先由E n g e l h a r d 公司发现并于1 9 5 7 年申请专利，经同本成功研制出 J 1 泛应用v 2 0 5 ／T i 0 2 催化剂目在上I i f 纪7 0 年代分别在燃油和燃煤锅炉卜得到了商业运 用，如今已成为世界训弭最多、嚣为成熟的～种脱硝技术。欧洲、同本及美国使用 S C R 技术作为t 要于段之一，成功控制了火电厂N O 。的排放。德国于上世纪8 0 年代 ■■鞘 u 。墨 - 圆～ 琴 1 1 。 函◆r ◆f ◆ 硕{ 论文燃煤电厂S C R 反应装置数值模拟及优化研究 就引入S C R 技术，并规定发电量在5 0 M W 以上机组必须配置S C R 系统脱硝，目前已 装备S C R 技术的发电装置容量为6 0 G W 。截止2 0 0 2 年，日本约有3 0 0 多套S C R 装置 正在运行，折合总容量大约为2 3 ．1 G W 。美国从1 9 9 0 年开始在燃煤发电机组上应用 S C R 技术，截止2 0 0 4 年，应用S C R 的燃煤发电机组总容量达到了1 0 0 G W №】。欧洲 及同本在S C R 的氨逃逸、脱硝率及空气预热器的改造等关键性指标方面，成为世界 范围内S C R 技术的行业标准。 随着N O 。排放标准的同益严格，国内燃煤电厂配设S C R 装置进行烟气脱硝明显 升温，但其核心的催化剂工艺和反应系统设计，仍在欧美R 等国的控制之中。S C R 催 化剂的配方及生产工艺复杂，对原材料来源及生产设备要求很高。国内大部分研究者 I l M l 】主要对催化剂活性组分的组成、反应机理、影响因素及动力学等进行研究，很少 有整体催化剂的制备与成型工艺成果出现，因此催化剂要实现国产化相对较难。但为 满足同益严格的排放标准，燃煤电厂发电机组装备S C R 脱硝装置已是大势所趋。为 抢占脱硝业务的市场份额，国内企业通过引进国外技术或技术合作等方式，研究催化 剂的生产工艺，实现了催化剂的流水线生产。2 0 0 5 年，东方锅炉 集团 股份有限公 司与德国K W L 公司合资成立成都东方锅炉凯特瑞催化剂环保有限公司，合作生产燃 煤电厂S C R 催化剂。2 0 0 6 年9 月，该脱硝催化剂生产流水线单体挤压和干燥试运行 成功。国电龙源环保工程公司与国电环境保护研究院联手引进了日本触媒化成燃煤电 厂蜂窝催化剂的生产技术，合作组建了江苏龙源催化剂有限公司，初期建设l 条生产 线，年产3 0 0 0 m 3 蜂窝式催化剂，已于2 0 0 9 年建成投产。 目前S C R 系统的工程设计主要掌握在日本日立、德国鲁奇、丹麦托普索等外国公 司手罩。因此，国内脱硝工程基本采用全套进口或引进技术和关键设备的方式建设。 当然国内少数环保企业具备了一定的脱硝技术，也发明了一些具有自主知识产权的技 术，如中环工程公司自主研发出“0 1 2 - S C R ”技术【l 训，并成功应用于国华太仓7 、8 号 机组。因此，在工程设计方面，我国企业及相关研究单位要继续积累经验、自主创 新，才能完全摆脱国外高昂的技术使用费或转让费。 在工程应用上，我国烟气脱硝已进入大规模工业示范阶段。台湾地区目前有1 0 0 套以上的S C R 装置在运行。大陆地区的燃煤电厂也陆续出现具有“首”字的脱硝工程 福建后石电厂于1 9 9 9 年投入运行了首台配备S C R 烟气脱硝装置6 0 0 M W 燃煤发电机组； 国华太仓发电有限公司7 号6 0 0 M W 机组烟气脱硝工程采用国内首家自主知识产权 S C R 核心技术设计建设，己于2 0 0 6 年1 月投入运行；厦门嵩屿电厂国内首次2 3 0 0 M W 新建S C R 装置总承包及首次2 3 0 0 M W 旧机组改造，于2 0 0 6 年6 月全部完成建设并成功 投入使用等。截止2 0 0 8 年底全国累计投运脱硝机组约有1 9 6 2 万千瓦，占煤电机组容量 的3 ．4 ％。据不完全统计，目前我国有大约2 0 0 台总装机容量1 ．0 5 亿千瓦的机组通过环评， 其中已运作、在建或拟建的燃煤电厂脱硝项目达5 7 4 5 万千瓦装机容量，部分脱硝工程 l 绪论 硕j 论文 如表1 ．2 所列。 表1 ．2 我国已建、在建或招标的燃煤电厂脱硝工程 T a b l e l 2R u n n i n g ，c o n s t r u c t i n go rb i d d i n gd e N O xp r o j e e t so fc o a l f i r e dp o w e rp l a n ti nc h i n a 建设状态 项目承包商 催化剂时间 在建 或招标 安徽铜陵 2 1 0 0 0 M W 克莱德华通 山东黄岛 2 X 6 6 0 M W 大唐环境 板桥发电厂 7X6 0 0 M W 哈尔滨锅炉 国投宣城 1X6 0 0 M W 安徽马鞍d J 2X6 0 0 M W l 江苏淮E f l 1 3 0 0 M W l 贵州铜锌 2X6 0 0 M W 大唐科技 中环T 程 C o r m e t e c h 2 0 0 7 年中标，预计 2 0 1 0 年投运 2 0 0 9 年在建 2 0 0 9 年在建 2 0 0 9 年在建 2 0 0 9 年在建 2 0 1 0 年招标 2 0 1 0 年招标 江两{ 城 2 x1 0 0 0 M W 一 一2 0 1 0 年招标 - - _ _ ●- _ _ - _ ●_ l 一- - _ _ _ _ l _ _ _ _ ●- ●_ _ ●- - _ - _ _ _ _ _ _ I _ _ _ _ ●- l _ _ - - _ ●_ _ _ _ _ _ ●- 一_ _ _ - - - _ - _ I - _ _ _ - _ - _ - _ l - - l - _ _ - _ - ●- _ - _ I ●l l _ _ 一 “一”n o ta v a i l a b l e N ／A ． 1 ．3 ．4S C R 关键设备的设计 国内燃煤电厂烟气脱硝建设正如火如荼进行，完全依赖国外技术不仅建设周期长 且使用代价高昂。若要实] ；E S C R 技术的国产化，必须深入催化剂工艺及系统关键部分 的研发。其中，S C R 系统可以通过借鉴国内外已建工程的经验并借助有效工具的方式， 6 硕I 论文燃煤电厂S C R 反心装置数值模拟及优化研究 进行自主设计建造，从而缩短S C R - F 程建设周期并节约费用。 S C R 系统主要包括氨储运系统、氨喷入系统、反应器系统、除灰系统及烟气旁路 包括省煤器旁路及S C R 旁路 。氨储运系统及除灰系统为成熟设备，较容易实现； 烟气旁路的设置主要是为了调节烟气温度及保护S C R 催化剂，一般根据情况决定是否 需要设置；而反应器系统及氨喷入系统的设计则是关系至I J S C R 系统能否有效工作的关 键因素。 1 ．3 ．4 ．1S C R 关键设备设计的要点 为确保设计的S C R 反应系统能高效工作，应满足以下条件 1 优化反应器及烟道的布置并确保第一层催化剂入口处烟气速度高度均匀 一般而言，利用有限的空间，设计出具有合理流场的反应器及相连接的烟道，并 通过设置合理的导流措施，使得第一层催化剂入口处烟气速度高度均匀，是可以实现 的。但没有“万能设计”能够在所有的运行状态都能达到最佳的结果。因此，在S C R 脱硝工程中，常以B M C R 工况为设计工况得到反应器优化方案，并在其它工况下调整 导流装置优化流场。 2 确保烟气与还原剂良好的混合效果 N H 3 ／N O x 的混合效果是S C R 脱硝中最重要的指标。若N H 3 ／N O x 的混合效果良好， 烟气中的N O 。可与N H 3 充分接触，将有利于N O 。的脱除。若N H 3 ／N O 。的混合效果较差， 就会使得某些区域N H 3 浓度不足或过量。N H 3 浓度不足会使得N O 。不能被完全脱除，从 而影响脱硝效率；而N H 3 浓度过量会有剩余的N H 3 逃逸到空气预热器等下游区域，增 加了下游设备腐蚀与堵塞的可能性。因此，N H 3 ／N O 。良好的混合效果显得很重要。 3 确保催化剂不会被堵塞 在反应器设计中，应充分考虑飞灰对催化剂的影响。为保证催化剂的高活性的温 度及较高锅炉效率，S C R 装置常采用除尘器之前的高灰布置方式。这使得催化剂暴露 在高灰的环境中，容易被堵塞。若要避免催化剂被烟气中较大含量或粒径的飞灰颗粒 堵塞，不仅需要选择较大的催化剂节距和蜂窝尺寸，还要设计的反应器具有顺畅的流 场，同时还要求安装合理的除灰系统。此外，以飞灰颗粒为研究对象，分析其运动特 性及在反应器内部的浓度分部，将有助于吹灰系统的正确安装以避免或减轻催化剂的 堵塞。飞灰经过催化剂孔道各种情况如图1 ．2 所示。 4 使系统压降最低 在优化S C R 过程中，还需要注意脱硝系统的压降，即烟气流经S C R 脱硝反应器 的压力损失。因为过高的压力降会增加引J x L 机电耗，并影响到锅炉主机和引风机的安 全运行，所以通常要求脱硝装置的压力降小于1 0 0 0 P a 。 5 确保系统可靠的烟气调节能力 锅炉在不稳定情况运行时，烟气温度可能低于铵盐的露点温度，此时逃逸的N H 3 7 绪皓 碗L 论文 会和S 0 3 反应生成的硫酸氧铵，沉积在催化剂表面并堵塞催化剂孔道。另外，烟气温 度太低也不利于保证催化剂的活性。因此需要设置省煤器旁路，可以在低负荷的情况 下维持反应器内部的温度，如图l3 N 示。 阈壤 目略‘括； { ％ 1女壮*t 图1 ．2 飞灰经过催化剂示意图1 2 ‘I F ％1 ．2S c h e m a t i cd i a g r a mo f f l ya s ht h r o u g ht h ec a t a l y s tl ”1 图1 3 省煤器旁路 F i g1 ．3E c o n o m i z e rb y p a s s 值得注意的是，系统满负荷运行时，一般不需要考虑烟气在催化剂层的温度分布， 但低负荷运行时加入省煤器旁路时就很可能会出现反应器内部温度分布不均的情况。 当省煤器旁路的烟气进入处于初始分层的主烟道烟气时，因气体混合不充分．在催化 剂表面的温度分布将偏差很大。因此，在设计省煤器旁路时，应特别注意冷热烟气混 合及反应器内部的温度分布情况。 在设计过程中，S C R 反应器同一般设各相比有其自身的特点，如设备尺寸大、烟 道布置局限性大等，并对烟气流速、氮氮比、温度及飞灰的浓度分布提出了相当苛刻 的要求口”。传统的设计方法仅能给出一些定性的结果，而实验研究由于所建设备尺寸 的大小问题而受到限制。随着流体力学及计算机技术的发展，对S C R 反应装置进行 全尺寸整体的数值模拟已成为可能，且在指导实际工程设计的过程中，数值模拟将发 硕} j 论文燃煤电厂S C R 反应装置数值模拟及优化研究 挥着越来越大的作用。 1 ．3 ．4 ．2 数值模拟工具一F L U E N T 软件 计算流体力学 C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s ，简称C F D 软件，是进行有关流场 分析、预测的专业软件。C F D 软件解决实际问题常按以下三个步骤前处理，计算和 结果数据生成以及后处理。前处理包括建模和生成网格等；计算过程由核心解释器 S O L V E R 根据具体的模型，求解复杂的控制方程组完成，并得到数据结果；后处理 过程则是对得到的数据解释，常以直观的图形展剥2 4 j 。 F L U E N T 是世界上最先进的C F D 软件之一，在流体模拟中得到了最广泛的应用。 F L U E N T 软件可应对各种复杂流动，采用不同的离散方式及数值方法，且同时满足速 度、精度和稳定性等方面的要求，最终解决各类流动问题。此过程的实现可使研究者 将精力用于探索物理问题的本质，而不用进行低效重复性质的编程、前后处理等工作。 G A M B I T 是F L U E N T 专用前处理软件，它拥