SCR脱硝流场CFD模拟与优化

2015年以来,“超净排放”、“超低排放”、“近零排放”等新提法对氮氧化物的排放浓度要求是50mg/Nm3,最新提出的“超超低排放”更是要求氮氧化物的排放浓度小于35mg/Nm3。目前为止,几乎所有的电厂都已经配套了脱硝设备,而要想脱硝性能得到最佳发挥,催化剂和流场是两个重要的突破口。


 

1 脱硝流场的意义

脱硝催化剂和流场是影响 SCR 脱硝系统性能的两个重要的因素。催化剂性能一定的情况下,烟气中 NH3/NOx 混合效果直接影响催化剂脱硝效率,当要求脱硝效率达到90%以上时,对氨氮混合效果要求极为重要,同时氨逃逸也与氨氮混合效果具有密切的联系,如果催化剂性能一定,当浓度偏差系数小于4%时,因浓度不均匀造成的氨逃逸几乎可以忽略不计,随着偏差系数的增加,氨逃逸就越明显,如果偏差系数超过10%,那么氨逃逸将超过国家规定的3ppm上限,因此,氨浓度分布对于脱硝效率和氨逃逸的控制都具有重要的意义。

 



图1  氨混合不均匀与脱硝效率的关系    

 

可见,在 SCR 脱硝中,如果流场没有经过优化,流场分布不理想会造成氨氮混合不均匀、烟道积灰严重、经过催化剂的速度不均匀。其中,经过催化剂的速度不均匀容易导致催化剂层局部区域流速过低、流速过高、流速偏角过大等问题。流速过低则加速了催化剂堵塞;流速过高或流速偏角过大加剧了催化剂磨损,而催化剂堵塞和磨损反过来又加剧了速度分布不均匀,最终导致了脱硝效率低下、催化剂寿命降低、氨逃逸严重等问题。


2 SCR脱硝流场CFD模拟优化的一些关键点

2.1 AIG 建模问题

无论是在 CFD 数值模拟中,还是在冷态物模试验过程中,对于大型复杂结构的 SCR 系统,完全考虑内部所有因素是不现实的,这就需要实际研究和应用过程中对某些部件做省略或简化。基于 AIG 结构复杂,以及所需的网格量太多等问题考虑,许多工程师在工程应用研究中对喷氨速度分布做了均匀性假设。在工程应用研究中,忽略 AIG 喷管对流场的干扰作用,同时假设各个喷嘴的速度大小一样,但实际上一个喷管所对应的8个喷嘴的速度并非完全一样,通过 CFD 模拟统计表明:8个喷嘴的速度有一定的偏差,我们龙8手机认为由于喷氨断面的压力分布存在差异,即从AIG的母管到每个喷嘴之间的压力差就不一样,这是造成喷嘴的流量存在偏差的主要原因。

 


     图2 AIG 三维结构                     图3 AIG 喷嘴流线图                      图4 AIG 喷管压力分布图               

 

表1 喷嘴的流量分布情况



 

2.2 整流格栅优化

烟气从顶部水平烟道经过90°弯头向下进入首层催化剂过程中速度场的调整是关键,传统的方法如图所示,在弯头区域设置若干数量的带一定弧度的弯曲导流板,这种“传统”的布置方式 CFD 模拟得到的云图和矢量图表明:在弯头处流场云图的速度梯度并不理想,并有较大范围的涡流区,这种现象在烟道小口向大口径转弯时最容易出现,由于这个较大范围涡流区的存在,催化剂上游速度分布并不是太理想,尽管通过极大的努力能把速度分布偏差系数改善到15%以内,但烟气入射到第一层催化剂时的速度偏角过大,这将加速催化剂层表面的磨损,催化剂的寿命也将缩短。

 


图5  传统导流叶片与整流格栅布置SCR反应器中心线界面上的速度分布


通过调整导流板的弧度、半径和间距,最终优化的结果显示,弯头处的涡流区消失,催化剂层上游的速度得到了较大的改善,更为重要的是烟气入射催化剂层时的速度偏角得到了改善,烟气速度垂直性良好。这种重新调整后的优化方案最大的特点是大大减小了催化剂层堵塞和磨损的隐患,在保证催化剂高效稳定运行的同时,还延长了催化剂的寿命,对于电厂减少催化剂更换周期,节省投资是非常有利的。

 



图6  改进后导流叶片的布置方式及 SCR 反应器中心线截面上的速度分布

 

2.3 几种不同氨混合模式

目前,工程中主要有格栅型 AIG、混合型 AIG 及涡流型 AIG 等三种氨喷射与混合装置,这三类氨喷射系统各有特点。

1)格栅型 AIG

格栅型 AIG 是由大量的氨气支管伸入到烟道中,每根管上有数个小喷嘴,这种布置方式的特点是阻力小,每个小喷嘴与一定面积范围内的烟气混合均匀后在催化剂层区发生反应。这种布置方式阻力小,但喷嘴容易堵塞,且扩散混合在其中起到了主要作用。


 


图7 格栅型AIG

 

2)涡流型 AIG

涡流型 AIG 只有少量的氨气支管均匀伸入到烟道中,每根支管只有一个直径较大的喷嘴,每个喷嘴对应一个翼型或圆形的混合盘,喷嘴下游安装有混合器装置。这种布置方式的混合方式主要以强对流混合为主,混合的距要求相对较短,喷嘴不容易堵塞。


 


图8 涡流型AIG


3)混合型 AIG

混合型 AIG 是少量的氨气支管均匀深入到烟道中,或者在格栅型 AIG 下游设置混合装置。混合型 AIG 结合了以上两种方式的各自优势,混合方式是扩散和强对流结合,不需要很长的混合距离,氨氮分布就能达到均匀的效果,这种方式尤其适合在脱硝改造是烟道形状不理想、喷氨的布置离催化剂距离较短,流场不理想的情况下。


 


图9 混合型AIG


 

2.4 反应器顶部气流缓冲措施

烟气与注入烟道的还原剂后,从上升烟道经过两个直角弯头向下进入催化剂层,在气流在惯性离心力的作用下,往往造成转弯外侧烟气流速过大,相应的外侧催化剂层上方区域烟气流速增大,有的速度甚至高达10m/s以上,这容易加速催化剂磨损,降低催化剂寿命。在反应器顶部添加若干个气流缓冲的小挡板,能有效防止转弯外侧气流过大问题,进入催化剂层的速度分布均匀性也得到了很大的改善。 


 


图10 催化剂层最大速度


 

2.5 烟道外形优化对局部阻力损失的影响

SCR 系统的压力损失是 SCR 脱硝性能考核指标之一,通常来讲,加装 SCR 脱硝系统后新增的压力损失一般不超过1000Pa,当然如果风机裕量充足的话也可以适当增加。对于 SCR 系统来说,对整个系统的压力损失影响较大的主要有以下几个方面:(1)系统断面平均流速过大,这与烟道断面积有关系以外,与工况的烟气量有关系,系统的压力损失也就随之增加;(2)烟道变径所带来的局部阻力损失,烟气从省煤器出口进入到 SCR 系统的入口烟道,必然会涉及到烟道的变径,压力损失比例就很大;(3)烟道弯头压力损失,一个常规 SCR 脱硝系统,至少涉及到4个部分的弯头,如果进入空预器前的弯头也计算在内的话,则至少有5个部分的弯头,这些弯头局部阻力占 SCR 系统阻力的比例较多;(4)为了得到理想的流场分布状态,不可避免地要设置导流板,设置导流板的合理性在一定程度上影响压力损失增加的大小;(5)氨的混合形式,采用涡流混合的形式对压力损失的贡献较大,如果设置静态混合器,也意味着烟道的压力损失将增加;(6)整流格栅,催化剂层上游的整流格栅强制气流向下流动,从而起到了整流的效果,也使得压力损失上升,但该区域平均流速并不是太高,通常情况下,额外增加的压损并不是特别明显;(7)催化剂层阻力,催化剂的阻力与其本身的开孔率大小也有关系。

在某些工程中,尤其是改造工程中,省煤器、空预器以及电除尘器等已经占据了该区域的大部分空间,加之锅炉和省煤器支架等限制,要在有限的空间里加装 SCR 脱硝系统的难度大大增加,这时,烟道变径和拐弯往往不是最佳的。如果烟道外形设计不佳,意味着系统存在阻力大大增加、烟道严重积灰、磨损、流场难以调整等隐患,这对于 SCR 脱硝系统的高效稳定运行显然是不利的。


 


改进前1017Pa                                改进后850Pa            

(含3层催化剂600Pa)                    (含3层催化剂600Pa)          

图11 烟道稍作优化后的减速效果


 

由于省煤器出口至 SCR 上升烟道之间有横梁且由于荷载问题不能移动和更改,要求 SCR 进口烟道要避开该横梁。流体仿真工程师根据现场实际情况龙8手机,提出了相应的优化方案。通过 CFD 数值计算对比 SCR 系统的阻力得出,通过优化合理地调整烟道的布置形式,系统的阻力损失减少了165Pa,有效地将系统阻力控制在设计要求范围内,同时也为电厂的投运节约了能耗。

2.6 氨注入比例的优化

对于理想的完全均匀的流场情况下,只要控制各个喷氨支管的氨注入比例相等即可。在实际工程中要达到这种理想状态不可能,代价也太大。因此在工程设计中一般要求喷氨前的速度偏差控制在15%以内,我们研究发现即使将喷氨前的烟道断面的速度控制在15%以内,也并不能保证催化剂前的浓度分布在设计要求以内,这时候我们可以对氨注入区域的烟道断面进行分区,每个分区断面氨注入由各自的总管控制氨的注入量,从而达到烟气中氨浓度比例平衡。通过这种注氨比例的调节在很大范围内能迅速有效改善氨浓度分布。


 


a、浓度偏差系数7.2%                   b、浓度偏差系数3.1%     

图12 氨注入比例的调整对浓度分布的影响


 

3 小结

SCR 脱硝是一个系统性的工程,工艺的设计、催化剂的质量、流场的优化设计、工程施工质量等每个环节都对系统运行产生影响,只有把每个环节做好了,才能真正保持脱硝系统长期稳定运行。脱硝的流场往往容易受忽视,本文从各个角度介绍了脱硝流场的优化设计上所做的工作,龙8手机了各方面对流场的影响,并介绍了某些容易忽略的关键细节也对流场有重要影响,“细节决定成败”。

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