SCR脱硝装置的优化数值研究.pdf
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1、收稿日期:2020-09-24基金项目:省部级辽宁省科学计划项目辽宁省科学计划项目(2019-ZD-0525);省部级辽宁省教育厅资助项目(JL-1919)作者简介:郭雨威(1996-),女,吉林延吉人,硕士研究生。SCR脱硝装置的优化数值研究郭雨威a,崔洁a,王国峰a,徐有宁b(沈阳工程学院 a.能源与动力学院;b.工程技术研究院,辽宁 沈阳 110136)摘要:静态混合器的结构与布局是保证反应器中烟气温度场、流动场和反应物浓度场均匀分布的关键。本文以某330 MW燃煤机组的烟气脱硝系统为研究对象,运用三维数值仿真方法,模拟烟道中烟气的流动速度、温度、氨浓度及流动方向,对混合器的结构进行优化
2、,分析混合器的类型、摆放、数目与间隔,借此改善流场的均匀性,保证流动速度均匀分布。结果表明:加装混合器可以较好地改善SCR装置烟道内的流场;通过数值模拟,在优化后的模型结构中,反应器上游的烟气速度偏差不大于15%,烟气进入SCR反应器的流速偏差小于15%,入口烟气流向偏差不超过10%;氨氮比相对标准偏差不大于5%,入口温度分布偏差不超过10 K。关键词:SCR;脱硝装置;数值分析;结构优化中图分类号:X701文献标识码:A文章编号:1673-1603(2023)03-0019-05DOI:10.13888/ki.jsie(ns).2023.03.004第 19 卷第 3 期2 0 2 3 年
3、7 月Vol.19 No.3Jul.2023沈阳工程学院学报(自然科学版)Journal of Shenyang Institute of Engineering(Natural Science)SCR脱硝技术之中的两大重要技术性能衡量指标为氨逃逸率和脱硝效率,而反应器中烟气流场散布状况是影响脱硝效率的最关键要素。为了最大程度加强SCR脱硝效率,业内众多研究者和从业者对各种类型的SCR反应系统所表现出的流场分布情况加以研究:文献 1 以6组喷氨格栅(AIG)作为主要工具,利用数值模拟的方法研究了氨的分布和喷入方式对脱硝效率的影响;文献 2 对SCR预分布器系统进行了数值模拟,发现了导流板的位置
4、对催化剂入口截面上的速度分布影响较大,喷氨格栅的结构与催化剂入口截面上的浓度场分布有密切的关系;文献 3-4 以600 MW电厂选择性催化还原反应器为研究对象,采用Fluent软件,对反应器内的流场进行数值模拟,得出了较合适的导流板形态及流场,其研究结果为脱硝系统内导流装置和喷氨格栅的设计和改进提供了参考。本文采用CFD软件对330 MW燃煤机组的脱硝系统进行研究,构建了该机组的数学模型和仿真分析模型,利用进口参数进行数值分析,对比AIG混合器、扭叶片式混合器及六角星型混合器的流场和氨分布的影响,通过对催化剂入口处的氨浓度分布的研究,保证了脱硝过程的稳定性并为脱硝的设计提供了方法。1数学模型烟
5、气流动在SCR脱硝系统中表现为三维湍流模式,在数值模拟计算过程中以求解Reynolds过程中的RANS(均化Navier-Stokes方程)和其中各关联量的输运方程的湍流模型作为基础,即k-湍流模型5-6。系统内烟气流动的控制方程如下:第 19 卷沈阳工程学院学报(自然科学版)()t+()vxx+()vyy+()vzz=()xx+()yy+()zz+S(1)式中,S是广义源项;是通变量;为混合气体密度;v为速度矢量。在描述烟气和氨气等在SCR反应器内的混合流动过程中,经常会将一些物质(混合物)输运模型应用于多种气体间的化学反应过程(多为同时发生)的模拟中7。通常采用以下形式:()Yit+v Y
6、i=-Jt+Ri+Si(2)式中,Ri为净产生速率(来自化学反应);Si为额外产生速率(来自离散项)。固体物质形成的骨架及其分隔形成的众多微小空隙(多密集成群)共同形成的结构称为多孔介质。在运用此模型的过程中,通常先规定其单元区域,同时以动量方程的内容作为要素确定其中的压力(流动)损失。由于多孔介质模型中的阻力的经验公式(结合模型区域)即所谓的“多孔”,所以在动量方程中要增加来自于多孔介质的动量损失内容方可8-11。在数值模拟过程中需要对省煤器和催化反应器进行多孔介质简化,以此来求解省煤器和催化反应器所产生的压力损失和温度损失。多孔介质的动量方程中一般都有相应的附加动量源项,一般分为粘性损失项
7、和惯性损失项:Si=-j=13Dijvj-j=130.5Cij|vjvj(3)式中,Si为动量方程的源项;|vj为速度绝对值;为动力粘性系数;Dij和Cij是规定的矩阵。在多孔介质单元中,动量损失对压力梯度产生一定的贡献,从而使得流体的速度和压降成比例。针对简单的均相多孔介质,规定Dij和Cij分别为1 a和C2的对角矩阵,则Si=-vja-C2|vjvj2(4)式中,a是渗透率;C2为惯性阻力系数。2几何模型某330 MW燃煤机组使用的锅炉为SG-1025/18.3M317型亚临界中间再热控制循环汽包炉,每台炉配备2台SCR反应器,锅炉省煤器的出口烟道和入口烟道相互连接,空气预热器的入口烟道
8、和脱硝出口烟道相互连接;采纳“2+1”的办法布置SCR反应器,最下面一层为催化剂(蜂窝式)的备用层。在锅炉最大连续蒸发量(BMCR)和设计煤种的工况下,为最大程度上保证“超净排放”(脱硝效率不低于92%),脱硝装置入口(省煤器出口)需保证烟气之中的氮氧化物含量不超过6%O2(STP,600 mg/Nm3)。根据项目图纸并结合实地测量和摸底测试,建立比例为1:1的CFD三维几何模型,如图1所示。图1330 MW脱硝系统在CFD研究中根据实际资料设置参数,数值仿真条件见表1。表1330 MW脱硝系统进口参数参数名称烟气量/(kg s-1)烟温(省煤器出口)/K入口烟气密度/(kg m-3)入口烟气
9、流速/(m s-1)氨气质量流量/(kg s-1)氨气密度/(kg m-3)氨气喷嘴流速/(m s-1)数值197.37637.550.5886.4820.137 50.70533.583数值分析本文的研究对象为某330 MW燃煤机组中的20第 3 期郭雨威,等:SCR脱硝装置的优化数值研究SCR脱硝系统。首先,研究氨逃逸和脱硝效率等受到流动与混合等方面的影响情况,给SCR混合装置提供参考;其次,借助CFD模拟方式,对系统内的各种混合装置进行优化设计,使其中的参数均可以达到优化要求,由此来保证喷氨格栅上游的速度偏差能够保持在一定范围内,使氨氮能够均匀混合。本文采用k-模型模拟湍流流动,该模型适
10、合完全湍流的流动过程。由于催化剂的布置结构和整流格栅的结构复杂,无法划分网格和完全建模,故采取多孔介质模型的形式。设速度入口为模型入口,压力出口为模型出口,壁面为绝热壁、无滑移条件12-13。3.1烟道流场分析SCR装置所承受的压力损失一般来自于喷氨装置挡灰板、烟道渐扩段、反应器尾部烟道渐缩段、烟气转弯段、烟气沿程通道等位置,实际上可以理解为在流动过程中流动介质的速度重新分布或产生涡流等状况造成的速度变化,以及介质质点彼此间发生剧烈碰撞造成的动量交换状况。减少压力损失的方法:在流体运动的方向上或流通面积上出现剧烈变化的位置处安装导流板,既能够防止弯曲处的内外侧生成涡流区,也可以减少二次流的产生
11、和影响范围;可以平稳过渡流通面积,有效地避免面积突然变化的情况;适当选装分、合流板14-15。在运用 CFD模拟的方式来优化设计SCR系统内整流、导流、喷氨装置的过程中,本设计遵循导流片数目最少、系统压力损失最小这一原则开展分析研究。各截面上的速度分布如图2和图3所示。图2SCR脱硝装置的横截面速度分布图3SCR脱硝装置的纵截面(尾部烟道)速度分布3.2烟道浓度场分析优化SCR脱硝装置的精髓在于有效地保证反应器中均匀分布烟气的温度场、流动场、反应物(NH3/NOx)浓度场,以此来保证降低氨逃逸、提升脱硝效率等效果。一般情况下,从SCR反应器入口到省煤器出口的烟道设计应尽可能避免由于结构紧凑、烟
12、道截面变化大、急转弯多等问题造成的温度、烟气速度等分布不均。为了保证烟氨混合均匀度,可以加装混合器,改善烟道内流场。在数值计算方法、计算机技术等方面的进步过程中,借助于CFD模拟方式来优化SCR脱硝装置的流场省时省力,并且可以比对物理模型的实验结果来加强预测精度。本文通过数值模拟的方法分别研究了 AIG混合器、扭叶片式混合器及六角星型混合器对流场和氨分布的影响,这 3 种混合器的催化剂入口氨浓度分布及 SCR 脱硝装置的速度分布如图 4、图 5 和图 6 所示。在图 4 中,催化剂(首层)入口的 NH3浓度 CV 为 4.01%,催化剂(首层)入口的速度CV为3.8%;在图5中,催化剂(首层)
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