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某燃煤锅炉外置式脱硝装置设计的模拟择优

北极星环保网来源:《电力设备》作者:陈旭2017/6/25 10:37:00我要投稿

北极星环保网讯:摘要:为满足国家“超洁净”排放要求,燃煤电厂烟气SCR脱硝装置必须进一步改造,即将原有的低氮燃烧器+单层反应器脱硝技术,改造成低氮燃烧器+外置式多层反应器深度脱硝技术。本文提出采用数值模拟方法对某220T/h燃煤锅炉外置式脱硝装置设计方案择优,达到提高烟气与脱硝还原剂混合效果并减小烟道阻力的目的。

关键词:外置式脱硝装置,数值模拟择优

引言:NOx是大气主要污染物之一,其中燃煤电厂排放的NOx约占NOx排放总量的70%以上。我国是以燃煤为主的国家,随着经济的快速发展和人民生活水平的提高,能源消耗量不断增加导致燃煤需求量不断增大,NOx的污染已成为一个不容忽视的问题。在燃煤电厂烟气NOx处理的若干技术中,选择性催化还原技术(SCR)以高NOx脱除率、技术成熟可靠、易于操作等特点占据了市场主流。

1计算流体动力学简介

计算流体动力学(简称CFD)是一种以计算机为手段,通过求解由质量、动量和能量守恒方程等组成的非线性微分方程,借助于图像显示技术给出空间各处的速度、压力、湿度、组分浓度、湍流特性等详细信息以及流动、传热和反应装置的总体性能,从而实现对工程中各类物理问题进行研究的技术2,本试验通过计算流体动力学方法进行数值模拟试验。

2模拟方法

SCR系统设计时,根据给定的进、出口NOx浓度值、烟气流量等参数,即可对催化剂选型。但SCR反应器的外形结构、烟道尺寸、导流板的设置及烟道弯曲半径等的设计需针对具体工程进行设计,以保证NH3/NOx的充分混合以及反应器催化剂入口烟气的流场分布及脱硝效率。如SCR反应器设计不当,使塔内的烟气浓度、速度等分布不均,易引起催化剂中毒、磨损以及氨逃逸等问题。

本文拟通过对比不设导流装置SCR反应器烟道初始设计方案和增设导流装置的优化设计方案,对两种方案流场、烟气与氨气混合度进行计算分析,验证何种方案催化剂入口烟气流速偏差、烟气流向偏差、烟气温度偏差、NH3/NOX摩尔比偏差及脱硝系统压力损失等参数,形成最终设计方案。

3模型要求

根据某220T/h燃煤锅炉外置式脱硝装置实际运行环境,在满足工程要求条件下,为便于模拟计算,对SCR反应器内烟气状况作如下假设和简化:①将烟气视为不可压缩牛顿流体;②假设高温省煤器出口处烟气速度分布均匀;③催化剂层压降采用多孔介质进行模拟;④在CFD模型中安装改变流场的导流板、整流层等;⑤忽略对流场影响较小的内部构造(如支撑,悬吊件等)。

4数值模拟试验

从高温省煤器出口至空气预热器入口建立包括氨喷射管(AIG)、静态混合器、整流格栅、催化剂层和烟道系统等的CFD模型。在高温省煤器出口、AIG上游及下游、第1层催化剂入口、第2层催化剂出口、SCR反应器出口及空气预热器入口等流场变化明显的位置设置取样截面,如图1所示。

SCR脱硝

对喷射管、静态混合器,采用金字塔形划分网格,其余采用六面体划分网格,网格的密度有所不同。烟气进口采用速度进口边界条件,组份输送;氨/空气混合采用速度进口边界条件,组份输送;出口采用压力出口边界条件;催化剂采用多孔介质模型;导流装置、涡流混合板、整流格栅及喷淋管外壁等采用固体壁面边界条件。

建立动量方程、连续性方程、能量守恒方程等控制方程,本工程模拟试验,脱硝系统内雷诺数Re为104的数量级以上,选择k—两方程湍流模型。设置烟气进口速度设为4.14m/s,组份输送、温度643K;氨/空气混合速度设为18.07m/s,组份输送、温度613K;出口静压设为-1800Pa;设置每层催化剂阻力损失150Pa后选择解算器精度、求解器类型、对流项离散格式、压力速度耦合方法、亚松弛因子的设定及迭代计算的控制精度等,进行迭代计算,显示或输出计算结果。其中,催化剂入口烟气条件的要求:

1)、烟气流速偏差小于10%,按式(1)计算;

SCR脱硝

初始方案催化剂入口烟气流速偏差Cv为40.277%,不满足烟气流速偏差小于10%的技术要求;初始方案催化剂入口烟气流向偏差为27.509°,不满足烟气流向偏差小于10°的技术要求。增设导流装置方案催化剂入口烟气流速偏差Cv为7.866%,入口烟气流向偏差为5.805°,均满足技术要求。

进一步模拟增设导流装置方案催化剂入口最低温度Tmin:642.79K、最高温度Tmax:642.82K、平均温度Tavg:642.80K,满足烟气温度偏差小于±10℃的技术要求;模拟催化剂入口NH3/NOx摩尔比偏差CV为2.255%,满足NH3/NOx摩尔比偏差CV小于5%的技术要求。

模拟两方案的沿程阻力,增设导流装置方案在催化剂层c-e段阻力明显较初始方案低,其它烟道部分阻力相当,提高了运行经济性。

6结论

模拟试验表明,初始方案催化剂入口烟气流速、流向偏差均不能满足设定的技术要求。增设导流装置方案催化剂不但入口烟气流速、流向偏差满足技术要求,而且在入口温度偏差、NH3/NOx摩尔比偏差等指标均优于技术要求,沿程阻力也明显低于初始方案,该方案提高了烟气与脱硝还原剂混合效果并减小了烟道阻力,达到流场优化目的。

参考文献

[1]朱国荣.解永刚.SCR技术应用于国内大型燃煤电站锅炉的技术探讨[J].电站系统工程2005,21(3)

[2]夏文静.何长征.韦红旗.数值模拟辅助低Nox燃烧调整试验的研究[J]-江苏电机工程2011,30(4).

延伸阅读:

SCR脱硝技术氨逃逸率高的原因及治理

大型燃煤机组SCR脱硝系统优化

超低排放电站锅炉SCR脱硝装置的故障诊断及运行优化研究

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