降低燃煤机组SCR脱硝系统催化剂磨损的流场优化

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作者 |雷鉴琦

摘要:针对国内某300MW燃煤机组SCR脱硝系统催化剂严重磨损失效问题,提出了利用圆盘静态混合器代替常规导流板的改造方案。采用工业性试验测试气固两相流场分布情况并依此确定边界条件,利用计算流体力学方法对SCR脱硝系统中烟气速度、烟尘速度、烟尘质量浓度分布等规律进行研究,最终将优化方案应用到脱硝改造工程中。研究结果表明:催化剂的磨损主要是由烟道中烟尘掺混不均及最接近催化剂的导流板安装不合理所致。竖直烟道中安装圆盘静态混合器可以使气固两相均匀分布,在较低的压阻下解决SCR脱硝系统催化剂入口截面气固两相混合不均的问题,有效延长催化剂使用寿命。

关键词:燃煤机组;催化剂磨损;SCR脱硝;数值模拟;导流板;圆盘静态混合器;

引言

受锅炉与SCR脱硝反应器空间布置的限制,烟道的非对称渐扩、转弯、转弯处截面突变在燃煤机组SCR脱硝系统中广泛应用,由此产生了锅炉省煤器出口至首层催化剂之间复杂的气固两相流动,出现的偏风、回流等问题导致烟道壁附近形成流动分离和烟道横截面上形成二次流动[1-3],在惯性作用下,烟尘聚集在烟道外侧,导致首层催化剂入口气固两相分布不均匀,局部催化剂严重磨损[4-6]。

目前多采用导向叶片、导流板、整流格栅等常规均流装置对烟气流速进行均匀处理。DL/T 5121—2000《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》[7]中规定的等差间距导流板设计方法不能适应多个板间通道内烟尘均匀分配的要求。文献[8-9]通过调整Π型水平烟道导流板位置、减小下部导流板数量,同时增加撞击式导流装置,使Π型水平烟道烟尘质量浓度相对均方根由0.331降低至0.241。文献[10-11]提出一种迎风面流线背风面钝体结构的两相均流板,采用数值模拟方法对比分析,相对于安装传统的导流板,烟尘浓度标准偏差系数下降10%~20%。文献[12-13]利用数值计算方法优化了催化剂上方的烟气流速、烟气入射角度及飞灰质量浓度,提出了导流板的角度应该与催化剂截面垂直的观点。

为解决催化剂局部严重磨损的问题,避免催化剂提前退役现象的发生,笔者利用圆盘静态混合器,在较低的压阻下改善了竖直烟道及催化剂上方截面气固两相流场的不均匀性,下文详细介绍方案选择及实验过程。

优化方案与数值计算条件

某亚临界300 MW机组SCR烟气脱硝系统于2014年投入使用,反应器布置3层平板式催化剂,2016年发现催化剂磨损。根据工业性试验与数值模拟计算结果可知,该SCR脱硝系统流场均匀性良好,满足标准要求[14]。解决催化剂磨损的途径在于改善催化剂上方截面的烟尘浓度及烟尘粒径分布[15],所提出结构优化方案主要有:(1)省煤器出口安装水平烟气/烟尘提升板;(2)竖直烟道加装圆盘静态混合器;(3)竖直烟道上部弯头处重新安装4块导流板。

为了保证准确计算SCR反应器入口烟气流速与烟尘浓度,本文采用工业性试验方法获得相关数据,以确定省煤器出口非均匀边界条件。具体步骤:(1)根据GB/T 16157—1996《固定源排气中颗粒和气态污染物的采样方法》的规定,在某300 MW机组省煤器出口位置现场进行相关测量;(2)将试验所获数据用于模型边界条件的设定,省煤器出口烟气参数如图1所示;(3)根据省煤器出口的烟气流速场及烟尘浓度场分布,以相似准则为依据,将省煤器出口截面对应划分为多个入口,结合省煤器出口各区域参数,为每一个入口设定不同的边界条件,以此建立省煤器出口非均匀边界条件[16-17]。

采用Euler-Lagrange方法双向耦合烟气、烟尘流动,利用随机轨道模型考虑烟气脉动速度对烟尘运动的影响[18-20],省煤器、SCR反应器出口设为烟尘逃逸,烟尘与烟道壁面及导流板之间的碰撞设为弹性碰撞,碰撞恢复系数依据文献[10]提出的经验公式模拟。

2 导流装置优化前后均流效果的对比分析

2.1 烟气、烟尘均匀效果对比分析

分别对原方案(常规导流板)、安装圆盘静态混合器、混合器与水平方向夹角(α=30°、α=45°、α=60°)等不同情况进行模拟,具体方案如表1所示。以催化剂上方0.5m的位置作为考核截面,采用ANSYS FLUENT18.1软件Reports选项中Standard Deviation(标准偏差)及Area-weightedAverage(面积加权平均)的比值计算相对标准偏差Cv,计算结果如图2所示。由图2可见:(1)加装圆盘静态混合器后速度均匀性稍微变差,但速度相对标准偏差都在15%以下,即速度均匀性仍良好;(2)在催化剂上方截面,烟尘质量浓度分布优劣顺序为方案2、方案1、方案3、原方案,也即通过加装圆盘静态混合器均匀催化剂上方截面气固两相流,可以大幅度降低烟尘浓度相对标准偏差,如方案2烟尘质量浓度相对标准偏差(70.20%)与原方案烟尘质量浓度相对标准偏差(87.11%)相比,降低了16.91个百分点;(3)加装圆盘静态混合器后,SCR脱硝系统压损不大于性能保证值700 Pa,也即压损增加不大,为25.37 Pa~68.67 Pa,在可接受的范围内。

2.2  安装圆盘静态混合器后SCR系统内气固两相运动特征

以α=45°圆盘静态混合器为例,与原方案常规导流板对比,气固两相运动特性模拟结果如图3所示。

根据图3a)、b)可知,采用原方案常规导流板时,水平烟道内的气流发生偏斜,高速气流贴附于烟道下壁面流动,上壁面烟气不能再继续沿壁面流动,上壁面附近出现回流区,水平烟道出现二次流动。通过省煤器出口水平烟道内两组烟气/尘抬升板的装设,烟道内气流的死区旋涡现象得到改善。烟气绕流圆盘静态混合器时,其流通面积经历了先缩小后放大的过程,烟气流速产生先增大后减小的现象,烟气携带烟尘呈喷射状态进入竖直烟道。由图3c)、d)可见,高烟尘浓度区域主要集中在水平烟道底部、竖直烟道远锅炉侧、导流板内弧贴壁处,导流板外弧贴壁处形成低烟尘浓度区。安装圆盘静态混合器后,竖直烟道中烟尘在圆盘静态混合器之间以及圆盘与远锅炉侧烟道壁之间的通道内形成了烟尘富集的现象。与此同时,圆盘静态混合器的背风面出现了大范围的低烟尘浓度区。由于圆盘静态混合器的作用,在竖直烟道内产生连续的涡街,随着涡街的逐渐耗散,烟尘浓度逐渐变得均匀。

3  导流装置优化的工程应用

3.1 上部弯头导流板优化

由图3 c)、d)可见,在圆盘静态混合器产生的旋涡作用及上部弯头导流作用下,反应器靠近及远离锅炉侧的低烟尘浓度区域减小,但由于上部弯头内弧第1块导流板设置不合理,竖直烟道中贴附于远锅炉侧的烟尘会直接运动到内弧第1块导流板下部,使得反应器近锅炉侧出现一股高烟尘浓度气流。方案1~3上部弯头第1块导流板由2块直板构成,对其进行优化,给出了方案4,也即第1块直板长度由300 mm降至150mm。第1块直板长度的减小使烟尘在上部弯头内弧2块导流板通道中的分配更加合理,烟尘在催化剂上方截面向远锅炉侧迁移,与方案2相比,优化后的方案4烟气速度相对标准偏差由8.92%降低至8.70%,烟尘浓度的相对标准偏差由70.20%降低至69.31%,烟气压损由607.27 Pa降低至606.89 Pa。方案4的烟尘浓度云图如图4所示。某300MW机组以方案4作为SCR脱硝优化改造的最终方案。

3.2工业性试验结果及其与数值模拟结果的比较

在机组停炉检修期间,按照方案4实施了SCR脱硝系统改造,同时对损坏的部分催化剂进行更换。为了验证数值模拟的准确性及导流装置改造的可行性,使用微压计和崂应3012H型自动烟尘(气)测试仪对该300 MW燃煤机组SCR脱硝系统催化剂上方截面的1m、2m、3m3个深度位置的烟气流速、烟尘浓度进行现场测量。以反应器左墙为例,现场测试与数值模拟结果如图5所示。

由图 5a)可见,优化后的烟气流场较均匀,与优化前基本一致,流场无明显变化。由图5b)可见,优化后催化剂上方截面烟尘浓度分布均匀性明显改善,距离左、右墙3m深度位置,烟尘质量浓度分别由27.11 g/m3和31.54 g/m3降低至21.95 g/m3和25.22 g/m3以下,达到了优化的预期效果。

依据现场试验结果与数值模拟结果分别计算烟气流速与烟尘浓度相对标准偏差,结果如表2所示。由表2可知,二者平均误差分别为5.568%、-8.748%,均在工程误差允许范围之内。

4结语

本文利用数值模拟方法详细计算了某300 MW燃煤机组SCR烟气脱硝系统内气固两相流动情况,并进行了现场测试,模拟结果与测试结果吻合较好。研究结果表明:在烟气流场满足要求的前提下, SCR烟气脱硝系统内部加装圆盘静态混合器及导流板改造可以降低催化剂上方烟尘浓度的不均匀程度,提高大粒径烟尘掺混程度,由此可缓解催化剂的局部磨损。数值计算结果显示,与改造前相比,采用均匀布置14块圆盘,其直径1 m、倾斜角度45°,配合上部弯头导流板改造,催化剂上方烟尘浓度相对标准偏差可降低17.81个百分点,烟气流速相对标准偏差增加0.28个百分点,烟气压损增加42.05Pa,改造成果显著。本文方案可供有类似问题的电厂参考。

作者简介:雷鉴琦(1990-),男,吉林梨树人,工学硕士,工程师,从事电站环保设备节能与结构优化等方面的研究

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