大型燃煤机组SCR脱硝系统优化.docx

《大型燃煤机组SCR脱硝系统优化.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大型燃煤机组SCR脱硝系统优化.docx（17页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、大型燃煤机组SCR脱硝系统优化江西某电厂660MW燃煤机组SCR系统氨逃逸严重，催化剂层老化迅速，空预器运行短时间内会堵塞。为了改善SCR系统氨逃逸问题和机组运行可靠性，通过数值模拟的方法，结合物理模型速度场冷态实验及现场NOx浓度测试结果，建立脱硝系统三维模型，模拟了不同圆盘导流板安装角度及不同喷氨方案下SCR系统流场分布。对模拟结果进行对比和分析，提出适当调大圆盘导流板倾角和合理差异化调整各喷口喷氨参数的优化方案，使第一层催化剂层入口处NH3浓度、NOx浓度和NH3/NOX分布都能很好地满足设计和运行要求，为大型燃煤机组SCR脱硝系统的优化调整和运行提供参考。NOx严重危害人体健康，还是光

2、化学烟雾和酸雨的主要诱因，而大气氮氧化物污染物的主要来源是电站锅炉燃煤排放。随着新标准(GB 13223-2011)的实施，国家对火电厂NOx排放要求日趋严格。目前，控制NOx排放的主要措施有2种：燃烧控制和烟气脱硝。非选择性催化还原法SNCR和选择性催化还原法SCR是当下主要的烟气脱硝方法。因SCR脱硝技术脱硝效率比较高且运行较可靠，在国内外大型燃煤机组烟气脱硝中应用最为广泛。然而，目前大型燃煤机组普遍存在因喷氨控制不准确，SCR反应器内流场分布不均，催化剂层入口处NH3、NOx混合状况不佳等原因造成的喷氨过量和大量氨逃逸的问题。氨泄漏一方面会直接给电厂带来经济损失，另一方面还会使催化剂老化

3、，催化剂积灰减小催化面积，并导致空气预热器结渣，给电厂带来间接经济损失，并带来安全问题。以江西某电厂660MW燃煤机组SCR脱硝系统为例，针对SCR脱硝系统氨逃逸严重和脱硝效率较低的问题，搭建SCR系统物理模型并在其上进行速度场冷态实验，并对该机组进行SCR出口和脱硫塔出口 NOx浓度分布测试实验，依据以上实验的结果，运用FLUENT流体计算软件模拟SCR反应器内的流场分布，分析不同圆盘导流板倾角和不同喷氨方案下SCR反应器内NH3和NOx的分布规律，给出SCR脱硝系统的优化建议和方案。1、冷态实验及NOx,浓度分布测试实验1. 1冷态实验根据几何尺寸相似准则，按照1：12几何相似比搭建了该机

4、组SCR系统物理模型,模型主要由进出口烟道、喷氨格栅烟气/氨静态混合器、导流板、反应器主体以及整流器等组成。主体用有机玻璃搭建，由金属支架支撑，通过镀锌板管道与一台离心风机相连，模拟烟气的空气由风机鼓入，二氧化碳作为模拟氨气的示踪气体通过由，个相互独立的可调节控制区域组成的格栅喷入，SCR系统物理模型如图1所示。图1 反应制物理模型图1反应器物理模型物理模型速度场冷态实验结果:在100%负荷下的速度场分布入口偏差Cv为14. %,经过两层催化剂层后，速度分布趋于均匀，出口速度场分布偏差Cv为9.17%,均在15%的良好分布的范围之内，可见SCR反应器内烟气的速度分布比较均匀。1.2 NOx浓度

5、分布测试实验依据国标GB 13223-2001火电厂大气污染物排放标准，笔者对该机组进行了SCR出口和脱硫塔出口 NOx浓度分布测试实验，实验结果如下：喷氨系统投运时,左、右两侧SCR反应器出口截面处NOx浓度分布标准偏差分别为24mg/Nni3和15mg/Nm3,相对标准偏差分别为23. 1%和22. 7%;而喷氨系统未投运时，该截面处NOx浓度分布很均匀。这证明了两侧SCR反应器内烟气流场偏差很小，反应器内NOx浓度分布不均主要是由于喷氨系统的喷氨流量分布不合理所导致。这与物理模型速度场冷态实验结果是相符的。调整圆盘导流板的安装角度和系统喷氨方案可以改善SCR反应器内NOx、NH3浓度分布

6、和混合状况,基于以上实验结果，对不同导流板安装角度以及不同喷氨方案下的SCR系统流场进行了数值模拟，以指导SCR系统优化。2 SCR系统三维模型的建立2. 1三维物理模型按照与冷态实物模型尺寸1： 1的比例，运用GAMBIT软件建立SCR系统三维模型,如图2所示。因2 SC R系统口勺几什模型图2 SCR系统的几何模型反应器进口烟道烟气入口处截面尺寸为3. 2mX 10m,喷氨段的烟道截面尺寸为3. 20mX13. 95m,其中喷氨格栅布置于Z=45. 155m和Z=46. 971m截面处。下层喷氨管的尺寸为D76mmXL 5m。上层喷氨管尺寸为D76mmX2. 5m。单层催化剂尺11. 2m

7、X 13. 95mX0. 875mo2. 2数学模型3. 2. 1湍流模型a / /、 a / 、方侬）+成（P啊）_ P _ 匕/ + SrSCR系统内的烟气流动是三维湍流流动，且烟气流动的雷诺数很大，故选用k-旋流修正湍流模型。k-e旋流修正湍流模型相比标准k-e模型可以更精确地预测平板和圆柱射流的发散比率。带旋流的k-e方程如下：(1)G = max 0. 43 ,丑(3)L 刀+ 5T = S(4)e在方程中，Ck是由层流速度梯度而产生的湍流动能，色是由浮力产生的波动，匕，由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，。2,。院是常量，叫，%.和是A-方程和方程的湍流Prandtl数。2.

8、 2. 2多孔介质模型为了节约运算资源和运算时间，将催化剂层简化为多孔介质模型。描述多孔介质模型的动量方程附加了动量源项。动量源项包括粘性损失项(Darcy)及内部损失项：上3 Isi = 2。*匕 + 2(5)j=i八|乙式中：S,是i坐标轴方向的动量源项，0及C为规定的矩阵。2. 2.3通用有限速率模型SCR反应器内的主要流动介质为氨气和烟气，而烟气又由多种组分组成，介质流动中要涉及到多种物质的混合，木文重点研究SCR脱硝系统的流场分布，不考虑SCR脱硝过程的化学反应，选用通用有限速率模型来模拟各组分在流动中的混合情况。通过解化学物质的守恒方程得到组分之间的混合状况，第i物质的质量分数通过

9、相应物质的对流扩散方程来预估，组分守恒方程采用如下通用形式：；（。匕）+ V -（pJ匕）=一 j + & + S,.（6）al式中：凡为净产生速率，S,是离散相和定义的源项带来的额外产生速率。在湍流中质量扩散采用如下公式计算：二一（p，,m + 氏）匕（7）式中：5弓为湍流施密特数，其计算式为Sc,二勺，PD.设定缺省值为0.7。进口烟道入口处的物质净输送量由对流量和扩散量组成，对流量由给定的各组分浓度确定，而扩散量要依据计算得到各组分浓度场求解。3. 3网格划分和边界条件几何模型内部结构复杂，故采用分区域划分网格的方式对模型进行网格划分对主要计算区采用四面体和六面体相结合的混合网格进行加密

10、处理，网格的计算单元数量为313万。边界条件设定：烟气入口：定义为速度入口边界，烟气入口速度为20m/s温度为657K。（2）SCR脱硝反应器的出口：将出口边界定义为定压力边界条件，出口压力设置为-30Pa。喷氨入口：采用速度入口条件，锅炉最大连续蒸发量工况下氨气入口速度为15. 5m/s 温度为 293Ko（4）催化剂层设定为多孔介质模型，混合气在催化剂层内的流动设为层流，反应器人口催化剂层内流动方向的粘性阻力系数设为o. 3 惯性阻力系数X, y, z 3个方向分别为90.90和35 口】一，孔隙率为8 65。第2层催化剂流动方向的粘性阻力系数为0.3 m、，惯性阻力系数3个方向分别为80

11、 .80和30 m-,孔隙率为0. 65 o第3层催化剂流动方向的粘性阻力系数为0.3 in.惯性阻力系数3个方向分别为70.70和25 JL隙率为0. 65o3模拟结果及分析15.1 同圆盘导流板倾角下的数值模拟结果为减少氨逃逸，提高脱硝效率，很多运行的火电厂SCR系统会采用加装导流板来提高流场的均匀性。对不同圆盘导流板倾角进行数值计算，图3分别为倾角各为25度和45度的弯道处几何模型。(a)导流板倾角a为25。(b)导流板倾角a为45。图3弯道处几何模型图3弯道处几何模型为方便查看结果及分析，选取2个典型的截面：典型截面1为SCR脱硝反应器正中垂直截面Y=8. 055m,典型截面2脱硝反应

12、器第1层催化剂层入口截面Z=49. 4375m。圆盘导板倾角分别为$+。和?+。的模拟结果对比如下：0 5 10 15 20 25 30Mm)(a)导流板倾角为25。0510 15 20 25Mm)(b)导流板倾角为45。图4 截面1的速度分布图图4截面1的速度分布图1510Alm)2515201520-V(m)505050505O5OC.OOL19T TT- 5.5.6.二二一二二一二二佟I 5股而2的Z方响速度分存图5截面2的Z方向速度分布从图4和图5可以看出圆盘导流板布置角度对SCR反应器内第1层催化剂入口截面的速度均匀性有较好的优化效果，圆盘导流板45度布置比25度布置，导流板后速度场

13、扰动更强，有利于如3、NOx混合。而且整个烟气的速度场在Z方向更均匀，从而烟气进入SCR反应器第1层催化剂层时，较大份额的烟气能够垂直进入催化剂层，在催化剂的参与下，能够很好地进行反应，从而达到较好的脱硝效果，提高脱硝效率。因此可以通过调整圆盘导流板的倾角，适当增大圆盘导流板的倾角有利于改善SCR反应器内第一层催化剂入口截面的速度均匀性。通过对比分析图6-图9的模拟结果可知，圆盘导流板布置对SCR反应器内第1层催化剂入口截面的NH3/N0X摩尔比的均匀性影响很大圆盘导流板45度布置比25度布置，SCR反应器内第1层催化剂入口截面的NH3/N0X摩尔比的均匀性有较大改善。05 10 15 20

14、25 30Km)(b)导流板倾用为456476864208699998888877 90000000000图6截面1的NH3/N0X摩尔比分布图图6 截而1的H3/NO,庠尔比分布佟1555045E 40353025摩午浓度(kmol/n?)I4E-063.92727E-063.85455E-06r 3.78182E-063.70909E-06H3.63636E-063.56364E-06H 3.4909 IE-06R3.41818E-06n3.34545E-06U 3.27273E-06 3.2E-0605 10 15 20 25 30X(m)(b)导流板倾角为45。15图7 截面1的NH3摩尔浓度分布图图7截面1的NH3摩尔浓度分布图25X(m)Am)(a)导流板倾角为25。(b)导流板倾角为45。151050NH/NO,摩尔比6420864208699998888877 OOOOOOOOOOO图8 截面2的NI/NO.摩尔比分布图图8截面2的NH3/N0X摩尔比分布图10552015二丁iTW摩尔浓度(kmol/in1)B4E-063.92727E-063.85455E-06H3.78182E-063.70909E-063.63636E-063