660 MW燃煤机组SCR流场模拟优化与喷氨优化运行
摘 要：以某电厂660 MW亚临界燃煤机组SCR烟气脱硝系统为研究对象，对SCR反应器内烟气流动以及喷氨分布均匀性进行数值模拟研究。通过对比首层催化剂前烟气速度分布及NH3浓度分布，研究了SCR反应器内均流部件对烟气流场均匀特性的影响，并且在数值模拟的基础上对喷氨方式进行了优化调整研究。研究结果表明：优化调整烟道内均流部件对速度、浓度均匀性有显著改善作用；通过分析流场不均匀性得到的分区喷氨方法能够进一步优化NH3在烟道中分布；现场试验验证了调节喷氨格栅阀门可降低SCR反应器出口NOx浓度。本文研究可为燃煤机组SCR系统导流板优化及实际电厂喷氨优化调试提供参考。
关键词：燃煤电站；SCR；数值模拟；喷氨优化
0 引 言
氮氧化物NOx是燃煤机组释放的主要污染物之一，严重危害着人类生存环境，因此目前燃煤机组均采取了有效的脱硝措施以降低NOx排放。选择性催化还原(SCR)技术由于具有稳定高效的脱硝效率以及成熟的工艺流程，在火电厂中得到广泛的应用[1-4]。目前在SCR脱硝设备中，流场设计不合理会造成氨氮混合不均匀、烟道积灰及催化剂前速度分布不均等问题。催化剂的速度不均匀会导致催化剂局部区域流速过高或者过低以及流速偏角偏大等问题。流速过低容易发生积灰，加速催化剂堵塞；流速过高或流速偏角过大会造成灰分颗粒剧烈冲击催化剂，加剧了催化剂磨损，而催化剂堵塞和磨损又加剧了速度分布不均。只有良好的速度分布均匀性以及氨氮混合均匀性，才能保证反应器达到最佳的脱除效率、氨逃逸率和催化剂的寿命[5-6]。
首层催化剂前烟气速度分布及氨气与氮氧化物的混合均匀程度是衡量SCR反应器性能的2个重要指标，在很大程度上影响了SCR反应器的脱硝效率和氨逃逸率。研究反应器内部导流装置布置形式对烟气流场的影响规律，对优化反应器内流动及烟气混合的均匀性，提高脱硝效率，保障氨逃逸率，降低系统NOx排放具有重要的现实意义[7-9]。通过数值模拟研究可以对影响SCR反应器内流动均匀性的结构因素进行分析，对脱硝系统的布置安装提供良好的指导建议。陈莲芳等[5]以某600 MW机组SCR反应器为对象进行模拟研究，结果表明烟道内加装导流板可改善流场，布置双层喷氨格栅比单层排布的喷氨格栅更有利于NH3浓度场的均匀分布；雷达等[10]研究了燃煤电厂SCR反应器中喷氨格栅处的流场对首层催化剂前截面速度场及氨氮浓度比的影响，分析表明喷氨格栅处的速度场不均匀性会导致首层催化剂前截面的速度场和氨氮摩尔比的不均匀，且具有一定的相似性。
本文以某660 MW亚临界燃煤发电机组的SCR烟气脱硝系统为研究对象，采用数值模拟计算方法，研究了烟道内导流板优化布置形式及喷氨优化调整对SCR反应器内烟气流动的影响，为脱硝反应系统结构参数的优化设计提供参考。通过喷氨流量现场调试，研究了喷氨格栅阀门开度调整前后对SCR反应器出口NOx变化的影响，并验证了数值模拟的结论。
1 脱硝设备概况
某电厂660 MW亚临界燃煤发电机组脱硝系统采用SCR脱硝工艺，采用单炉体双SCR结构体布置在锅炉省煤器出口和空气预热器之间。脱硝还原剂采用液氨法方案，催化剂采用蜂窝式催化剂。SCR装置内沿烟气流向在烟道不同位置设置导流板、静态混合器和整流格栅。氨与稀释空气混合后经喷氨格栅(AIG)进入SCR烟道，自格栅式喷嘴喷出，可通过手动蝶阀分区控制烟道截面上的氨喷射流量。原始SCR系统总体结构(图1)主要由进口烟道和反应器组成。SCR系统喷氨格栅(AIG)沿炉膛宽度方向布置14根支管，每根支管最终连接4个喷孔，共56个喷孔。反应器内在弯头处及渐扩段总共布置有4组导流板。反应器有2层催化剂层，催化剂层上部安装整流格栅，使进入催化剂层的烟气更加均匀。脱硝系统入口烟气参数见表1。
图1 原始SCR系统结构
Fig.1 Structural diagram of the original SCR system
表1 脱硝系统入口烟气参数
Table 1 Parameters of flue gas of SCR inlet
2 数值模拟和评价指标
2.1 模拟方法
对SCR反应器进行流场优化模拟是基于N-S流动控制方程的求解。采用标准k-ε模型模拟气体湍流流动。采用Species物质输运模型模拟NH3在烟气中的混合与扩散，但不涉及化学反应。催化剂结构模拟采用多孔介质模型，流动方向黏性阻力和惯性阻力设置较大，另2个方向阻力设置相同且较小，保证模拟阻力与实际阻力接近。本模拟假设烟气为单相气体，不考虑粉尘对流场的影响；将烟气视为不可压缩流体，且为定常流动；假设SCR系统进口处烟气速度分布均匀。由于左右两侧 SCR 脱硝反应器结构及入口烟气条件相同，且沿锅炉中心线呈对称布置，故仅以单侧反应器(A侧)，即从入口方向看左侧作为研究对象。模型网格划分影响模拟结果的合理性，为同时保证计算结果的正确性和计算效率，此次模拟SCR反应器模型总网格数目约214万。其中，喷氨格栅区域由于结构复杂且不规则，故采用小尺寸四面体加密网格，数量约100万。
烟道入口采用速度进口边界条件，根据烟气流量、成分和入口尺寸得到烟气速度为9.17 m/s；烟道出口为Outflow边界条件；固体壁面、导流板和整流板均设为壁面条件，采用标准壁面方程，无滑移边界条件；喷氨入口为速度入口，速度为20 m/s，温度313 K，喷射角度与烟气流动方向相同。喷氨成分为5%的NH3和95%的空气。
2.2 指标参数
采用相对标准偏差系数C来衡量首层催化剂前速度及NH3体积分数分布的均匀程度。通过Fluent软件导出首层催化剂前速度及NH3体积分数云图，经过相关数据处理，得到截面样本点速度或浓度值xi(i为样本点数目，i=0～n，n=2 000)。
式中，C为相对标准偏差系数
为标准偏差；
为上层催化剂层入口截面样本平均速度或平均浓度。相对标准偏差系数C值越小，速度、体积分数分布均匀性越好。在实际应用中，通常要求脱硝反应器中最上层催化剂前速度分布均匀系数小于15%，浓度均匀系数小于5%。
3 实验结果与分析
3.1 SCR系统流场分析
原始SCR反应器布置有4组导流板用于调节烟气流场，在入口水平烟道和竖直烟道的转向段布置有导流板组1，包含3块弧形导流板；在竖直烟道顶部的2个90°转向处布置有导流板组2和导流板组3，分别包含2块和4块弧形导流板。导流板组4布置在整流格栅上游渐扩段部分，包含4块折板型导流板。通过建立现有SCR装置系统全尺度三维模型，并利用Fluent进行数值模拟计算，获得了现有SCR装置系统烟道及反应器内的速度流场和NH3浓度分布。图2(a)为SCR系统原始工况对称剖面速度分布。可以看出，烟气由烟道进入SCR反应器后，流动较为混乱，高速烟气主要集中在后墙侧，在上部导流板后出现了严重的回流区，在转向段，烟气流速分布极其不均，反应器入口到首层催化剂入口段速度偏斜也较为严重。这是由于烟气在转角处流过弧形导流板下侧时具有一定速度，产生了向心力，生成负压区，使得部分流体产生回流现象。并且原始SCR反应器内部导流板较少，不能达到抑制回流，修正速度场偏差的目的。图2(b)为SCR反应器原始工况首层催化剂前速度分布，可以看出原始工况催化剂前速度分布极不均匀，高速区集中在截面中间部位，且整体流速较大，截面平均流速为7.12 m/s，会导致烟气与催化剂接触时间较少，不利于反应气体在催化剂内的反应，脱硝反应程度低，降低脱硝效率。高速区域速度接近10 m/s，局部区域速度过大会增大气流对催化剂的冲刷，影响该区域催化剂的寿命。
图2 原始SCR反应器速度分布
Fig.2 Velocity field of original SCR reactor
图3(a)为SCR反应器原始工况喷氨格栅(AIG)下游截面NH3体积分数分布。结果显示，由于原始工况速度分布不均匀，导致AIG下游截面部分喷口后NH3体积分数过高，因此造成反应器内NH3体积分数分布均匀性较差。图3(b)给出了首层催化剂前NH3的体积分数分布。可以看出，原始工况的NH3体积分数分布极不均匀，表现出部分区域浓度过高而部分区域偏低的现象。需要对SCR反应器内均流部件进行结构优化设计。
图3 原始SCR反应器NH3体积分数分布
Fig.3 NH3 concentration distribution of original SCR reactor
3.2 SCR流场优化研究
优化后SCR系统的总体结构如图4所示。喷氨格栅及静态混合器形式保持不变，在SCR入口烟道渐扩段增设一组导流板组1，包括8块直板型导流板；导流板组2、3、4在原有位置上，分别由原来的3、2和4块导流板增加到4块、4和9，并将导流板形式由原来的弧型改为直-弧-直型以解决回流问题；导流板组5将导流板数量增加到11块，并将折板型导流板改为直板型导流板。SCR反应器均流优化工况速度分布如图5所示。可以看出，均流部件优化后反应器速度场分布区域均匀，消除了死区和回流。弯道中增加导流板数目可以改善弯道内的速度场，不仅可以改善流体流经弯道时的分离现象，还能减小流体流经弯道时所产生的二次流带来的阻力。改造后系统的压降仅由原始的321 Pa增至331 Pa，不会明显增加引风机的能量损耗。
图4 优化后SCR系统结构
Fig.4 Structural diagram of the SCR system with optimization
图5 SCR反应器导流优化工况速度分布
Fig.5 Velocity field of SCR reactor with deflector optimization
导流板优化后烟气到达首层催化剂前截面的速度均匀性大大提高，截面平均流速降低为3.21 m/s(图5(b))。经计算，速度相对标准偏差系数C由原始的26.85%降到均流优化后的6.93%，满足小于15%的技术要求。
均流优化后(图6(a))，喷氨格栅(AIG)下游截面NH3体积分数分布得到了明显改善。这是因为在入口烟道进口处增设了导流板组1，并将第1个弯头处导流板组2数量增加，导流板在弧形板后还有一段竖直直板，进一步引导烟气弧形板后流动方向，减小烟气回流作用，使得烟气进入竖直时更加均匀，最终使AIG下游截面喷口后NH3体积分数优于原始工况。
图6 SCR反应器均流优化工况NH3体积分数分布
Fig.6 NH3 concentration distribution of SCR reactor with deflector optimization
均流部件优化后，首层催化剂前NH3体积分数分布均匀性得到了一定的改善。经计算，原始工况首层催化剂前截面的NH3体积分数分布的相对标准偏差系数高达20.61%，而均流部件改造后的相对标准偏差系数为15.24%，由此可见，均流部件优化对反应器的NH3体积分数分布具有一定的矫正作用，但仍不能满足小于5%的要求，对喷氨格栅的喷氨量进行进一步分区优化可解决这一问题。
3.3 SCR喷氨优化研究
喷氨格栅布置在进入SCR反应器前的竖直烟道的中下游，5%的氨与空气的混合气经过稀释风分配到达各个支管的喷口，在SCR系统中以一定的速度喷出。本文中SCR反应器喷氨格栅的布置为：烟道深度方向上7组喷管，烟道宽度方向上2组喷管，共14组喷管，每根喷管上均匀布置着4个喷口，共56个喷口，为保证总流量不变，设置平均喷氨速度为20 m/s。原始流场的不均匀使得同一速度喷出的氨气不能够均匀的到达催化剂层，将喷氨格栅进行分区能够改善这种情况。本文在均流部件优化后的工况基础上，根据首层催化剂前NH3体积分数分布，浓度相近部分分为一个区域，总共分为6个区域。图7给出了首层催化剂前的NH3体积分数区域划分。首层催化剂前NH3平均体积分数大小依次为：区域6gt;区域4gt;区域5gt;区域3gt;区域2gt;区域1。根据首层催化剂前NH3体积分数分布，同时将喷氨格栅划分为对应的6个区域(图7)。由于喷氨量与喷口面积均已给定，通过调节喷口速度来进行喷氨优化。将NH3体积分数偏大(区域4，5，6)对应的喷氨格栅区域喷口速度减小，体积分数偏小(区域1，2)对应的喷氨格栅区域喷口速度调大。同时为保证喷氨总流量不变，将14组喷口平均速度保持为20 m/s不变。图8显示了分区喷氨优化后SCR反应器首层催化剂前NH3体积分数分布。可以看出，首层催化剂前NH3体积分数分布均匀性得到了极大改善。经计算，首层催化剂前截面的NH3体积分数分布的相对标准偏差系数由均流部件优化工况的15.24%迅速降低为4.92%，满足SCR反应器技术要求。
图7 SCR反应器喷氨格栅与首层催化剂前NH3体积分数分布分区
Fig.7 Partition diagram of ammonia injection grid and NH3 concentration distribution in the top of catalyst layer of SCR reactor
图8 喷氨优化后SCR反应器首层催化剂前NH3体积分数分布
Fig.8 NH3 concentration distribution in the top of catalyst layer of SCR reactor with ammonia injection optimization
图9 SCR反应器出口NOx体积分数分布云图与首层催化剂前NH3 体积分数分布云图
Fig.9 NOx concentration distribution of SCR outlet and NH3 concentration distribution in the top of catalyst layer
图9(a)为630 MW工况下B侧SCR反应器出口NOx体积分数分布现场测试结果。可以看出，反应器出口NOx体积分数分布标准偏差较大，区域1浓度偏高，区域2浓度偏低，偏差系数C为46.81%，说明反应器出口的NOx体积分数分布不均匀性较为明显。图9(b)显示了首层催化剂前截面NH3体积分数分布模拟结果，结果显示首层催化剂前截面区域1的NH3体积分数偏低，导致对应的出口区域1的NOx值偏大。区域2的NH3体积分数偏高，导致对应出口区域2的NOx值偏小。模拟结果与现场测试结果相吻合。
在550 MW工况下进行了喷氨格栅现场调试实验，将B侧反应器对应的1号、2号喷氨格栅阀门开度从(5，6)调节到(10，10)。表2为将B侧反应器喷氨格栅阀门调节前后，该区域SCR出口截面O2体积分数和NOx质量浓度分布，可以看出，在喷氨格栅阀门调节后出口截面的NOx质量浓度得到显著改善，由调节前的截面平均质量浓度63.54 mg/Nm3减少至调节后的43.39 mg/Nm3，NOx质量浓度大幅度降低(图10)。
表2 增大喷氨量SCR出口截面O2体积分数度及NOx质量浓度分布 (550 MW)
Table 2 O2 and NOx concentration distribution of SCR outlet (550 MW)
图10 增大喷氨量SCR出口截面NOx质量浓度分布云图(550 MW)
Fig.10 NOx concentration distribution of SCR outlet after increase of injected ammonia (550 MW)
在分区喷氨的形式下，通过CFD模拟得到了良好的效果，通过调整不同区域的喷射速度，即喷氨量，使得到达催化剂前截面NH3体积分数分布的均匀性得到显著改善，本文在理论上验证了分区喷氨优化的作用。通过现场调试试验，发现调节喷氨小阀可有效降低NOx排放浓度，验证了数值模拟中分区调节喷氨格栅可提高催化剂前氨氮浓度分布均匀性，以增加催化反应效率，降低SCR出口NOx质量浓度的结论。
4 结 论
1)通过在SCR入口烟道渐扩段增设导流板、在原有导流板组基础上增加板数并将导流板形式改为直-弧-直型后SCR反应器速度场分布更加均匀，首层催化剂前截面速度分布和NH3体积分数分布相对标准偏差系数分别降低为6.93%和15.24%，均流装置部件优化对速度分布矫正效果显著，对NH3体积分数分布有一定的改善。
2)通过流场数值模拟获得首层催化剂前NH3浓度场的分布，为获得更好的混合效果，分析模拟结果提出了分区域喷氨的优化措施，在不同区域以不同的速度喷出，利用CFD模拟获得了很好的效果，到达催化剂层前截面的氨浓度分布的均匀性显著提高，首层催化剂前NH3体积分数偏差从15.24%降低为4.92%。
3)现场试验得到SCR出口反应器截面的部分NOx质量浓度分布及氧量分布，对喷氨格栅阀门调节后出口截面的NOx质量浓度得到了改善，由调节前的截面平均浓度63.54 mg/Nm3减少至调节后的43.39 mg/Nm3。对比模拟结果看出，试验较好地验证了CFD数值模拟的结果。
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Optimization of flow and ammonia injection by numerical simulation of
SCR for a 660MW coal-fired unit
Abstract:Selective catalytic reduction (SCR) is the most widely used denitration technology.A numerical study was carried out to evaluate the uniformity of gas flow and ammonia injection in the SCR denitration system of a 660 MW coal-fired unit.The influence of arrangement and structure of deflector on flow field in the system was investigated through comparing the uniformity of flue gas velocity and NH3 concentration distribution in the top catalyst layer.The optimized ammonia injection mode was also studied based on the numerical simulation.Results show that the optimization of arrangement and structure of deflectors significantly improved the uniformity of flue field and NH3 concentration distribution.The distribution of NH3 concentration in the top catalyst layer was further optimized by the partitional ammonia injection mode,which produced through the simulation results.And the site tests verify that the outlet NOx concentration of the SCR system was reduced by the control of the valve of ammonia injection grid.This paper aims to provide an optimized method of deflector and ammonia injection mode for the SCR system of power plant.
Key words:Coal-fired power plant;SCR;Numerical Simulation;Optimization of ammonia injection
中图分类号：X773
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)04-0047-07
收稿日期：2017-04-18；责任编辑张晓宁
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.04.007
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51676076)；广东省科技厅产学研结合资助项目(2013B090500008)
引用格式：李壮扬，苏乐春，宋子健，等.660 MW燃煤机组SCR流场模拟优化与喷氨优化运行[J].洁净煤技术，2017，23(4)：47-52，11.
Li Zhuangyang,Su Lechun,Song Zijian,et al.Optimization of flow and ammonia injection by numerical simulation of SCR for a 660 MW coal-fired unit[J].Clean Coal Technology，2017，23(4)：47-52,11.
