基于fluen的scr脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)數(shù)值模擬

基于fluen的scr脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)數(shù)值模擬

選擇性延遲恢復(fù)技術(shù)（scr）是目前相對(duì)成熟的卷煙后處理技術(shù)。scr脫硝系統(tǒng)具有設(shè)備大、香煙配置限制大等特點(diǎn)。對(duì)氣流速度、氨氮比、溫度和飛灰的負(fù)荷分布提出了相當(dāng)高的要求。我們必須深入研究氣田分離系統(tǒng)，提高氣和氨氣的混合均勻性，指導(dǎo)中國(guó)獨(dú)立開(kāi)發(fā)氣田分離系統(tǒng)。同時(shí)，它對(duì)促進(jìn)天然氣發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排具有重要意義。目前,SCR系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理是研究熱點(diǎn)問(wèn)題。文獻(xiàn)進(jìn)行了SCR脫硝小型試驗(yàn)、中間試驗(yàn)、反應(yīng)器混合與均流冷態(tài)實(shí)驗(yàn)、以及SCR脫硝數(shù)值模擬?；赟CR數(shù)學(xué)模型并采用概率分布描述反應(yīng)物的不均勻性,提出了一種對(duì)反應(yīng)物不均勻性對(duì)脫硝性能的影響的模擬分析方法。文獻(xiàn)[3~4]以600MW電廠選擇性催化還原反應(yīng)器為研究對(duì)象,采用Fluent軟件,進(jìn)行反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬,得出較合適的導(dǎo)流板形態(tài)及流場(chǎng),研究結(jié)果對(duì)脫硝系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)流裝置和噴氨格柵的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。文獻(xiàn)對(duì)SCR預(yù)分布器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明,導(dǎo)流板的位置對(duì)催化劑入口截面上的速度分布影響較大;噴氨格柵的結(jié)構(gòu)與催化劑入口截面上的濃度場(chǎng)分布有密切的關(guān)系。本文以某1000MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)為原型進(jìn)行數(shù)值模擬,針對(duì)雙SCR反應(yīng)器、氨噴射系統(tǒng)——渦流混合器等具體方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得BMCR工況下的流場(chǎng)和濃度場(chǎng),并通過(guò)冷態(tài)模型試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。1幾何模型及系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)于實(shí)際燃煤電廠的脫硝裝置的設(shè)計(jì),采取措施保證脫硝反應(yīng)器中催化劑入口截面氣體速度和反應(yīng)物分布的均勻性是主要技術(shù)關(guān)鍵。本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定計(jì)算方案,確定SCR反應(yīng)器、導(dǎo)流葉柵、整流板、渦流混合器等主要流動(dòng)部件的幾何模型,提高第一層催化劑入口前氣流均勻性,使氨氣和氮氧化物充分混合,提高脫硝效率。模擬方案如表1所示。此模型的幾何尺寸是按SCR系統(tǒng)的實(shí)際尺寸構(gòu)造,SCR為雙反應(yīng)器結(jié)構(gòu),幾何模型如圖1所示。本工程氨噴射系統(tǒng)采用專利產(chǎn)品——渦流混合器,見(jiàn)圖2。它具有煙氣適應(yīng)性強(qiáng)、混合效果好、噴射孔數(shù)量少、不需要維護(hù)等特點(diǎn),稀釋后的氨氣通過(guò)管道噴射到駐渦區(qū)內(nèi),在渦流的強(qiáng)制作用下充分混合,達(dá)到催化劑入口混合度均勻的技術(shù)要求。本文經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)比較,采用5×Φ139mm的渦流混合器,渦流混合器圓盤(pán)與水平呈60°,甲烷噴管口距離圓盤(pán)中心140mm,5個(gè)渦流混合器圓心沿水平方向成一直線,距離垂直煙道外側(cè)內(nèi)壁130mm。2實(shí)際系統(tǒng)的假設(shè)大型電站鍋爐中,選擇性催化還原煙氣脫硝過(guò)程是十分復(fù)雜的,它涉及到反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),煙氣與還原劑在煙道和反應(yīng)器里面的湍流流動(dòng),傳熱傳質(zhì),多組分輸運(yùn),化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程。由于條件所限,在建立模型之前需對(duì)實(shí)際過(guò)程作如下一些近似假設(shè):實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)出口溫差較小,系統(tǒng)絕熱;實(shí)際系統(tǒng)漏風(fēng)較小,因此不考慮系統(tǒng)的漏風(fēng);煙氣中灰分對(duì)本文研究?jī)?nèi)容影響較小,因此不考慮灰分的影響;在反應(yīng)器上游煙道中,煙氣各組分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);流動(dòng)是定常流動(dòng);流體物性參數(shù)為常數(shù)。2.1一般控制方程本文選取煙氣為流動(dòng)介質(zhì),設(shè)流動(dòng)為不可壓流動(dòng)。方程的通用形式如下,文獻(xiàn)給出了在三維直角坐標(biāo)系下基本控制方程中各項(xiàng)的表達(dá)式。2.2流量平衡模型標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型:2.3多孔介質(zhì)區(qū)的設(shè)置催化劑是SCR的核心。在本文中將模擬蜂窩形狀的催化劑床層,如果在數(shù)值模擬中,如實(shí)地構(gòu)造蜂窩形狀的催化劑床,進(jìn)行網(wǎng)格劃分將達(dá)到上千萬(wàn)的網(wǎng)格體,這受到計(jì)算機(jī)條件的制約,因此,計(jì)算中把催化劑床建模為多孔介質(zhì)區(qū)域。整流格柵處也設(shè)置為多孔介質(zhì)。多孔介質(zhì)模型阻力公式為:其中,ρ=1.293kg/m3,α為多孔介質(zhì)滲透率,μ為黏性系數(shù),C2為壓力跳躍系數(shù),△m為氣流分布板厚度。2.4物質(zhì)輸運(yùn)模擬由于SCR系統(tǒng)涉及多種氣體成分混合,選用物質(zhì)輸運(yùn)模型進(jìn)行模擬。守恒方程采用以下通用形式,其中,Ri是化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率,Si為離散相導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率。2.5網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置控制方程的離散采用控制容積法,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式。利用Gambit軟件對(duì)反應(yīng)器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,在湍流變化復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行局部加密。根據(jù)煙道入口尺寸計(jì)算得到在BMCR工況下,系統(tǒng)煙氣入射速度為12m/s。煙氣入口選擇速度入口邊界,湍流參數(shù)通過(guò)湍流強(qiáng)度和水利直徑來(lái)定義。出口為自由出流邊界,反應(yīng)器壁面和導(dǎo)流板設(shè)置為壁面邊界,近壁區(qū)采用加強(qiáng)的壁面函數(shù)法。整流格柵、催化劑床層采用多孔介質(zhì)邊界條件。渦流混合器5個(gè)氨氣噴管設(shè)置為速度邊界條件。3結(jié)論分析3.1煙氣速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)圖3給出了方案1、SCR反應(yīng)器對(duì)稱面(Z=0截面)的速度和壓力結(jié)果。圖4給出了左側(cè)SCR反應(yīng)器內(nèi)部壓力結(jié)果。從得到的速度場(chǎng)以及壓力場(chǎng)分布圖可以看出,煙氣在經(jīng)過(guò)彎道進(jìn)入催化劑之前速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)變得很不均勻。在慣性力和離心力的作用下,煙氣向SCR反應(yīng)器外側(cè)偏斜,經(jīng)過(guò)彎道以后,在SCR反應(yīng)器催化劑入口前,煙氣速度變化較大,形成回流區(qū),相對(duì)應(yīng)的是催化劑入口截面壓強(qiáng)梯度較大,此現(xiàn)象將直接影響氨氣混合效果。因此,要改善整個(gè)煙道的速度場(chǎng),需要設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)彎煙道,并在各個(gè)彎道處安裝導(dǎo)流裝置。3.2煙道入口速度場(chǎng)為了改善SCR系統(tǒng)內(nèi)部煙氣流動(dòng)的均勻性,在省煤器出口加裝轉(zhuǎn)彎煙道,對(duì)此方案2進(jìn)行了數(shù)值模擬,煙道入口速度為12m/s,計(jì)算結(jié)果如圖4~圖5所示。從結(jié)果可以看出,加裝轉(zhuǎn)彎煙道后,上游垂直煙道內(nèi)部的流場(chǎng)較為均勻,但煙氣在經(jīng)過(guò)彎道進(jìn)入催化劑之前速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)不均勻。在SCR反應(yīng)器催化劑入口截面,煙氣速度分布不均勻,存在回流區(qū),在此結(jié)果基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了導(dǎo)流和整流裝置。3.3催化劑入口斷面速度不均勻性在方案2基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)加裝了導(dǎo)流葉片和整流格柵,計(jì)算結(jié)果如圖6~圖7所示。從圖中可以看出,加裝導(dǎo)流板和整流格柵可以改善煙道內(nèi)的速度場(chǎng),煙氣在SCR系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)均勻,流體流經(jīng)彎道時(shí)的分離現(xiàn)象消失,二次流消失,催化劑入口斷面速度分布均勻。如圖7所示,催化劑入口處速度分布在4~6m/s之間,速度值處于4~5m/s之間的為96.1%,實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口斷面煙氣速度不均勻性小于15%的目標(biāo)。此SCR脫硝系統(tǒng)的流場(chǎng)已獲得令人滿意的效果。3.4催化劑的流場(chǎng)分布在獲得最佳流場(chǎng)的SCR系統(tǒng)前提下,優(yōu)化渦流混合器的圓盤(pán)直徑和布置位置、角度,以及調(diào)整5個(gè)氨氣噴管的流量,以實(shí)現(xiàn)NH3與煙氣均勻摻混的目標(biāo)。圖8給出了加裝渦流混合器后系統(tǒng)對(duì)稱面上的速度和壓力分布,圖9給出了對(duì)稱面上NH3濃度分布,圖10給出了催化劑入口截面處NH3濃度分布。從計(jì)算結(jié)果可以看出,NH3從噴氨管噴出,在反應(yīng)器內(nèi)與煙氣充分摻混,經(jīng)過(guò)導(dǎo)流葉柵和整流格柵后,進(jìn)入第一層催化劑入口時(shí),流場(chǎng)分布均勻。氨氣與煙氣的摻混在上游垂直煙道內(nèi)基本完成,在導(dǎo)流葉片和整流格柵的作用下,氨氣與煙氣進(jìn)一步混合,在催化劑入口截面處NH3濃度分布均勻,實(shí)現(xiàn)了NH3/NOx充分均勻混合,可以提高脫硝效率。4實(shí)驗(yàn)裝置和方法為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性和正確性,研究中建立了幾何尺寸為1:15的脫硝氣動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái),實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似原則。試驗(yàn)過(guò)程中,入口截面的雷諾數(shù)Re=353000,實(shí)驗(yàn)在自模化區(qū)。具體模型外形、渦流混合器詳圖見(jiàn)圖11。通過(guò)特制的五孔探針風(fēng)速測(cè)量設(shè)備系統(tǒng),在反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口測(cè)定斷面各點(diǎn)的速度大小和方向。五孔探針采集氣體壓力信號(hào),壓力再經(jīng)過(guò)壓力傳感器--變送器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),反映壓力的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊放大再通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)。圖12給出了對(duì)稱面內(nèi)催化劑入口截面上實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算速度值的比較,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,本文的數(shù)值計(jì)算方法具有良好的可靠性。5數(shù)值結(jié)果分析通過(guò)對(duì)上述5種方案SCR脫硝系統(tǒng)流動(dòng)和摻混的數(shù)值模擬,獲得了合理的SCR脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺寸,數(shù)值計(jì)算有效地指導(dǎo)了SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,數(shù)值計(jì)