脱硝流场优化|-达华洁能

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北京达华洁能工程技术有限公司成立于2015年12月08日，注册资金2000万元。公司致力于电力行业节能减排技术研究及产品开发应用，在行业内是同步分区测量优化喷氨先行者、总量优化控制专家，公司拥有自主知识产权的大数据平台实现生产过程智能控制。 ...
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脱硝流场优化

脱硝烟气流场偏差大，存在喷氨不均局部氨逃逸超标的现象。影响脱硝下游设备安全经济运行，特别是空预器低温段频繁因硫酸氢氨积聚堵塞。致使电厂必须停炉对整个脱硝系统进行改造。改造目的在于提高脱硝效率，达到NO_X排放标准，并减轻或消除烟道积灰及空预器磨损问题，是脱硝装置高效、稳定运行。

· 流场模拟数学模型
脱硝烟气流动遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒方程，湍流模型采用标准k—ε双方程模型，压力—速度耦合采用SIMPLE算法，氨氮混合采用组分输运模型。
假设流动处于稳态、入口速度均匀，入口边界采用速度入口边界，速度值由BMCR工况烟气流量计算得到：出口边界采用压力出口边界；催化剂采用蜂窝式多孔介质模型，按催化剂压降为200Pa设置阻力系数；导流板、整流格栅等均采用壁面边界。

· 数值模拟结果与分析讨论
★ 改造前模拟结果与分析
对改造前脱硝装置进行数值模拟，结果如图2—图7所示。图2显示，改造前省煤器出口水平扩张烟道未设置导流板，烟气无法在整个烟道内均匀扩张，烟气主要从靠锅炉中心线侧流过，在远离锅炉中心线侧存在大范围涡流，这是导致该区域烟道积灰严重的主要原因，也使喷氨区域烟气速度分布不均匀（如图3所示），截面速度Cv分布值为48.8%，靠锅炉中心线侧烟气速度大，远离锅炉中心线侧烟气速度小，喷氨区域烟气速度分布与喷氨量难以匹配，不利于催化剂入口氨浓度均匀分布。

图2 改造前省煤器出口扩张烟道流场（俯视图）

图3 改造前喷氨区域烟气速度分布图4 改造前首层催化剂入口烟气速度分布

改造前首层催化剂入口烟气速度分布如图4所示，截面烟气速度分布均匀性良好，Cv值为10.2%，达到速度分布相对标准偏差CV≤10%流场指标要求，但均匀性可以进一步优化。
图5示出反应器出口（即空预器入口）烟气速度分布，截面速度分布Cv值为36.4%，左侧速度高，右侧速度低，从而导致空预器磨损严重问题的出现。脱硝反应器出口烟气速度分布虽然对脱硝本身不会造成影响，但对于空预器运行却影响很大。
改造前首层催化剂入口氨浓度分布如图6所示，截面氨浓度分布均匀性较差，氨浓度Cv值为29.5%，无法满足催化剂入口NH₃/NO_X摩尔比分布相对标准偏差CV≤5%指标要求，从而导致改造前脱硝效率低。造成首层催化剂入口氨浓度分布均匀性差原因有2点：1）喷氨区域烟气速度分布不均匀，导致喷氨区域烟气速度分布与喷氨量不匹配；2）喷氨装置的喷氨口和混合气数量太少。改造前氨气流线如图7所示，喷氨过于集中且混合器间距大，难以使烟气与氨气充分混合。

图5 改造前反应器出口烟气速度分布图6 改造前催化剂入口氨浓度分布

★ 优化后模拟结果分析
根据改造前流场存在的问题，提出优化脱硝装置措施（如图8所示），包括：1）在省煤器出口水平扩张烟道合理设置导流板；2）在整流格栅上游增设导流板；3）更换喷氨混合装置；4）在反应器出口上游转弯烟道处增设导流板。对优化后脱硝装置BMCR工况下流场进行数值模拟，结果如图9—14所示。从图9可以看出，优化后在省煤器出口水平烟道段合理的设置导流板，烟气在整个烟道内均匀扩张，消除了大范围涡流，能有效减轻烟道积灰。

图7 改造前氨气流线图8 优化后脱硝装置CFD模型

在省煤器出口水平烟道设置导流板也使喷氨区域烟气速度分布均匀（如图10所示），截面速度分布Cv值降为10.5%，有利于催化剂入口氨浓度均匀分布。优化后首层催化剂入口烟气速度分布如图11所示，截面烟气速度分布均匀性良好，Cv值为6.5%，速度分布均匀性优于改造前。
图12示出了反应器出口烟气速度分布，优化后出口转弯烟道处设置了导流板，使反应器出口烟气分布得到改善，截面速度分布Cv值降为13.3%，速度最大值也有明显下降，可有效消除空预器磨损问题。因此，很有必要在反应器出口烟道弯头处合理设置导流板，使空预器入口烟气速度分布均匀。

图9 优化后省煤器出口扩张烟道流场（俯视图）

图10 优化后喷氨区域烟气速度分布图11 优化后首层催化剂入口烟气速度分布

优化后首层催化剂入口氨浓度分布如图13所示，截面氨浓度分布均匀性得到显著改善，氨浓度Cv值降为3%，满足小于5%的指标要求，可以很大程度上提高脱硝效率。通过更换喷氨混合器（如图14所示），使喷氨不会过于集中而是均匀分散在整个截面上（如图15所示），强化了烟气和氨气的混合，从而使催化剂入口氨浓度均匀分布。图16示出了改造前和优化后氨浓度分布均匀性沿竖直烟道截面变化情况（Z表示沿高度方向，喷氨母管高度位置为0），优化后个界面氨浓度分布Cv值都比改造前小，说明优化后氨浓度分布更趋于均匀。

图12 优化后反应器出口烟气速度分布图13 优化后首层催化剂入口氨浓度分布

图14 优化后喷氨混合装置氨分布

图15 优化后氨气流线

图 16 改造前和优化后氨浓度分布均匀性

★ 优化结果表明
优化后省煤器出口水平扩张烟道合理设置导流板，消除了该区域的大范围涡流，能有效减轻积灰；优化后喷氨区域的速度分布均匀性大幅改善，有利于该区域均匀喷氨，大大强化了氨气和烟气的混合，使得催化剂入口氨浓度分布均匀，很大程度上提高了脱硝效率；优化后在反应器出口烟道弯头处设置了导流板，空预器入口速度分布均匀，无明显高速区，解决了空预器磨损严重的问题。按此优化方案对脱硝装置进行了提效改造，脱硝效率得到了显著提升，烟道积灰和空预器磨损问题得以解决，使脱硝装置高效、稳定运行。