锅炉烟气脱硝均流板设计研究

杨丑伟

(山西晋丰煤化工有限责任公司，山西 高平 048400)

NOx是评价环境质量重要指标之一，按照GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》，20 t/h以上蒸汽锅炉和14 MW以上热水锅炉应当安装污染物排放在线监控装置，并应与环保部门的监控中心联网。从国家层面到各省市层面，都在加快推进氮氧化物的治理，特别是燃煤锅炉超低排放限值的实施，倒逼企业进行技术升级改造，满足新环保排放要求。

1 项目技术改造概况

改造前锅炉采用SNCR脱硝工艺，能够满足GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》要求，为实现超底排放要求，必须对锅炉现有脱硝装置进行提标改造，综合调研现有脱硝技术，采用SNCR+SCR技术能够满足超低排放要求，但是原有锅炉设计未留置催化剂装填空间，需将烟道引出烟道进行设计。锅炉为75 t/h的循环流化床锅炉，在锅炉尾部设置SNCR喷射装置，拟在尾部烟道增加采用氨水为还原剂的SCR脱硝工艺，采用炉外1+1布置。

还原剂主要来源于SNCR未反应的氨水和烟道增加的氨水，涉及到SNCR反应和氨水挥发等多个传热传质相变过程，较为复杂，因此该改造不考虑氨的浓度分布问题，仅对烟气分布的速度场和温度场进行优化模拟。SCR脱硝系统烟气参数见表1。

表1 脱硝装置入口烟气参数

2 SCR脱硝改造流场数学模型与边界条件

依据实际的工程运行环境，在达到工程要求的条件下，为方便进行模拟计算，对此SCR系统中烟气情况进行如下的简化与假设[1-2]：

1)视烟气为不可压缩的牛顿流体；

2)建立省煤器进口位置烟气速度散布均匀的假设；

3)CFD模型中包含烟道系统与催化剂层；

4)采用多孔介质进行催化剂层压降的模拟，生成出一个与实际的运行值相差无几的压力损耗实施模拟；

5)在CFD模型中装配使流场发生变化的整流层与导流板等；

6)在CFD模型中，对一些对流场影响较小的内部构造如梁与构架等进行忽略。

根据上述的简化和假设，SCR系统中烟气流场的控制方程式可以表达为式(1)。

(1)

式中，S、Γ、φ分别为广义源项、广义扩散系数和通用变量。式(1)中的等式两边的各项，依次为瞬态项(transient term)、对流项(convective term)、扩散项(diffusive term)与源项(source term)。依据SCR系统中烟气流动湍流的实际状况，采取工程中常用的标准κ-ε湍流模型进行模拟塔内的烟气湍流变化运动情况。

2.1 Cv值计算

按照新氮氧化物排放指标要求，尤其是技改项目，原有锅炉的流场与空间未考虑SCR位置，改造项目的SCR设计性能尤为关键，利用标准偏差Cv测定SCR应器内NH3/NOx标准偏差、进入首层催化剂速度均匀性，温度均匀性偏差值，来评价SCR流场性能。

2.2 网格划分及边界条件

利用前处理软件对脱硝系统进行三维建模，利用六面体和四面体网格网格化三维模型。建立单元数量约为200万的模型网格。为防止壁面非线性发散，采用低松弛迭代的变松弛系数法[3-4]。速度入口为烟气入口边界条件，压力出口为出口边界条件，采用标准壁面函数对模型壁面进行计算。

3 计算项目分析

在满负荷条件下计算基准面，计算出模拟结果，在数值模拟试验过程中，对达不到指标或者规范要求的模拟结果，安装均流板进行流场优化设计，直到符合相关标准为止。研究项目主要为烟气速度剖面图、首层催化剂的烟气进入角度和系统压降，分析要点布置情况见图1。

图1 模拟要点位置

4 数值模拟优化设计方案分析

本研究通过对原模型进行CFD仿真模拟计算，在多次进行详细的CFD仿真模拟计算研究的基础上，对原模型加装均流装置，对均流板的形状、结构尺寸、数量以及安装位置、安装角度等基本参数进行仿真模拟计算，得出综合效果最佳的方案[5]。图2为最佳优化方案的模型CFD模拟图。

图2 最佳优化方案导流装置位置图

5 结语

为了满足机组脱硝改造设计和运行的技术要求，采用计算机数值模拟方法进行了大量的研究，并在此基础上进行了优化设计。通过以上计算机数值模拟试验研究与分析，确定了最佳优化的均流板设计方案。结果表明，在各截面的速度分布、催化剂入口角度分布等方面均满足设计要求；系统的流动阻力损失也满足要求。根据模拟结果进行均匀场改造，能够明确均流板设计依据，改造后，达到预期效果。