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SCR脱硝流场多维度数值模拟优化方法研究及应用

2016/10/18    来源:ANSYS    作者:叶兴联      
关键字:JSCR脱硝  流场优化  多维度  数值模拟  
JCFD数值模拟是SCR脱硝流场优化的主要方法,为了实现对SCR脱硝流场高效率优化,提出了多维度数值模拟优化设计方法,分步骤对SCR脱硝二维、三维流场进行数值模拟优化,大大缩短了单个SCR脱硝项目流场优化时间,为SCR脱硝流场优化提供有效指导方法。结合物模试验验证,SCR脱硝流场多维度数值模拟优化结果是准确可靠的。

1 前言

    SCR(Selective Catalytic Reduction,选择性催化还原)脱硝技术具有占地面积小、脱硝效率高、技术成熟等优点,是当前应用最广泛的烟气脱硝技术。它的基本原理是将稀释后的还原剂氨气喷入到温度为290-430℃的烟气中,烟气与氨气进行均匀混合后,在催化剂的作用下氨气和氮氧化物发生氧化还原反应使氮氧化物被还原成无害的氮气和水。脱硝效率、氨逃逸率、催化剂使用寿命是评价SCR脱硝性能优劣的主要依据,在工程实践中,除了催化剂自身条件外,流场是影响SCR脱硝性能的关键因素。理想的流场不但可以提高SCR脱硝效率,降低氨逃逸率,而且可以减少催化剂因低速气流积灰堵塞或  高速气流冲刷磨损,从而延长催化剂的使用寿命,因此SCR脱硝工程需要对流场进行优化设计。

    目前在工程应用中,普遍采用CFD(Computational Fluid Dynamic,计算流体力学)数值模拟方法对SCR脱硝进行优化设计,在SCR脱硝装置内部布置气流和氨浓度均布装置,包括导流板、整流格栅、混合器等,之后再结合冷态物模试验做辅助验证,并最终确定SCR脱硝装置内部具体结构。在数值模拟阶段主要是对气流和氨浓度均布装置位置、数量、尺寸进行调整使流场达到以下优化指标:

    ①首层催化剂前断面速度分布均匀,速度相对标准偏差小于15%;

    ②首层催化剂前断面氨浓度分布均匀,浓度相对标准偏差小于5%;

    相对标准偏差值是定量评价测试断面数据均匀性的依据,其值越小表明数据越均匀,采用Cv表示:

公式

公式1 相对浓度Cv

    式中,Cv-相对均方根差;xi-测点数据,如速度、浓度;x-测点平均值;n-截面测点数。

2 SCR脱硝流场多维度数值模拟优化方法

    SCR脱硝流场优化难点在于使首层催化剂前断面烟气速度和氨浓度分布均匀,Cv分别小于15%和5%。目前,采用数值模拟方法对烟气SCR脱硝装置内流场优化主要依据经验在变径烟道、转弯烟道设置导流板、在催化剂前设置整流格栅等(如图1所示),然后对三维流场进行数值计算,并不断对导流装置结构、数量、位置、尺寸进行调整直至流场满足SCR脱硝优化设计要求。由于SCR脱硝流场数值模拟网格数量大(可能多达一千万),每个算例(每次调整对应于一个算例)计算需要花很长时间;另外,对SCR脱硝流场调整缺乏有效的指导方法,具有一定盲目性,要使流场达到优化设计要求需要经过很多次调整,因此整个优化工作耗时量大。

图1 某电厂350MW机组SCR脱硝装置导流装置布置

图1 某电厂350MW机组SCR脱硝装置导流装置布置

    为了提高SCR脱硝流场优化效率,本文提出了“SCR脱硝流场多维度数值模拟优化方法”,可大大缩短SCR脱硝流场优化时间。“SCR脱硝流场多维度数值模拟优化方法”是指分步骤先后采用二维、三维建模对SCR脱硝反应器二维、三维流场进行数值模拟优化,以“尽可能减少流场调整次数和节省每个算例的计算时间”为思路将流场调整至满足SCR脱硝流场优化指标。

    SCR脱硝流场多维度数值模拟优化方法的具体实施流程如下。

    (1)二维流场数值模拟优化

    按SCR脱硝反应器结构主视图(主视图反映出烟气沿主流动方向的流动特性)进行二维建模和流场数值模拟优化,二维流场优化过程不对喷氨模拟,只对气流分布进行数值计算。在主流动方向加装导流装置,如在转弯烟道设置导流板、在斜坡烟道设置小挡板、在催化剂前设置整流格栅等,并对主流动方向导流装置调整使喷氨格栅和首层催化剂前断面速度Cv小于10%时,表明喷氨栅和首层催化剂前断面速度分布充分均匀,主流动方向上的导流装置结构即可确定下来。由于喷氨格栅前速度分布均匀性影响着催化剂前烟气速度和氨浓度分布,喷氨格栅前速度分布越均匀,首层催化剂前烟气速度和氨浓度分布也越均匀,因此需要在二维流场优化中要求喷氨格栅和首层催化剂前速度Cv均小于10%。另外,要求首层催化剂前的速度相对标准偏差小于10%而不是15%,原因在于二维流场中首层催化剂前的速度分布越均匀,对三维流场中首层催化剂前的速度均匀分布越有利。

    在二维流场优化数值模拟中,由于二维建模网格量少,且只涉及气流分布数值模拟,因此每个算例计算耗时极少,可以在短时间内进行多个算例快速计算,以此对流场调整可以很快确定主流动方向上的导流装置结构。二维流场优化确定了主流动方向上的导流装置结构,可以大大减少三维流场的调整次数。

    (2)三维流场数值模拟优化

    按SCR脱硝反应器全图纸进行三维建模和流场数值模拟优化,在三维流场优化过程中先对气流分布进行优化,之后再对喷氨过程进行优化。

    气流分布优化时,将整个脱硝装置分为三段——烟气入口至喷氨格栅段、喷氨格栅至首层催化剂段、底层催化剂至烟气出口段,按此三段结构对气流分布进行优化。由于烟气从首层催化剂流动至底层催化剂段速度分布将变均匀,对首层催化剂上游流场优化后无需对首层催化剂流动至底层催化剂段流场进行优化,因此气流分布分段优化时不包含首层催化剂流动至底层催化剂段。具体优化流程依次是:

    ①根据SCR脱硝反应器三维结构分别建立烟气入口至喷氨格栅段、喷氨格栅至首层催化剂段、底层催化剂至烟气出口段的三维几何模型并按二维流场优化结果设置主流动方向的导流装置;

    ②对于烟气入口至喷氨格栅段,在变径烟道设置主流动垂直方向的导流板并进行数值模拟直至喷氨格栅前断面速度Cv小于10%;

    ③对于喷氨格栅至首层催化剂段,在催化剂上游设置主流动垂直方向的整流格栅并进行数值模拟,直至首层催化剂前断面速度分布Cv小于10%;

    ④对于底层催化剂至烟气出口段,在催化剂下游变径烟道设置主流动垂直方向的导流板并进行数值模拟,直至出口断面速度分布Cv小于15%。对出口断面速度分布要求Cv小于15%是为了提高SCR脱硝装置下游的空预器入口速度的均匀性,保证空预器正常运行。

    在三段气流分布分别优化后,建立SCR脱硝装置完整三维结构模型并按三段气流分布优化方案布置导流装置进行数值模拟,如果喷氨格栅或首层催化剂前断面烟气速度Cv大于10%,则需对导流置进行微调直至喷氨格栅与首层催化剂前断面烟气速度Cv小于10%;当三维流场气流分布满足喷氨格栅和首层催化剂前断面速度Cv小于10%要求时,SCR脱硝反应器的导流装置结构即可确定下来;在三维完整结构气流分布优化后,加入组分输运模型,对气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟,并统计首层催化剂前断面氨浓度Cv,如果首层催化剂前断面氨浓度Cv大于5%,则需对喷氨格栅各喷管进行氨流量调整或在喷氨格栅后增设静态混合器强化氨气与烟气混合,直至首层催化剂前断面氨浓度Cv小于5%;当首层催化剂前氨浓度Cv小于5%时,即可确定SCR脱硝反应器的整体优化结构,SCR脱硝流场数值模拟优化工作即已完成。

    在三维流场优化数值模拟中,先只对气流分布分段进行优化,再对完整三维结构气流分布进行优化,这样可以减小三维流场每个算例的网格数量即减少每个算例的计算时间。最后再对喷氨过程进行数值模拟优化,由于气流分布优化后再添加组分输运模型对喷氨过程进行数值模拟,计算很快趋于收敛,所以喷氨过程数值模拟时间大大缩短。“SCR脱硝流场多维度数值模拟优化方法”通过二维数值模拟减少了三维流场调整次数,三维分段数值模拟减少了三维流场每个算例的计算时间,因此单个SCR脱硝项目流场优化周期可以大大缩短,流场优化效率可以得到显著提高。

责任编辑:马倩
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