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三河电厂二期工程SCR脱硝装置流场的模型试验和数值分析


基础研究

三河电厂二期工程 SCR 脱硝装置 流场的模型试验和数值分析
徐芙蓉1 , 平   2 , 姜柏卿3 , 邵雪明4 恒
1. 浙江融智能源科技有限公司 ,浙江 杭州   310012 2. 北京国华电力有限责任公司 ,北京   100025 3. 国华三河电厂 ,河北 三河   065201 4. 浙江大学 ,浙江 杭州   3

10027

[摘

要]   结合三河电厂二期 2 × 300 M W 机组 SCR 脱硝项目 , 通过冷模试验和数值模拟相结合的 方法 ,对脱硝装置烟道中的整流装置 、 均流格栅 、 喷射格栅及导流板等装置进行优化设计 , 使烟气流场达到了设计要求 。

[关

键 词 ]  SCR 脱硝装置 ; 整流装置 ; 均流格栅 ; 喷射格栅 ; 导流板 ; 流场模拟 [ 中图分类号 ]   X701 [ 文献标识码 ]   A [文 章 编 号]   1011 3364 ( 2007 ) 11 0028 05

   燃料燃烧过程产生的氮氧化物 ( NO x ) 是酸雨形成 的主要因素之一 , 因此受到广泛的关注 。本文通过冷 态模型试验与数值模拟相结合的方法 , 对三河电厂
SCR 脱硝装置部件进行优化设计 , 以使烟气流场满足

脱硝系统的要求 。优化设计的部件包括 : ( 1) 喷射格栅 ( 喷嘴的大小 、 间距及布置形式 ,控制模式) ; ( 2 ) 整流装 置的形式 ; ( 3) 烟道 、 反应器中的导流板 ; ( 4 ) 均流格栅 ( 形式 、 数量 、 位置等) 。

粉煤灰在烟道中的堆积现象 , 以判断是否需在合适的 位置装设灰斗 。 本试验判别准则 : 氨喷射格栅 ( A I G) 入口速度标 准偏差系数 CV 值应 ≤15 % , 第一催 化剂 层入口 处 N H3 浓度标准偏差系数 CV 值 ≤ % 。CV 值可由下 10 式求得 : ( 1) CV = σ / V 0 ×100 % v σ = ( v

∑( V

i

2 1/ 2 - V 0 ) / ( n - 1) )

( 2)

1  项目概况
三河发电厂二期 2 × 300 M W 热电联产机组安装 了 SCR 脱硝装置 ,其由两路各 50 %流量的单元组成 。 本文针对其中的一个单元进行试验和模拟 , 目的为 : ( 1 ) 通过设计 、 测试和优化烟道的布置 , 保证烟道流场 均匀以及 N H3 和 NO x 混合均匀 ,并维持系统低压损 ; ( 2 ) 在低负荷下进行粉煤灰在烟道中的沉降试验 , 分析

式中 ,σ 为标准偏差 , m/ s ; V 0 为平均速度 , m/ s ; V i v 为当地速度 , m/ s ; n 为测量点数 。 采用模型试验和数值模拟相结合的方法 : ( 1 ) 对初 步设计模型进行数值建模 , 并依次优化 A IG、 整流装 置、 均流格栅及导流装置的设置 ; ( 2 ) 初步达到设计要 求后 ,根据数值模拟结果优化设计烟道并进行物理建 模 ; ( 3) 将数值模拟的结果与冷态试验的结果进行比 较 ,若未达到设计要求 , 则重新调整模型布置 , 直至达 到设计要求为止 。

2007 ( 11)  ? 热力发电 ? }  

收稿日期 :   204202 2007 作者简介 :   徐芙蓉 ,女 ,毕业于上海交通大学 ,高级工程师 ,现就职于浙江融智能源科技有限公司 。 E mail :    xf r0605 @163. co m 2

基础研究
三河电厂 SCR 系统模型试验布置见图 1 。

图2  SCR 系统试验模型

2. 3   测量及试验项目 ( 1) 速度测量  速度测量采用热线风速仪 ( 测量
1— 进口管道   — 2 省煤器出口烟道   — 3 SCR 进口烟道   — 4 氨

喷射格栅 ( A I G)   — 5 氨2烟混合烟道   — 6 反应段   — 7 出口管 道  — 8 引风机以及导流板 、 均流格栅和催化剂等

图1  三河电厂 SCR 系统模型试验布置

2  冷态模型试验
2. 1   试验模型

范围 0~333 m/ s ,精度 1 %) 。 测点布置 :1) 在 A IG 上游布置 4 × 个测点 , 即 15 图 1 中 V1 处 ;2) 在第 1 、 2 层催化剂进口布置 9 × 第 15 个测点 ,即图 1 中 V5 、 处 。 V6 ( 2) 压力测量   BMCR 工况下对 SCR 系统的 在 压力损失进行测量 。在本次模型试验中 , 布置了 8 个 压力测试点 ,即图 1 中 P1~ P8 。 ( 3) N H3 浓度分布情况   试验中用 CO 气体替代 N H3 进行试验 。 ( 4) 飞灰沉降试验  在前 3 个项目测试完毕后 , 进行飞灰沉降试验 。

试验范围从省煤器出口至空气预热器入口 。试验 模型照原型装置按 1 ∶ 的比例进行制作 ( 图 2 ) 。除 15 进出口管道外 , 模型的 SCR 部分全部由有机玻璃制 作 ,以利于观察流场 。反应段中催化剂层的压力损失 由适当的阻力器产生 。采用多孔板来代替催化剂层 , 导流板采用有机玻璃板制作 , 并保持高宽比与原型一 致 。引风机型号 9226 No8. 4D , 流量 12 124 m3 / h , 压 头4 111 Pa ,功率 22 kW 。
2. 2   试验条件
表 1  BMCR 工况试验条件
372 20

3  CFD 数值模拟
3. 1   几何模型

模型试验采用的流体介质为空气 ,模型试验中气流 速度和实际 SCR 系统中的烟气速度相当。按 BMCR 、 THA (汽轮机额定出力工况) 、 % THA 、 % THA 和 75 50 30 %THA 5 种不同负荷进行测试。其中 ,BMCR 工况 下的试验条件如表 1 所示。
项目 催化剂入口速度/ m? - 1 气体温度/ ℃ s
4. 5 ( 烟气) 4. 5 ( 空气)

数值研究首先在 1 ∶ 的模型基础上进行 。采用 15 三维建模 ,总共产生网格数为 370 万 ( 图 3 ) 。其中 , 对 局部区域进行网格细化 ,图 4 为 A IG 及整流装置完全 建模图 。
3. 2   建模方案 ( 1) 导流板完全建模 ; ( 2) A IG 及整流装置完全建模 ; ( 3) 均流格栅和催化剂层采用多孔介质模型 ; ( 4) 氨和烟气的混合采用 Fluent 的组分模型 ; ( 5) 边界条件 : 进口为流量 ,出口为大气压力 。

雷诺数

实际设备

7. 12 × 5 10 1. 62 × 10
5

模型   

热力发电 ? 2007 ( 11)

? ?  

基础研究
SCR 装置中的流场达到了速度均匀性的要求 , 即 CV

值 ≤ % 。同时 ,冷态试验与数值模拟的结果较为接 15 近 ,这也验证了数值模拟结果的正确性 。 从表 2 可以看到 , 不同工况之间的速度标准偏差 系数值较为接近 ,说明烟道中 A I G、 整流装置 、 均流格 栅、 导流板的布置 , 受工况的影响较小 , 即在不同的工 况下 ,烟道中流场的速度均匀性均可以得到保证 。
表2  不同工况下试验及数值模拟结果比较
项目
AIG 上游速度 CV 值/ %

  BMCR     T HA   75 %T HA

50 %T HA 30 %T HA

试验 数模 试验 数模 试验 数模 试验 数模 试验 数模
10. 35 13. 6 11. 0 11. 9 9. 89 11. 9 9. 65 11. 9 8. 75 11. 9

图3  几何模型网格

第 1 层催化剂 入口速度 CV 值/ % 第 1 层催化剂入口 N H 3 浓度分布 CV 值/ % 压力损失/ Pa

12. 72 11. 9 12. 0 11. 8 11. 45 11. 9 11. 41 11. 9 11. 78 12. 1

8. 63 9. 98 8. 57 9. 86 8. 58 9. 79 8. 91 9. 73 9. 97 9. 86 460 415

图 5~图 7 给出了在 BMCR 工况下 , 冷态试验所 得的 A IG 上游及第 1 层催化剂入口处的速度分布及 催化剂层入口 N H3 浓度分布 。图 6 和图 7 中 U 和
U mean 分别代表该截面上各测点的速度和该截面的平均

速度 。图 5~图 7 的物理量均为无量纲 。图 7 中 nh3 表示该截面各测点氨气的浓度和平均浓度之比 。
图 4  AIG 及整流装置完全建模网格

3. 3   数据模拟步骤

对初步设计的 A IG、 整流装置 、 均流格栅 ( 未设置 导流装置) 的流场进行数值模拟 ( 数模) ; 然后 , 布置初 步的导流装置 ,对设置导流装置的流场进行模拟和测 试 ,并依次调整 A I G 的喷嘴大小 、 间距以及喷射分区 控制模式 、 整流装置的布置形式 、 均流格栅的间距及高 度 。同时 ,将数值模拟结果与冷态试验的结果进行比 较 ,以验证数值模拟的正确性 。由于上述模拟是在 1 ∶ 的模型基础上进行的 , 为了保证在实际情况下上 15 述数据的有效性 ,选取一种工况对真实模型进行模拟 , 并与 1 ∶ 情况下的结果进行比较 。 15

4  结果分析
4. 1   冷态试验与数值模拟结果比较
图 5  BMCR 工况下 AIG 上游速度分布( 冷态试验)

表 2 给出了 5 种不同工况下在 A I G 上游和第 1 层催化剂入口 处的 速度 标准 偏差 系数 。可 以看 到 ,
2007 ( 11)  ν 热力发电 ? υ  

基础研究

图 8  BMCR 时纵剖面速度分布( 单位 m/ s)

图 6  BMCR 工况下催化剂入口处速度分布( 冷态试验)

图 9  BMCR 时加导流板时纵剖面速度分布( 单位 m/ s)

图 7  BMCR 负荷时催化剂层入口 NH3 浓度分布( 冷态试验)

灰量为 5 kg ,气体中飞灰含量为 14. 3 g/ m3 。试验所 用飞灰的平均粒径比实际要大 , 这意味着飞灰沉降试 验得出的结果较为保守 ( 表 4) 。
表4  飞灰沉降试验结果
工况
30 % T HA 50 % T HA 75 % T HA

4. 2   烟道优化设计前后的比较 ( 基于数值模拟结果)

表 3 给出了烟道优化设计前后流场速度均匀性的 比较 ,图 8 和图 9 分别给出了加与不加导流板时 SCR 装置纵剖面上的速度分布 。结果显示 ,在 A I G 上游处 和催化剂入口处 , 加导流板后流场的速度均匀性明显 改善 。
表3  加导流板前后流场速度均匀性比较
项目 烟道优化设计前 烟道优化设计后
A I G 上游速度 CV 值/ % 37. 3 13. 6

省煤器灰斗 灰量/ kg
1. 1 0. 6 0. 4

进口烟道 灰斗灰量/ g
90 80 61. 5

水平烟道 上积灰 不明显 不明显 无

导流板上 积灰 不明显 不明显 无

从表 4 可知 ,随着锅炉负荷上升 , 烟气对烟道 、 导 流板的自清灰能力增强 。因此 ,在设计负荷工况下 ,水 平烟道及导流板上不会有积灰 。
4. 4   对实际工况的数值模拟

第一层催化剂 入口速度 CV 值/ %
34. 7 11. 9

以上结果都是基于 1 ∶ 的试验模型 , 且介质为 15
4. 3   飞灰沉降试验

为验证飞灰在 SCR 烟道中的沉积情况 ,进行了飞 灰沉降试验 。考虑到锅炉低负荷运行时飞灰最易沉 降 ,对 30 %T HA 、 %T HA 和 75 % T HA 3 种工况进 50 行试验 。试验用飞灰的平均粒径为 65 μm , 各工况用

常温下的空气 ,虽然基本上能代替真实的工况 ,但部分 流体力学性质还是有所不同 。为此 ,对 SCR 实物原形 与实际烟气参数 ( 基于 BMCR) 进行了流场数值模拟 , 结果见表 5 。由表 5 可见 , 两种情况的数值模拟结果 基本相同 ,也即说明试验模型能基本上代替现场工况 。 热力发电 ? 2007 ( 11)

? ν  

基础研究
表5  试验模型与真实工况数值模拟结果比较
项目
1∶ 模型 15 A I G 上游速度 CV 值/ % 13. 6 12. 3

第 1 层催化剂入口 第 2 层催化剂入口 速度 CV 值/ % 速度 CV 值/ %
11. 9 11. 7 5. 3 5. 46

真实工况

实物原形用于优化设计 ; ( 3) 通过优化设计 ,整流装置 、 均流格栅 、 喷射格栅等所规定截面上的速度分布基本 上满足了设计要求 ; ( 4 ) 设计负荷工况下 , 水平烟道及 导流板上不会积灰 ,灰斗设置合理 。
[参       ] 考 文 献

5    结 语
采用模型试验和数值模拟相结合的方法对 SCR 装置烟道中的整流装置 、 均流格栅 、 喷射格栅及导流板 的布置进行了优化设计 , 并进行了飞灰沉降试验 。结 果表明 : ( 1) 冷态试验与模拟结果较为接近 , 即验证了数 值模拟结果的正确性 ; ( 2 ) 所建 SCR 试验模型可替代

[1 ]   王钟 ,王颖 . 火电厂烟气脱硝技术探讨 [J ] . 吉林电力 , [2 ]   王文选 ,肖志均 ,夏怀祥 . 火电厂脱硝技术综述 [J ] . 电力 [3 ]   雷士文 ,雷世晓 ,王德敏 1 氨法烟气脱硫脱硝的技术特征 [4 ]   吕明 ,刘新宇 ,郦卫成 1 龙山电厂 2 ×600 MW 空冷机组 2005 , ( 6) :125.

1. Energy Source Science & T echnology Co Ltd under Zhejiang University , Hangzhou 310012 , Zhejiang Province , PRC 2. Beijing Guo hua Elect ric Power Co L t d , Beijing 100025 ,PRC 3. Guo hua Sanhe Power Plant , Sanhe 065201 , Hebei Province , PRC 4. Zhejang U niver sit y , Hangzho u 310027 , Zhejiang Province , PRC

flow field simulatio n ; CFD

tio n facility , flow equalizing grate , sp raying grate , and flow2guiding plate etc. . in flue duct of t he denit rificatio n system has been car2 ried out , making t he flow field of flue gas to reach requirement s of design. Key words :SCR denit rification system ; rectification facility ; flow equalizing grate ; sp raying grate ; flow2guiding plate ; model test ;

Abstract :Co mbing wit h selective catalystic reduction ( SCR) denit rification p rojict fo r 2 ×300 MW unit s in second2p hase p roject of

Sanhe Power Plant , and t hro ugh combined met hod of cold model test wit h numerical simulation , t he design optimization of rectifica2

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2007 ( 11)  ν 热力发电 ? ω  

MOD EL TEST AND NUMERICAL ANALYSIS OF FLOW FIELD IN SCR D ENITRIFICATIO N SYSTEM IN SECO ND2P HASE PROJECT OF SANHE POWER PLANT
XU Fu2ro ng1 ,D IN G Heng2 ,J IAN G Bai2qing3 ,S HAO Xue2ming4

设备 ,2006 ,7 ( 8) :125.

脱硝预留方案探讨 [J ] . 电力建设 ,2006 ,27 ( 4) :59265.

[J ] . 电力环境保护 ,2006 ,22 (2) :32234.


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