CN103926833B - 一种选择性催化还原脱硝装置入口参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种选择性催化还原脱硝装置入口参数确定方法，该方法以锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道为计算对象，借助Fluent软件进行全系统燃烧、传热和流动过程的数值模拟，获得不同工况下省煤器出口即SCR脱硝装置入口的烟气参数，包括速度分布、温度分布以及烟气成分的浓度分布；针对锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道(至省煤器出口)全系统，进行燃烧、传热和流动过程的数值模拟，并考虑固相颗粒运动，获得不同工况条件下省煤器出口即SCR脱硝装置入口的固相颗粒参数，解决以往因入口烟气参数设置不合理而造成的SCR脱硝装置设计计算与工程实际偏差过大、不考虑固相颗粒运动而造成催化剂磨损积灰等问题，能够有效提高SCR反应器脱硝效率、延长催化剂寿命。

Description

一种选择性催化还原脱硝装置入口参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种选择性催化还原脱硝装置入口参数确定方法，属于燃煤锅炉大气污染物控制技术领域。

背景技术

选择性催化还原(SCR)技术因其脱硝效率高、二次无污染等显著优点，成为燃煤电厂烟气脱硝技术的首选。采用CFD技术对SCR脱硝装置的实际烟气流动和氨喷射过程进行数值模拟，已成为SCR工程设计的重要内容。

目前，常规的流场模拟方法都采用锅炉运行参数和局部测试参数作为计算初始条件。在进行边界条件的设置时，通常采用理想的烟气参数，即均匀的烟气速度、温度和成分浓度分布，如通过加权平均测点温度表示SCR脱硝装置入口温度、通过测量单点浓度表示SCR脱硝装置入口浓度、通过烟气流量的面平均计算表示SCR脱硝装置入口速度，然而，已有的研究表明，不管是烟气的温度分布、浓度分布，还是经尾部受热面整流作用后的速度分布，均存在较大的不均匀性，因此，如果采用均匀性入口边界条件，势必带来与工程实际偏差较大的模拟结果，以此为依据设计的导流构件显然无法满足流场均匀性要求，进而导致目前运行SCR脱硝装置的脱硝效率和氨逃逸率普遍不达标。

而且，几乎所有的流场模拟方法仅仅考虑了气相的流动，并以计算获得的流动特征参数(速度相对标准偏差≤15％、烟气入射角≤±10°、温度分布最大绝对偏差≤±10℃、氨氮比相对标准偏差≤5％)作为流场均匀性的评价指标，而忽略了固相的作用，但在实际过程中，固相颗粒自身在重力场中具有运动特性，在气相场的作用下又会产生颗粒碰撞、团聚、解聚和分离等现象，这些运动又会反作用于气相并影响其流动，尤其是对于燃用高灰份煤种的锅炉，因此，忽略固相作用的评价指标会导致不合理的流场设计，这也是目前运行SCR脱硝装置催化剂磨损和积灰堵塞的一个重要原因。

通过以上分析可知，常规的SCR流场模拟方法存在以均匀入流代替非均匀入流、仅考虑气相运动而忽略固相运动等问题，为克服这些问题，本发明提出了一种选择性催化还原脱硝装置入口参数确定方法，旨在提高SCR脱硝装置的脱硝效率、降低SCR脱硝装置的氨逃逸率、改善SCR脱硝装置的催化剂积灰和磨损。

发明内容

发明目的：本发明针对以上技术问题，提供了一种选择性催化还原脱硝装置入口参数确定方法，用于解决以往SCR脱硝装置流场数值模拟时因入口烟气参数设置不合理而造成的SCR反应器设计计算与工程实际偏差过大、未考虑固相颗粒运动而造成催化剂磨损积灰等问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种选择性催化还原脱硝装置入口参数确定方法，该方法以锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道(至省煤器出口)为计算对象，借助Fluent软件进行全系统燃烧、传热和流动过程的数值模拟，并考虑固相颗粒运动，获得不同工况(主要指煤种、负荷变化)下省煤器出口即SCR脱硝装置入口的烟气参数，包括气固两相的速度分布、温度分布以及烟气成分的浓度分布；

所述的方法步骤为：

1)根据实际运行锅炉设备的结构和尺寸，采用Gambit软件建立包含锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道的全系统三维物理模型；

2)采用Fluent软件，以实际运行设备的入口条件为物理模型入口边界条件，采用可实现k-ε湍流模型和离散相模型，数值计算不同工况下煤粉在炉内的燃烧过程，烟气在锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道的传热、流动过程，获得不同工况下省煤器出口处即SCR脱硝装置入口烟气成分(NOx、O₂和未燃尽碳)的温度、速度和浓度分布；

3)采用Fluent软件，以除尘器中采样得到的飞灰物性参数作为入口边界条件，数值计算取样飞灰的流动过程，获得不同工况下省煤器出口处即SCR脱硝装置入口飞灰在烟道截面上的粒径分布；

4)结合省煤器出口截面步骤2)中未燃尽碳的浓度分布和步骤3)中飞灰的粒径分布，并比对现场测试数据，得到省煤器出口处即SCR脱硝装置入口不同粒径固相颗粒的浓度分布。

省煤器出口处不同粒径固相颗粒的浓度分布通过以下步骤获得：

1)建立锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道的三维物理模型，分别设置燃烧器入口和省煤器出口为入口边界和出口边界，并将出口边界划分为若干子区域；

2)采用Fluent软件数值计算不同工况下煤粉在炉内的燃烧过程，烟气在炉膛和尾部烟道的传热、流动过程，获得不同工况下省煤器出口截面各子区域未燃尽碳的浓度分布；

3)对除尘器灰斗的飞灰进行取样，并进行粒径分析，获得不同工况下对应的取样飞灰粒径分布；

4)在步骤1)中所述物理模型的基础上，以取样飞灰的物性参数作为固相入口边界条件，选择气固两相流模型，数值计算取样飞灰在锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道的流动过程，获得不同工况下省煤器出口截面各子区域飞灰颗粒的粒径分布；

5)整理不同工况下省煤器出口截面各子区域的未燃尽碳的浓度分布和飞灰颗粒的粒径分布的数据，借助概率统计、加权平均、最小二乘法等数据处理方法，计算得到省煤器出口截面不同粒径固相颗粒的浓度分布；

6)将步骤4)中的计算结果与省煤器出口取样测试数据进行比对，引入修正因子，获得符合实际情况的省煤器出口截面不同粒径固相颗粒的浓度分布。

有益效果：与常规的SCR脱硝装置入口参数确定方法相比较，本发明具有如下的特色及优点：

1、传统SCR流场模拟方法采用均匀性的入口边界条件，而本发明通过对锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道(至省煤器出口)全系统进行数值计算获得更符合实际的SCR脱硝装置入口条件，克服了传统方法由于通过加权平均测点温度表示SCR脱硝装置入口温度、通过测量单点浓度表示SCR脱硝装置入口浓度、通过烟气流量的面平均计算表示SCR脱硝装置入口速度而引起模拟结果与工程实际偏差较大的缺陷，以此为依据设计的导流构件更能满足流场均匀性要求，从而提高SCR脱硝装置的脱硝效率，降低氨逃逸率。

2、传统SCR流场模拟方法仅仅考虑气相的流动，而本发明通过对锅炉炉膛至省煤器全系统燃烧、传热和流动过程以及冷态飞灰流动过程进行数值计算获得SCR脱硝装置入口固相颗粒的流动特性，为基于气固两相流动的SCR流场优化设计奠定基础，避免传统方法由于忽略固相颗粒重力场下自身运动特性和固相颗粒与气相耦合作用下的运动特性而引起流场设计不合理的缺点，改善了催化剂积灰和磨损状况，对于燃用高灰份煤种的锅炉其改善效果尤为明显。

附图说明

图1为本发明方法中的锅炉炉膛至省煤器出口的全系统示意图，其中有：旋流燃烧器1、锅炉炉膛2、过热器和再热器3、水平烟道4、尾部烟道5、省煤器6和省煤器出口7。

具体实施方式

所述的方法包括以下步骤：

1)根据实际运行锅炉设备的结构和尺寸，采用Gambit软件建立包含锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道(至省煤器出口)的全系统三维物理模型，设置燃烧器入口和省煤器出口为入口边界和出口边界，并将出口边界划分为若干子区域；

2)采用Fluent软件，以实际运行设备的入口条件为物理模型入口边界条件，采用可实现k-ε湍流模型和离散相模型计算不同工况下煤粉在炉内的燃烧过程，烟气在锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道的传热、流动过程，获得不同工况下省煤器出口即SCR脱硝装置入口烟气成分(NOx、O₂和未燃尽碳)的温度、速度和浓度分布；

3)对除尘器灰斗的飞灰进行取样，并进行粒径分析，获得不同工况下对应的取样飞灰粒径分布；

4)采用Fluent软件，在步骤1)中所述物理模型的基础上，以取样飞灰的物性参数为入口固相边界条件，选择气固两相流模型，数值计算取样飞灰在炉膛、水平烟道和尾部烟道(至省煤器出口)的流动过程，获得不同工况下省煤器出口截面各子区域飞灰颗粒的粒径分布；

5)整理中不同工况下步骤2)中省煤器出口截面上各子区域的未燃尽碳浓度分布和步骤4)飞灰粒径分布的数据，借助概率统计、加权平均、最小二乘法等数据处理方法，计算得到省煤器出口截面不同粒径固相颗粒的浓度分布；

6)并将步骤5)中的计算结果与省煤器出口取样测试数据进行比对，引入修正因子，得到符合实际情况的省煤器出口截面不同粒径固相颗粒的浓度分布。

7)由步骤2)中得到的省煤器出口处气相参数和步骤6)得到的省煤器出口处固相参数，最终确定SCR脱硝装置的入口参数。

以下参照附图详细说明本发明实施。本实施案例在以本技术方法为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

本实施案例针对某电厂660MW机组锅炉进行锅炉炉膛至省煤器全系统燃烧、传热和流动过程的数值模拟，以确定SCR脱硝装置入口参数。该锅炉旋流燃烧器1为对冲布置，在额定负荷工况下，总风量为2292t/h，燃煤消耗308t/h。

本实施案例SCR脱硝装置入口参数确定方法的步骤如下：

1)根据实际运行设备简化结构建立包含锅炉炉膛2、水平烟道4和尾部烟道5全系统的三维物理模型，分析给定的条件参数(风率比、煤粉细度、煤质分析等)计算物理模型的边界条件为数值模拟做准备；

2)采用Fluent软件计算全系统的燃烧、传热和流动过程，其中，气相湍流采用RNGk-ε双方程模型，颗粒相采用随机轨道模型，煤粉燃烧采用非预混燃烧模型，辐射传热采用以热流法为基础的P1模型，过热器和再热器3均采用多孔介质模型，NOx的生成采用燃烧后处理方法；

3)计算不同负荷下煤粉在炉内的燃烧过程，烟气在锅炉炉膛2、水平烟道4和尾部烟道5的流动、传热过程，获得不同负荷省煤器出口7处烟气的温度、速度和成分(NOx、O₂和未燃尽碳)的浓度分布；

4)对不同负荷下尾部除尘器灰斗的飞灰进行取样，并进行粒径分析，获得不同工况对应的取样飞灰粒径分布；

5)根据取样飞灰粒径分布，对锅炉炉膛2、水平烟道4和尾部烟道5全系统进行气固两相流动的数值计算，模拟不同负荷下煤粉燃烧后飞灰在锅炉炉膛2、水平烟道4和尾部烟道5的流动过程，获得不同负荷下省煤器出口7处飞灰在的粒径分布；

6)根据步骤3)中未燃尽碳在烟道截面的浓度分布和步骤5)中飞灰在省煤器出口7截面的粒径分布，借助概率统计、加权平均、最小二乘法等数据处理方法，计算出省煤器出口7处不同粒径固相颗粒的浓度分布；

7)并将步骤5)中的计算结果与省煤器出口取样测试数据进行比对，引入修正因子，得到符合实际情况的省煤器出口截面不同粒径固相颗粒的浓度分布。

8)将步骤3)中省煤器出口7处烟气的温度、速度和成分(NOx、O₂和未燃尽碳)的浓度分布参数和步骤6)中省煤器出口7处不同粒径固相颗粒的浓度分布参数作为符合实际的SCR脱硝装置的入口气固两相边界条件。

Claims (1)

1.一种选择性催化还原脱硝装置入口参数确定方法，其特征在于，该方法以锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道为计算对象，借助Fluent软件进行全系统燃烧、传热和流动过程的数值模拟，并考虑固相颗粒运动，获得不同工况下省煤器出口即SCR脱硝装置入口的烟气参数，包括气固两相的速度分布、温度分布以及烟气成分的浓度分布；

所述的方法步骤为：

1)根据实际运行锅炉设备的结构和尺寸，采用Gambit软件建立包含锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道的全系统三维物理模型；

2)采用Fluent软件，以实际运行设备的入口条件为物理模型入口边界条件，数值计算不同工况下煤粉在炉内的燃烧过程，烟气在炉膛和尾部烟道的传热、流动过程，获得不同工况下省煤器出口处即SCR脱硝装置入口烟气成分的温度、速度和浓度分布；

3)采用Fluent软件，以除尘器中采样得到的飞灰物性参数作为入口边界条件，数值计算取样飞灰的流动过程，获得不同工况下省煤器出口处即SCR脱硝装置入口飞灰在烟道截面上的粒径分布；

4)结合省煤器出口截面步骤2)中未燃尽碳的浓度分布和步骤3)中飞灰的粒径分布，并比对现场测试数据，得到省煤器出口处即SCR脱硝装置入口不同粒径固相颗粒的浓度分布；

其中，

所述的省煤器出口处不同粒径固相颗粒的浓度分布，通过以下步骤获得：

4.1)建立锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道的三维物理模型，分别设置燃烧器入口和省煤器出口为入口边界和出口边界，并将出口边界划分为若干子区域；

4.2)采用Fluent软件数值计算不同工况下煤粉在炉内的燃烧过程，烟气在炉膛和尾部烟道的传热、流动过程，获得不同工况下省煤器出口截面各子区域未燃尽碳的浓度分布；

4.3)对除尘器灰斗的飞灰进行取样，并进行粒径分析，获得不同工况下对应的取样飞灰粒径分布；

4.4)在步骤4.1)中所述物理模型的基础上，以取样飞灰的物性参数作为固相入口边界条件，数值计算飞灰在锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道的流动过程，获得不同工况下省煤器出口截面各子区域飞灰颗粒的粒径分布；

4.5)整理不同工况下省煤器出口截面各子区域的未燃尽碳的浓度分布和飞灰颗粒的粒径分布的数据，借助概率统计、加权平均、最小二乘法数据处理方法，计算得到省煤器出口截面不同粒径固相颗粒的浓度分布；

4.6)将步骤4.4)中的计算结果与省煤器出口取样测试数据进行比对，引入修正因子，得到符合实际情况的省煤器出口截面不同粒径固相颗粒的浓度分布。