CN111068517B - 一种scr反应器导流板角度调整装置及方法 - Google Patents

一种scr反应器导流板角度调整装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SCR导流板调整装置，在SCR反应器烟道三个弯道处依次设置第一导流板、第二导流板和第三导流板；三个导流板均设置在弯道几何中心处；第一导流板与第二导流板之间区域设置有喷氨格栅；第三导流板与烟气出口之间区域设置有催化剂层；催化剂层上方设置有若干整流板，催化剂层下方设置有氮氧化物检测系统和测速系统；第三导流板的每个导流板均设有角度调整机构和位置调整机构，每个角度调整机构包括一个角度调整电机；每个位置调整机构包括一个位置调整电机；角度调整电机和位置调整电机均与控制系统相连接。本发明提供的导流板调整装置可以根据火电厂负荷和运行工况的调整调整SCR反应器流场的均匀性。

Description

一种SCR反应器导流板角度调整装置及方法
技术领域
本发明涉及热力发电厂选择性催化还原(SCR)领域，尤其涉及一种SCR反应器导流板角度调整装置及其控制方法。
背景技术
氮氧化物是大气污染的主要污染物之一，会对生态系统和人类的健康造成危害。选择性催化还原技术(SCR)作为热力发电厂最为成熟的脱氮技术已经得到广泛的应用。由于SCR反应器的流场较为复杂，含有多个急转的弯头形成涡流区，降低脱氮效率同时不利于反应器的稳定运行。
选择性催化还原(SCR)的原理主要是在合适的温度和催化剂催化条件下，采用还原剂、氨和尿素等将氮氧化物转化为N2和H2O。脱硝反应主要包括以下过程：
进入SCR催化剂层烟气的均匀程度很大程度上影响催化剂层的催化效率，当前燃煤电站的SCR系统通过优化还原剂喷嘴布置，使得在SCR入口前氨浓度的不均匀性已经得到很好的解决。而SCR运行中脱硝效率的不均匀性以及出口偏差主要在于烟气流速的差异，如果烟气不均匀地通过催化剂层，不同位置的催化剂参与催化反应的反应时间有所不同，会造成不必要的浪费及氨逃逸；烟气的不均匀性会对催化反应的效率产生影响，导致催化剂出现冲蚀，极大地加剧催化剂的损耗，并且氨逃逸会引起空预器堵塞。
由于SCR反应器内所用的催化剂十分昂贵，所以优化SCR反应器内的流场对于延长催化剂使用寿命、提高催化反应的反应物的接触程度、提高脱硝效率和降低氨逃逸率具有十分重要的意义。传统的导流板设计没有针对反应器的几何特点进行优化，同时其固定位置和固定形状的设计已经无法保证针对负荷急剧变化的工况的烟气气流均匀性。少数可以调节导流板角度的反应器，主要基于运行人员经验调节，调节过程会带来催化剂的损耗和氨水的浪费。由于整流板角度调节后流场不会立刻发生改变，具有一定的延迟性；同时速度均匀性也和锅炉负荷、烟气温度、烟气成分等多种因素相关，为运行人员的判断和决策带来困难。所以需要通过技术手段为运行人员提供技术依据。
发明内容
本发明的目的在于克服传统SCR反应器不能随工况调整的技术缺陷，提供一种SCR导流板调整装置。本发明能够提高气流通过催化剂层的均匀度，减少速度相对偏差以及气流和烟气中颗粒物对催化剂层的冲蚀，延长SCR反应器寿命。同时，运行人员能够根据数值模拟结果来调整导流板的角度和相对位置，提高系统的响应速度。
本发明的能够通过以下技术方案实现：
一种SCR导流板调整装置，在SCR反应器烟道三个弯道处依次设置第一导流板、第二导流板和第三导流板；所述三个导流板均设置在弯道几何中心处；第一导流板与第二导流板之间区域设置有喷氨格栅；第三导流板与烟气出口之间区域设置有催化剂层；催化剂层上方设置有若干整流板，催化剂层下方设置有氮氧化物检测系统和测速系统；
所述第三导流板的每个导流板均通过两组导轨设置在反应器壁面，且第三导流板的每个导流板均设有角度调整机构和位置调整机构，每个角度调整机构包括一个角度调整电机，角度调整电机设置在导流板不同部分之间的转轴处，角度调整电机与转动轴相连接；每个位置调整机构包括一个位置调整电机，用于对每个导流板的位置进行调整，位置调整电机设置在导轨处。
具体地，所述第一导流板和第二导流板采用“直-弧-直”形状，即导流板弧形部分设置在弯道几何中心处，导流板直形部分设置在弧形部分两侧，起强化引导作用。
具体地，由于流场的不均匀性主要在第三烟道发生，为了简化控制系统提供调整装置的可靠性，在第一弯道和第二弯道设置的导流板固定在壁面，不设置转动轴和导轨。
具体地，所述第三导流板中的最内侧导流板采用“直-弧-直”形状，其他导流板采用两个导流板直形部分构成倾斜形状。
更进一步地，所述倾斜形状的倾斜角度与反应器中第三导流板所在弯道的倾斜角度相同，能够进一步减小涡流区的面积，减小速度相对偏差。
所述若干整流板能够提高气流的均匀性和稳定性。所述导流板能够强化定向分配作用，减小涡流对于其他通道烟气气流的影响。
具体地，第三导流板的导轨设有卡死装置，防止惯性造成导流板从导轨脱落。
具体地，所述角度调整电机和位置调整电机均与控制系统相连接，运行人员可以通过控制电机的启停或者控制电机的功率来实现对导流板的调节。
具体地，所述角度调整电机和位置调整电机均设有防尘罩，用于保护电机结构免遭飞灰颗粒的冲蚀。
具体地，滑动导轨有吹风口和入油口，一方面可以对导轨上的积灰进行吹灰处理，另一方面可以在导轨轨道倒入润滑油，减少导轨滑动阻力。
具体地，所述氮氧化物检测系统和测速系统均设置有五个区域，分别对应第三导流板设置的四个导流板切割的五个烟道。系统布置在区域中心处和贴近壁面处，收集的数据能够实时传输到控制系统，反应SCR反应器整体的速度分布，为运行人员调节提供依据。
具体地，所有导流板均设置有吹灰口和超声波除尘装置，能够在停机检修时对导流板进行吹灰处理。
本发明的目的在于提供一种SCR反应器导流板调整方法，为导流板结构调节和相对位置调节提供依据，包括：
通过流体力学(CFD)计算，对导流板的结构参数进行优化；
根据导流板的结构参数和基本形状构建SCR反应器和导流板的物理模型和网格模型；
将实际运行条件的参数输入到求解器中，通过数值计算模拟SCR反应器的速度场分布。
截取速度平面若干点，通过数据处理软件计算相对速度偏差Cv。
具体地，所述导流板的结构参数主要包括：第三导流板角度α、导流板间距dn(n＝1，2，3，4)，导流板位置坐标(xi，yi)(i＝1，2，3，4)。其中第三导流板角度α为导流板所在平面和烟道气流垂直方向的夹角；导流板相对位置坐标xi是以反应器入口平面几何中心处为原点，导流板到入口平面的水平距离。
依据如下，当相对速度偏差Cv较大时，导流板调节装置开始启动。通过调整导流板的前后方向和角度，实现气流均匀通过导流板，直至相对速度偏差Cv符合要求时，调节装置不再启动，调解完成。
具体地，实际运行条件的参数包括：入口烟气温度Ti，入口烟气组分成分，喷氨装置的喷氨流量Q1，喷氨装置中氨水的浓度c1。
进一步地，湍流模型采用Realizable k-ε模型，采用拉格朗日-颗粒随机轨道模型模拟飞灰颗粒的运动，多种组分的混合过程采用组分输运模型。催化剂层的蜂窝状结构采用多孔介质模型，其中沿烟气流动方向的空隙较大，其他方向的空隙较小。烟气视为不可压缩气体，满足连续介质假设。采用SIMPLE算法进行数值计算。
具体地，速度偏差CV越小，气流通过催化剂层越均匀，也证明导流板的设计和调整方式更加合理。通常工程上要求相对速度偏差CV不得高于15％。
Figure BDA0002310060450000051
Figure BDA0002310060450000052
Figure BDA0002310060450000053
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明在弯道处布置导流板可以减少弯道处的局部损失和边界层分离现象的发生；在气流由水平烟道转入竖直烟道后，针对SCR反应器斜顶设计的几何特点合理设计第三导流板角度和布置形式，减少涡流区的面积；针对不同负荷下机组的运行工况，可以通过调节第三导流板的角度和相对位置保证速度场的均匀性；也可以针对催化剂层的磨损情况调节不同区域的烟气流量，延长催化剂的使用寿命。本发明可以针对煤种和机组负荷的改变和SCR反应器的运行工况进行职能调整，保证了气流进入催化剂层的均匀性。
2、本发明通过计算流体力学(CFD)技术根据机组运行典型工况下的烟气成分提出导流板最佳调整策略；同时可以将数值模拟结果与现场数据对比，评估导流板的导流效果和导流板角度位置调节效果。本方法可以提高导流板调节的精确性和响应速度，减少调节时间，可以提高脱硝效率。
附图说明
图1是本发明的SCR导流板调整装置的结构示意图。
图2为第三导流板中角度调节机构和位置调节结构设置的示意图。
图3是第三导流板局部放大示意图。
图4是氮氧化物和速度均匀性检测系统示意图。
图5是导流板调整装置的调整策略示意图。
图6是SCR导流板调整方法的流程图。
图7是计算流体力学(CFD)仿真流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为一种SCR导流板调整装置的结构示意图，在SCR反应器烟道三个弯道处依次设置第一导流板、第二导流板和第三导流板；所述三个导流板均设置在弯道几何中心处；第一导流板与第二导流板之间区域设置有喷氨格栅；第三导流板与烟气出口之间区域设置有催化剂层；最上层催化剂层上方设置有若干整流板，最下层催化剂层下方设置有氮氧化物检测系统和测速系统；
如图2所示为第三导流板中角度调节结构和位置调节结构的示意图，如图3所示为第三导流板局部放大示意图。所述第三导流板的每个导流板均通过两组导轨设置在反应器壁面，且第三导流板的每个导流板均设有角度调整机构和位置调整机构，每个角度调整机构包括一个角度调整电机，角度调整电机设置在导流板不同部分之间的转轴处，角度调整电机与转动轴相连接；每个位置调整机构包括一个位置调整电机，位置调整电机设置在导轨处。
具体地，所述第一导流板和第二导流板采用“直-弧-直”形状，即导流板弧形部分设置在弯道几何中心处，导流板直形部分设置在弧形部分两侧，起强化引导作用。
具体地，由于流场的不均匀性主要在第三烟道发生，为了简化控制系统提供调整装置的可靠性，在第一弯道和第二弯道设置的导流板固定在壁面，不设置转动轴和导轨。
具体地，所述第三导流板中的最内侧导流板采用“直-弧-直”形状，其他导流板采用两个导流板直形部分构成倾斜形状。
更进一步地，所述倾斜形状的倾斜角度与反应器中第三导流板所在弯道的倾斜角度相同，能够进一步减小涡流区的面积，减小速度相对偏差。
所述若干整流板能够提高气流的均匀性和稳定性。所述导流板能够强化定向分配作用，减小涡流对于其他通道烟气气流的影响。
具体地，第三导流板的导轨设有卡死装置，防止惯性造成导流板从导轨脱落。
具体地，所述角度调整电机和位置调整电机均与控制系统相连接，运行人员可以通过控制电机的启停或者控制电机的功率来实现对导流板的调节。
具体地，所述角度调整电机和位置调整电机均设有防尘罩，用于保护电机结构免遭飞灰颗粒的冲蚀。
具体地，滑动导轨有吹风口和入油口，一方面可以对导轨上的积灰进行吹灰处理，另一方面可以在导轨轨道倒入润滑油，减少导轨滑动阻力。
具体地，如图4所示为氮氧化物和速度均匀性检测系统示意图，所述氮氧化物检测系统和测速系统均设置有五个区域，分别对应第三导流板设置的四个导流板切割的五个烟道。系统布置在区域中心处和贴近壁面处，收集的数据能够实时传输到控制系统，反应SCR反应器整体的速度分布，为运行人员调节提供依据。
具体地，所有导流板均设置有吹灰口和超声波除尘装置，能够在停机检修时对导流板进行吹灰处理。
本实施例通过在反应器弯道处设置导流板对气流进行切割，提高气流流动的方向性和规范性，减小气流通过弯道的局部损失和能量耗散。通过调整导流板的角度和相对位置，增加导流板对于变工况负荷条件下的适应性。
如图5所示为导流板调整装置的调制策略示意图。当导流板调整控制系统检测到速度相对偏差CV接近15％或者显著增大时，控制系统调整最内侧导流板即1号导流板的角度，角度适当向右侧偏移，通过提高最内侧气流的湍动度，进一步压缩涡流区的面积。
当导流板调整控制系统检测到某区域速度明显偏低或偏高时，控制系统需要对该区域对应的导流板进行调节。例如，检测系统检测到3号区域速度明显偏低，调整3号导流板的角度，向左侧调整，提高烟气通过2号导流板3号导流板构成的通道的湍动度，进而提高气流速度。
当角度调节装置完成后，T1时间后系统检测气流均匀性和氮氧化物均匀性，(其中T1为烟气颗粒通过SCR反应器的平均停留时间)，如果速度场分布满足运行标准调整机构不再动作，控制系统调节终止。如果速度场分布仍需要调整，则控制系统控制导轨电机的启动，3号导流板向左调。通过减小3号区域对应的导流板构成的通道面积，增加流速和湍动度，减小低温区的面积，从而保证气流的均匀度。
测速系统采用皮托管，皮托管的动压管和静压管上设置电磁阀。在SCR反应器出口截面的速度检测面设置若干组测速皮托管，速度信号转化成电磁阀的电磁信号传递给控制系统，进而考察和确定导流板的调整和优化效果。
第三导流板的角度调节机构主要通过电机控制角度和相对位置。每个导流板对应的角度调节电机与导流板弧形机构和直线机构的连接杆相连，通过控制电机进而控制导流板调节角度。将电机与导轨相连，通过控制电机的启停进一步控制导流板的相对位置。
实施例2
本实施例提供一种基于就算流体力学(CFD)的导流板调整策略优化方法。为导流板结构调节和相对位置调节提供依据，如图6和图7所示分别为SCR导流板调整方法的流程图以及计算流体力学(CFD)仿真流程图。所述方法包括步骤：
通过流体力学(CFD)计算，对导流板的结构参数进行优化；
根据导流板的结构参数和基本形状构建SCR反应器和导流板的物理模型和网格模型；
将实际运行条件的参数输入到求解器中，通过数值计算模拟SCR反应器的速度场分布。
以典型的烟气组分为例作为边界条件：出口烟气成分为N2 68.19％、CO2 22.12％、H2O 5.02％、O2 3.84％、NO 0.12％、SO2 0.71％；入口烟气速度为35m/s，入口烟气温度为300K。
截取速度平面若干点，通过数据处理软件计算相对速度偏差Cv，根据Cv对导流板进行调整。
选取对应的出口速度检测截面，通过数据处理软件计算其不均匀度。选取不均匀度最小的导流板角度值作为角度调整推荐工况。本工况下四组导流板的推荐角度分别为：1号导流板α1为85°，2号导流板α2为22°，3号导流板α3为25°，4号导流板α4为25°。其中导流板调节角度为导流板与水平截面的夹角。
具体地，所述导流板的结构参数主要包括：第三导流板角度α、导流板间距dn(n＝1，2，3，4)，导流板位置坐标(xi，yi)(i＝1，2，3，4)。其中第三导流板角度α为导流板所在平面和烟道气流垂直方向的夹角；导流板相对位置坐标xi是以反应器入口平面几何中心处为原点，导流板到入口平面的水平距离。
进一步地，湍流模型采用Realizable k-ε模型，采用拉格朗日-颗粒随机轨道模型模拟飞灰颗粒的运动，多种组分的混合过程采用组分输运模型。催化剂层的蜂窝状结构采用多孔介质模型，其中沿烟气流动方向的空隙较大，其他方向的空隙较小。烟气视为不可压缩气体，满足连续介质假设。采用SIMPLE算法进行数值计算。
具体地，速度偏差CV越小，气流通过催化剂层越均匀，也证明导流板的设计和调整方式更加合理。通常工程上要求相对速度偏差CV不得高于15％。
Figure BDA0002310060450000111
Figure BDA0002310060450000112
Figure BDA0002310060450000113
对比加装导流板和不加装导流板的速度云图，发现导流板的存在可以强化烟气气流在弯道处的规则性，减少了在弯道处的局部损失和涡流现象的发生。有利于减少气流不均匀性对催化剂的冲蚀，提高催化剂的使用寿命。
通过更改烟气速度等边界条件，并将其输入到求解器中，可以预测导流板角度调整方案对于不同机组负荷的适应性。数值模拟结果可以为实际的导流板调整提供决策依据和技术参考。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种SCR导流板调整装置，其特征在于，在SCR反应器烟道三个弯道处依次设置第一导流板、第二导流板和第三导流板；所述三个导流板均设置在弯道几何中心处；第一导流板与第二导流板之间区域设置有喷氨格栅；第三导流板与烟气出口之间区域设置有催化剂层；催化剂层上方设置有若干整流板，催化剂层下方设置有氮氧化物检测系统和测速系统；
所述第三导流板的每个导流板均通过两组导轨设置在反应器壁面，且第三导流板的每个导流板均设有角度调整机构和位置调整机构，每个角度调整机构包括一个角度调整电机，角度调整电机设置在导流板不同部分之间的转轴处，角度调整电机与转动轴相连接；每个位置调整机构包括一个位置调整电机，用于对每个导流板的位置进行调整，位置调整电机设置在导轨处；所述角度调整电机和位置调整电机均与控制系统相连接，运行人员可以通过控制电机的启停或者控制电机的功率来实现对导流板的调节；
所述第三导流板中的最内侧导流板采用“直-弧-直”形状，其他导流板采用两个导流板直形部分构成倾斜形状；
所述倾斜形状的倾斜角度与反应器中第三导流板所在弯道的倾斜角度相同，能够进一步减小涡流区的面积，减小速度相对偏差；
所述控制系统将实际运行条件的参数输入到求解器中，通过数值计算模拟SCR反应器的速度场分布。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一导流板和第二导流板采用“直-弧-直”形状，即导流板弧形部分设置在弯道几何中心处，导流板直形部分设置在弧形部分两侧，起强化引导作用。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在第一弯道和第二弯道设置的导流板固定在壁面，不设置转动轴和导轨。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第三导流板的导轨设有卡死装置，防止惯性造成导流板从导轨脱落。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述角度调整电机和位置调整电机均设有防尘罩，用于保护电机结构免遭飞灰颗粒的冲蚀；
滑动导轨有吹风口和入油口，一方面可以对导轨上的积灰进行吹灰处理，另一方面可以在导轨轨道倒入润滑油，减少导轨滑动阻力；
所有导流板均设置有吹灰口和超声波除尘装置，能够在停机检修时对导流板进行吹灰处理。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氮氧化物检测系统和测速系统均设置有五个区域，分别对应第三导流板设置的四个导流板切割的五个烟道；系统布置在区域中心处和贴近壁面处，使得收集的数据能够实时传输到控制系统，反应SCR反应器整体的速度分布，为运行人员调节提供依据。
7.一种SCR反应器导流板调整方法，用于为权利要求1-6中任一项所述的装置的导流板结构调节和相对位置调节提供依据，其特征在于，包括步骤：
通过流体力学计算，对第三导流板角度α、导流板间距dn、导流板位置坐标(xi，yi)进行优化；其中第三导流板角度α为导流板所在平面和烟道气流垂直方向的夹角；导流板相对位置坐标xi是以反应器入口平面几何中心处为原点，导流板到入口平面的水平距离；
根据导流板的结构参数和基本形状构建SCR反应器和导流板的物理模型和网格模型；
将实际运行条件的参数输入到求解器中，通过数值计算模拟SCR反应器的速度场分布；实际运行条件的参数包括：入口烟气温度Ti、入口烟气组分成分、喷氨装置的喷氨流量Q1和喷氨装置中氨水的浓度c1；
截取速度平面若干点，通过数据处理软件计算相对速度偏差Cv，根据Cv对导流板进行调整。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据Cv对导流板进行调整的步骤中，具体调整方法为：
当相对速度偏差Cv较大时，导流板调节装置开始启动；通过调整导流板的前后方向和角度，实现气流均匀通过导流板，直至相对速度偏差Cv符合要求时，调节装置不再启动，调解完成。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，相对速度偏差CV计算公式为：
Figure FDA0002816711020000031
Figure FDA0002816711020000032
Figure FDA0002816711020000033
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