選擇性催化還原脫硝裝置的氣固兩相流場與噴氨優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種選擇性催化還原脫硝裝置的氣固兩相流場與噴氨優(yōu)化方法，該方法采用非均勻入口邊界條件，借助Fluent軟件模擬選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置的氣固兩相流動過程，得到SCR脫硝裝置內煙氣和飛灰顆粒的氣固兩相流動特性，運用后處理軟件處理數(shù)值計算結果，分析SCR脫硝裝置存在的流場均勻性問題，通過采用改變連接煙道內導流板的形狀與布置方式、反應器頂棚處整流構件的形狀與位置、整流格柵葉片間距與高度、SCR反應器結構等措施，優(yōu)化SCR脫硝裝置的氣固兩相流場，根據(jù)連接煙道內噴氨處的煙氣速度分布和濃度分布，計算獲得該區(qū)域的NOx通量分布，依據(jù)最佳氨氮比控制與該區(qū)域NOx通量分布相匹配的噴氨量。
【專利說明】選擇性催化還原脫硝裝置的氣固兩相流場與噴氨優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于電站鍋爐選擇性催化還原SCR脫硝裝置設計和優(yōu)化的方法，屬于燃煤鍋爐大氣污染物控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]以氨為還原劑的選擇性催化還原(SCR)技術是目前脫除煙氣中NOx最有效的技術，在國內外得到了普遍的工程運用。對于SCR脫硝裝置而言其核心是催化劑，在催化劑的作用下煙氣中的NOx與還原劑的NH3快速反應生成N2和H20。為完全發(fā)揮催化劑的催化效果，需要保證系統(tǒng)的流場分布非常均勻(包括速度分布、氨氮分布、溫度分布等)。另外為了保證SCR脫硝裝置能夠長期有效的運行，煙道內不能積灰，積灰嚴重會造成催化劑堵塞，增大設備壓損，減少設備使用壽命，降低脫硝效率。因此，在工程實踐中，技術人員通常會借助數(shù)值模擬方法對SCR脫硝裝置進行優(yōu)化設計。
[0003]但是，當前主流的SCR脫硝裝置設計優(yōu)化方法都是以均勻入流邊界條件(比如入口煙氣流速均一、NOx濃度均勻分布)或不完全的非均勻入流邊界條件(即雖然注意到入口煙氣的非均勻性卻忽略了入口飛灰的非均勻性分布)代替實際工程中復雜的非均勻入流邊界條件來進行SCR脫硝裝置的優(yōu)化設計，導致設計優(yōu)化結果與工程實際偏差較大。其次，僅僅基于氣相流動特性來設計優(yōu)化SCR脫硝裝置，而忽視了固相飛灰顆粒的運動特性，在評價優(yōu)化效果時也未考慮固相均勻性指標，以至于不能有效揭示并解決工程實踐中出現(xiàn)的固相顆粒磨損和堵塞催化劑，從而影響脫硝效率的問題。此外，傳統(tǒng)的SCR脫硝裝置優(yōu)化方法在控制噴氨量時，各個噴射點都是以均一條件噴射NH3,沒有考慮鍋爐負荷變動和非均勻煙氣入流條件等多種工程客觀因素導致的各個噴射點所對應區(qū)域的NOx分布不均勻問題，從而造成各噴射區(qū)域內噴氨量與煙道內NOx量不匹配，出現(xiàn)局部區(qū)域氨氮比異常，導致SCR脫硝效率低及氨逃逸率高等問題。
[0004]綜上所述，現(xiàn)有的SCR脫硝裝置優(yōu)化設計方法還存在不少不足之處，比如采用均勻入流條件代替非均勻入流條件，僅僅基于氣相流動特性來設計優(yōu)化SCR流場，采用均一的噴氨方法，以此為依據(jù)得到的流場優(yōu)化結果勢必會與工程實際存在較大偏差，不能很好地滿足工程需要。因此，本發(fā)明在總結現(xiàn)有優(yōu)化方法優(yōu)缺點的基礎上，提出了一種基于非均勻入口條件的SCR脫硝裝置氣固兩相流場與噴氨控制優(yōu)化方法，該方法能更加準確地對SCR脫硝裝置進行優(yōu)化設計，改善反應器內催化劑的積灰狀況，從而提高SCR脫硝裝置的脫硝效率、降低SCR脫硝裝置的氨逃逸率。

【發(fā)明內容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明針對以上技術問題，提供了一種選擇性催化還原脫硝裝置的氣固兩相流場與噴氨控制優(yōu)化方法，用于解決現(xiàn)有SCR脫硝裝置設計優(yōu)化方法由于使用以均勻入流入口條件、流場均勻性優(yōu)化未考慮固相顆粒流動特性的影響，各噴氨點均一噴氨等不符合工程實際的條件參數(shù)而產生的SCR脫硝裝置在氨逃逸率達標前提下脫硝效率較低、在脫硝效率達標前提下氨逃逸率較高、催化劑磨損積灰嚴重等問題。
[0006]技術方案:為解決上述技術問題，本發(fā)明的一種選擇性催化還原脫硝裝置的氣固兩相流場與噴氨優(yōu)化方法，選擇性催化還原SCR脫硝裝置采用非均勻入口邊界條件，借助Fluent軟件模擬SCR脫硝裝置氣固兩相流動過程，得到SCR脫硝裝置內煙氣和飛灰顆粒的氣固兩相流動特性，運用Fluent后處理軟件處理數(shù)值計算結果，分析SCR脫硝裝置存在的流場均勻性問題，通過采用改變連接煙道內導流板的形狀與布置方式、反應器頂棚處整流構件的形狀與位置、整流格柵葉片間距與高度、SCR反應器結構措施，優(yōu)化SCR脫硝裝置的氣固兩相流場和噴氨控制方法，
[0007]所述的方法步驟為:
[0008]I)根據(jù)實際運行SCR脫硝裝置的結構和尺寸，采用Gambit軟件建立包含連接煙道和SCR反應器的三維物理模型；
[0009]2)通過實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試等手段得到SCR脫硝裝置入口處的非均勻性條件，并將該條件作為計算模型的入口邊界條件，該非均勻入口條件不僅包括入口截面上煙氣的速度分布、溫度分布、成分濃度分布，還包括飛灰顆粒的濃度分布、粒徑分布；
[0010]3)采用Fluent軟件模擬SCR脫硝裝置氣固兩相流動過程，得到SCR脫硝裝置內煙氣和飛灰顆粒的氣固兩相流動特性，分析當前SCR脫硝裝置氣固兩相流場不均勻性；
[0011]4)根據(jù)步驟3)的分析結果，改變連接煙道內導流板的形狀與布置方式、反應器頂棚處整流構件的形狀與位置、整流格柵葉片間距與高度、SCR反應器結構，優(yōu)化SCR脫硝裝置的氣固兩相流場，流場優(yōu)化結果的評價指標不僅包括煙氣速度相對標準偏差< 15%、煙氣入射角< ±10°、溫度分布最大絕對偏差< ±10°C、氨氮比相對標準偏差< 5%，還包括固相顆粒的均勻性分布；
[0012]5)根據(jù)步驟3)的氣相流動特性，得到連接煙道內噴氨處氣相的速度分布和NOx的濃度分布，根據(jù)連接煙道內噴氨處的氣相速度分布和濃度分布，計算獲得該區(qū)域的NOx通量分布，從而依據(jù)最佳氨氮比控制與該區(qū)域NOx通量分布相匹配的噴氨量。
[0013]有益效果:與現(xiàn)有的SCR脫硝裝置方法相比較，本發(fā)明具有如下的特色及優(yōu)點:
[0014]1、現(xiàn)有SCR脫硝裝置流場模擬優(yōu)化方法，都是以均勻入流或僅考慮煙氣非均勻性忽視飛灰顆粒非均勻性的入流條件作為模擬邊界條件，而本發(fā)明采用既考慮煙氣非均勻性又考慮飛灰顆粒非均勻性的全面非均勻入流條件作為模擬邊界條件，這樣的處理方式更符合工程實際情況，得到的結論也能更好指導實踐。
[0015]2、傳統(tǒng)的流場優(yōu)化方法僅僅基于氣相流動特性來設計優(yōu)化SCR脫硝裝置，而忽視了固相飛灰顆粒的運動特性，而本發(fā)明的流場優(yōu)化方法不僅考慮氣相均勻性，還考慮固相顆粒均勻性，這種方法能更有效地指導SCR脫硝裝置內連接煙道內導流板的形狀與布置方式、反應器頂棚處整流構件的形狀與位置、SCR反應器結構的優(yōu)化調整，從而減輕催化劑積灰，延長催化劑使用壽命，提高脫硝效率。
[0016]3、現(xiàn)有的噴氨方法由于沒有考慮各噴射點所對應區(qū)域的NOx通量分布不均勻問題，因此從各噴射點噴出的氨氣量是均一的，而本發(fā)明的噴氨方法依據(jù)連接煙道內噴氨處的煙氣速度分布和NOx濃度分布，計算得到各噴氨區(qū)域的NOx通量分布，從而根據(jù)最佳氨氮比控制與之匹配的噴氨量，這就大大改善了傳統(tǒng)方法在不同負荷下噴氨量與煙道內NOx通量的匹配性問題，從而顯著提高脫硝效率，降低氨逃逸率?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
[0018]圖1是本發(fā)明技術實施案例的SCR脫硝裝置結構示意圖，其中包括SCR脫硝裝置入口 1、導流板2、混合器3、噴氨管4、連接煙道5、整流構件6、反應器頂棚7、整流格柵8、催化劑9、SCR反應器10、預留催化劑層11、SCR脫硝裝置出口 12。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明提供了一種基于非均勻入口條件的SCR脫硝裝置氣固兩相流場與噴氨控制優(yōu)化方法，所述的方法步驟為:
[0020](I)根據(jù)實際運行SCR脫硝裝置的結構和尺寸，采用Gambit軟件建立包含連接煙道和SCR反應器的三維物理模型；
[0021](2)通過實驗、數(shù)值模擬或現(xiàn)場測試等手段得到SCR脫硝裝置入口處的非均勻性條件(包括入口截面上煙氣的速度分布、溫度分布、成分濃度分布和飛灰顆粒的濃度分布、粒徑分布等)，并將該條件作為計算模型的入口邊界條件；
[0022](3)采用Fluent軟件模擬SCR脫硝裝置氣固兩相流動過程，得到SCR脫硝裝置內煙氣和飛灰顆粒的氣固兩相流動特性，分析當前SCR脫硝裝置流場不均勻性，包括氣相不均勻性和固相顆粒不均勻性。
[0023](4)根據(jù)步驟(3)的分析結果，改變連接煙道內導流板的形狀與布置方式、反應器頂棚處整流構件的形狀與位置、SCR反應器本體結構，優(yōu)化SCR脫硝裝置的氣固兩相流場，使煙氣和飛灰顆粒均勻進入催化劑。
[0024](5)根據(jù)連接煙道內噴氨處的煙氣速度分布和濃度分布，計算獲得該區(qū)域的NOx通量分布，依據(jù)最佳氨氮比控制與之匹配的噴氨量，保證氨氮比均勻分布，提高脫硝效率，降低氨逃逸率。
[0025]以下將參照附圖，對本發(fā)明的實施案例進行詳細的描述。本實施案例在以本技術方法為前提下進行實施，應當理解實施案例是為了說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍不僅限于下述的實施案例。
[0026]本實施案例針對某電廠660MW旋流對沖燃煤鍋爐進行基于非均勻入口條件的SCR脫硝裝置氣固兩相流場與噴氨控制優(yōu)化方法的試驗，具體實施步驟如下:
[0027](I)根據(jù)實際運行設備簡化結構建立包含鍋爐爐膛，過熱器、再熱器、省煤器煙道的三維物理模型，分析給定的條件參數(shù)(風率比、煤粉細度、煤質分析等)計算物理模型的邊界條件為模擬計算做準備；
[0028](2)采用Fluent軟件計算100%負荷下煤粉在爐內的燃燒過程、煙氣在爐膛、尾部煙道的流動過程，獲得煙氣組分(N0x、02和未燃盡碳)的溫度場、速度場和濃度場分布；
[0029](3)取得該廠燃煤鍋爐尾部除塵器處的飛灰樣品，進行飛灰粒徑分析，采用Fluent軟件計算該取樣飛灰在爐膛、尾部煙道和SCR脫硝裝置的氣固兩相流動過程，獲得SCR連接煙道前飛灰在煙道截面上的粒徑分布；
[0030](4)根據(jù)步驟(2)中未燃盡碳在煙道截面的濃度分布和步驟(3)中在SCR連接煙道前飛灰煙道截面上的粒徑分布，計算出不同粒徑固相顆粒的濃度分布；
[0031](5)建立如附圖1所示的三維SCR脫硝裝置物理模型，根據(jù)步驟⑵和步驟(4)可得到SCR脫硝裝置的非均勻入口條件(包括入口截面上煙氣的速度分布、溫度分布、成分濃度分布和飛灰顆粒的濃度分布、粒徑分布等)，將其作為模型入口處I邊界條件；
[0032](6)采用Fluent軟件模擬SCR脫硝裝置氣固兩相流動過程，得到SCR脫硝裝置內煙氣和飛灰顆粒的氣固兩相流動特性，分析當前SCR脫硝裝置流場不均勻性，包括氣相不均勻性和固相顆粒不均勻性。[0033](7)根據(jù)步驟(6)的分析結果，通過改變連接煙道內導流板2的形狀與布置方式、反應器頂棚7處整流構件6的形狀與位置、SCR反應器10結構，優(yōu)化SCR脫硝裝置的氣固兩相流場，使煙氣和飛灰顆粒均勻進入催化劑9。
[0034](8)根據(jù)連接煙道5內噴氨處的煙氣速度分布和濃度分布，計算獲得該區(qū)域的NOx通量分布，依據(jù)最佳氨氮比控制與之匹配的噴氨量，保證氨氮比均勻分布，提高脫硝效率，降低氨逃逸率。
【權利要求】
1.一種選擇性催化還原脫硝裝置的氣固兩相流場與噴氨優(yōu)化方法，其特征在于，選擇性催化還原SCR脫硝裝置采用非均勻入口邊界條件，借助Fluent軟件模擬SCR脫硝裝置氣固兩相流動過程，得到SCR脫硝裝置內煙氣和飛灰顆粒的氣固兩相流動特性，運用Fluent后處理軟件處理數(shù)值計算結果，分析SCR脫硝裝置存在的流場均勻性問題，通過采用改變連接煙道內導流板的形狀與布置方式、反應器頂棚處整流構件的形狀與位置、整流格柵葉片間距與高度、SCR反應器結構措施，優(yōu)化SCR脫硝裝置的氣固兩相流場和噴氨控制方法， 所述的方法步驟為: 1)根據(jù)實際運行SCR脫硝裝置的結構和尺寸，采用Gambit軟件建立包含連接煙道和SCR反應器的三維物理模型； 2)通過實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試等手段得到SCR脫硝裝置入口處的非均勻性條件，并將該條件作為計算模型的入口邊界條件； 3)采用Fluent軟件模擬SCR脫硝裝置氣固兩相流動過程，得到SCR脫硝裝置內煙氣和飛灰顆粒的氣固兩相流動特性，分析當前SCR脫硝裝置流場不均勻性； 4)根據(jù)步驟3)的分析結果，改變連接煙道內導流板的形狀與布置方式、反應器頂棚處整流構件的形狀與位置、整流格柵葉片間距與高度、SCR反應器結構，優(yōu)化SCR脫硝裝置的氣固兩相流場； 5)根據(jù)步驟3)的氣相流動特性，得到氣相的速度分布和NOx的濃度分布，控制噴氨量。
2.根據(jù)權利要求1所述的選擇性催化還原脫硝裝置的氣固兩相流場與噴氨優(yōu)化方法，其特征在于，所采用的SCR脫硝裝置非均勻入口邊界條件不僅包括入口截面上煙氣的速度分布、溫度分布、成分濃度分布，還包括飛灰顆粒的濃度分布、粒徑分布。
3.根據(jù)權利要求1所述的選擇性催化還原脫硝裝置的氣固兩相流場與噴氨優(yōu)化方法，其特征在于，所述SCR反應器結構、連接煙道內導流板的形狀與布置方式、反應器頂棚處整流構件的形狀與位置的優(yōu)化過程，不僅要考慮氣相均勻性，還要考慮固相顆粒的均勻性。
4.根據(jù)權利要求1所述的選擇性催化還原脫硝裝置的氣固兩相流場與噴氨優(yōu)化方法，其特征在于，所述的噴氨優(yōu)化方法是根據(jù)連接煙道內噴氨處的煙氣速度分布和濃度分布，計算獲得該區(qū)域的NOx通量分布，依據(jù)最佳氨氮比控制與該區(qū)域NOx通量分布相匹配的噴氨量。
【文檔編號】B01D53/90GK103927420SQ201410163844
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權日:2014年4月22日
【發(fā)明者】金保昇, 張勇, 陳天杰, 姚露 申請人:東南大學