烟气脱硝冷模气体供应管道仿真及验证

张圣杰，孙翔，王景成，金强，李雨

0 引言

近年来，国内火电装机容量迅速扩增，用于火力发电的煤炭消耗量从2000年的5.8亿吨上升到了2005年的逾12亿吨，而每消耗1吨煤，平均要排放9.95公斤NOx。为控制氮氧化物排放，2004年中国实行NOx排污收费，旨在通过经济杠杆促使电厂逐步装备烟气脱硝技术与设施；中国《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)则规定，2003年之前的火力电站执行650 mg/Nm3NOx排放标准，而2003年后新建的火力电厂则实施200mg/Nm3的烟气NOx排放标准。650 mg/Nm3NOx排放标准实际上是低NOx燃烧技术所能达到的水平。再要降低NOx排放，烟气脱硝(DeNOx)是必然选择。

当前烟气脱硝工程有待攻克的核心技术是基于流态仿真、冷模实验的系统设计和实时控制系统[1]。基于CFD仿真[2]和FMT验证的大型火电烟气脱硝系统氨-烟气涡流混合研究在国内方兴未艾[3]。本文介绍的烟气脱硝冷模气体供应管道仿真及验证，集CFD仿真和FMT验证于一身，为提高脱硝效率提供重要保障，是烟气脱硝工程中不可或缺的重要子项目之一。其成功建设和示范应用，不仅使我国烟气脱硝企业能够自主完成烟气脱硝气体供应管道设计提供所必需的教材，并为超临界火力电站烟气脱硝装置脱硝气体供应管道建设打下基础。

1 模拟气体供应管道CFD仿真设计

还原气体供应管道的布置与脱硝烟道的形状和布置密切相关，为了达到均匀效果，它们的布置应与 SCR 反应器结构设计同时进行。国际上一般采用模拟方法来确定烟气脱硝装置的设计方案[4]。对于该物理系统，我们采用CFD方法进行数值模拟，同时建立冷态实验装置。模拟气体供应管道系统由气瓶、减压阀、调节阀、流量计、管道和喷射格栅组成，其设计图如图1所示：

图1 气体供应管道系统设计图

本文中的烟气脱硝气体供应管道仿真软件为著名的CFD仿真软件FLUENT，每个仿真算例均为三维模型，并用GAMBIT软件生成流场网格（计算网格）。在满足边界约束的条件下，整个系统由变体积的约500万个计算网格组成[5]。迭代计算持续到达稳态为止。所有变量的收敛误差在1E-6以下。仿真条件如下：

a) 采用空气（密度 0.5356m3/s，粘度 3.225e-5N·s/m2）替代烟气，采用氨气替代氨气与空气的混合气；b) 选用k-epsilon标准湍流模型，选用组分传输模型模拟氨气与空气混合气，即喷氨嘴喷出的氨气浓度为 100%；c)暂不考虑扩散效应。

在进行仿真计算时，迭代输出的残差曲线变化图如图2所示：

图2 FLUENT迭代残差曲线

可以看到，在迭代有限次以后，各残差曲线均趋于平稳，在收敛误差小于1E-6下达到收敛状态。

2 模拟气体供应管道CFD仿真结果

根据电厂提供的实地图纸进行设计，并根据相似模化原则进行比例缩小，再用 FLUENT对气体供应管道进行寻优仿真，取得较为满意的仿真结果[6]。

图3和图4分别直观地从三维和二维的角度显示出了氨气速度在模拟气体供应管道出口处的分布和浓度在第一层催化剂层上表面的分布：

图3 气体供应管道出口处速度分布仿真图

图4 第一层催化剂层上表面氨气浓度分布仿真图

对仿真结果中的得到的速度和浓度场数据采用定性和定量的方法进行处理。定性结果用云图表示，可以较直观的模拟气体供应管道出口处的速度和浓度分布。定量结果采用标准偏差（S）衡量，S越小，说明速度和浓度的分布均匀性越好。

式中：

xi为实验数据，为数据的平均值，n为数据的个数。

把各喷嘴出口处的速度和浓度数据代入上式，进行定量分析，可以得到表1，仿真结果显示满足工艺要求。

CFD仿真数据分析

项目 最大值 最小值 平均值 标准偏差速度数据（m/s）31.93 28.77 30.13 2.54%浓度数据(ppm)2055.93 1580.67 1814.01 5.93%

3 气体供应管道FMT设计与建设

根据 CFD仿真结果，对冷态模型模拟气体供应管道系统进行实体设计。模拟气体供应管道系统由气瓶、减压阀、调节阀、流量计、管道和喷射格栅组成，模拟气体供应管道系统实物图见图5，

图5 气体供应管道系统实物图

在管道工程的建设过程中，应注意以下几点事项：

（1）高 (超)纯气体管道选用阀门应选用密封性良好的针形阀、球阀、隔膜阀、真空阀及角阀等;并注意介质的压力要求，对易燃易爆气体使用阀门时压力应提高1"2个等级。

（2）管道的连接应采用特制的成型管接，三通弯头等进行套管焊接，对于不锈钢管必须采用氢弧焊打底，施焊时在管内通入氨气(以高纯度氢为好)，其管道附件的制作材料应与其配管材料相同。

（3）管道与设备、阀门的连接应视具体情况采用法兰、螺纹、卡套或其它密封性能优良的连接方法，螺纹连接宜采用锥螺纹连接为好，这种连接方式，不需用密封垫，但必须在螺纹部分涂上密封剂后方能拧上，不能使用密封带。采用平螺纹连接时，必须加密封垫，其密封性亚于锥螺纹连接方式。

4 气体供应管道FMT验证结果

模拟气体供应管道系统建设完工后，即可进行 FMT实验，对仿真结果进行验证，取与 CFD仿真结果位置同样的截面分别进行速度、浓度测量，由于现实中较难测得整个平面的连续变化，因此在实验中采取了分区采样的方法：

速度和浓度测点分别设在喷射格栅出口后30mm横截面和催化剂入口前50mm的横截面上,测量截面的横纵方向分别称为X 方向和Y方向。

（1）速度测点 沿X 方向测点间距为86mm ,测点为3个;沿Y 方向测点间距为88mm ,测点为8个。每个测量截面上共设置24个测量点。

（2）浓度测点 沿X 方向测点间距为150mm ,测点为5个; 沿Y 方向测点间距为88mm ,测点为8个。共计40个测量点。

对实测数据进行同样处理分析，可得表2数据：

FMT实验数据分析

项目 最大值 最小值 平均值 标准偏差 30.83 25.74 27.28 4.54%1855.93 1510.73 1664.82 8.93%速度数据（m/s）浓度数据(ppm)

对比表1和表2数据，我们可以得到如下结论：

两表的数据误差最大不超过10%，FMT实测数据比CFD仿真所得结果，无论是速度值还是浓度值，均有所下降，而标准偏差则有所增大；

（2）造成上述现象的原因，是由于CFD仿真软件构造了一个理想环境，对现实中存在的管道内壁粗糙度不一致，脱硝烟道壳体气密性不完美导致的部分气体泄露，管道连接处的额外压损等可能出现的情况均没有进行考虑造成的；

（3）尽管存在以上不足，毋庸置疑的是，CFD仿真的数据得到了FMT实测数据的较好验证，两者的速度数据和浓度数据，标准偏差均在工艺要求15%以内。而且具体数值也仅相差不到10%。所以，我们有理由相信FLUENT提供的流体力学仿真，可以对实际工程项目的建设进行有效率的指导。

5 结论

在建设火力电站烟气脱硝冷态模型的项目中，氨气模拟气供应管道的建设质量，是保证氨气在喷射进入烟气通道后均匀分布，从而达到提高脱硝效率的重要保障之一。根据电厂提供的实地图纸进行设计，以CFD寻优仿真，再进行FMT冷态模型实验，得到真实数据进行验证，是脱硝工程中低成本高效率的一种方法，可以用于代替原来高成本低效率的先建设电站实际管道、后根据效果作出调整的方法。

[1]陈杭君,赵华,丁经纬.火电厂烟气脱硝技术介绍[J].热力发电,2005,(2):15-18.

[2]Adams B, Cremer,M Valentine J.Use of CFD Modeling for Design of NOxReduction Systems in Utility.Boilers[C]//Proceedings of IJPGC’02,2002 International Joint Power Generating Conference, Phoenix, AZ,USA,2002,June 24-26:695-702.

[3]孙克勤,钟秦.火电场烟气脱硝技术及工程应用[M].北京:化学工业出版社,2007:991-103.

[4]Bai H, Lee Shang-Hsiu, Lin Chia-Hsin, et al.Field Study,Design, and Catalyst Cost of Selective Catalytic Reduction Process[J].Journal of Environmental Engineering,2001,(8):735-740.

[5]Adams B, Cremer M, Valentine J.Use of CFD Modeling for Design of NOx Reduction Systems in Utility Boilers[C]//Proceedings of IJPGC’02,2002 International Joint Power Generating Conference, Phoenix, AZ, USA,2002, June 24-26:695-702.

[6]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004:167-183.