煤粉鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

沈 雷，韓娟娟

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

引言

選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)是指在催化劑作用下，在280℃～420℃的溫度范圍內(nèi)，還原劑（氨水、尿素等）有選擇地將煙氣中的NOX還原成為N2和H2O來減少NOX排放的技術(shù)，具有技術(shù)成熟、效率高、易控制等優(yōu)勢[1]。在最新標準100mg/m3的排放限值下[2]，目前乃至今后SCR技術(shù)仍是國內(nèi)火電、化工等行業(yè)大機組脫硝項目的首選。

SCR脫硝技術(shù)的關(guān)鍵在于煙氣能與還原劑充分地混合并以合適的速度和角度進入催化劑發(fā)生反應(yīng)，這主要取決于脫硝裝置內(nèi)的流場分布，其中最關(guān)鍵的兩個位置分別是噴氨格柵（AIG）上游截面和首層催化劑的上游截面，前者對氨濃度分布起到?jīng)Q定性作用，后者對脫硝性能有著最直接的影響。變異系數(shù)CV為標準差與平均數(shù)之比[3]，是反應(yīng)某數(shù)據(jù)的離散程度的絕對值，可作為評價SCR脫硝系統(tǒng)CFD流場優(yōu)化的定量指標，其中各指標的目標值如表1所示。

本文基于CFD軟件FLUENT，對完整的SCR脫硝裝置進行了流場模擬，著重分析了AIG上游及首層催化劑上游截面上的各項指標，作為依據(jù)設(shè)計并優(yōu)化了脫硝裝置內(nèi)部的導流板布置方案。

表1 CFD流場模擬優(yōu)化指標[4]

1 三維建模

采用三維建模軟件Gambit，建立1∶1比例的幾何模型，模型范圍包括從省煤器尾部煙道至空預(yù)器入口煙道部分。考慮到導流板以及整流格柵的厚度遠小于反應(yīng)器尺度，故都將其厚度忽略。模型如圖1所示。網(wǎng)格劃分時對模型進行分塊處理，較規(guī)則區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約370萬個。

圖1 SCR反應(yīng)器CFD模型

2 計算模型

采用標準k-ε模型對SCR系統(tǒng)內(nèi)的煙氣湍流流動過程進行模擬，煙氣與還原劑氨的混合模擬采用多組分輸運模型，選取多孔介質(zhì)模型對催化劑層進行模擬。

3 邊界條件

本文以460t/h煤粉鍋爐BMCR工況為計算對象，省煤器出口煙氣量為442,767Nm3/h，煙氣動力黏度為5.98×10-5m2/s。為使氨氣與煙氣充分混合，噴氨格柵共均布了216個小噴口，單個噴口面積為1.256×10-3m2，稀釋后的氨氣量為1971Nm3/h。結(jié)合以上參數(shù)和脫硝裝置進出口尺寸可得SCR進出口及氨氣入口的邊界參數(shù)，見表2。

表2 煙氣進出口邊界參數(shù)

4 結(jié)果分析與優(yōu)化

4.1 優(yōu)化前流場分析

煙氣自省煤器流出后，分別沿上偏角31o和19o的傾斜煙道流經(jīng)下彎頭進入垂直煙道，與由AIG噴入的氨氣混合后經(jīng)上彎頭轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较?，再?jīng)整流格柵將速度均化后送入催化劑層完成脫硝反應(yīng)。在設(shè)計SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)部的導流裝置時，為避免由于慣性作用造成彎頭處出現(xiàn)過大的速度偏差和壓力損失，在SCR裝置四個轉(zhuǎn)彎處（垂直煙道上下彎頭、反應(yīng)器出口、SCR出口）分別設(shè)計了兩片導流板，此時SCR系統(tǒng)的煙氣流場情況如圖2所示（圖2中根據(jù)煙氣流動方向劃分了前后左右，以便于下文敘述）。

圖2 優(yōu)化前煙氣流速分布情況

由于整個SCR煙道不存在左右偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，因此其內(nèi)部流場整體呈現(xiàn)左右對稱、前后偏差。由圖2可見，垂直煙道段前側(cè)的煙氣速度大于后側(cè)，一方面是由煙氣在下彎頭處的慣性造成，另一方面是由于下彎頭前接的上傾斜煙道存在沿流動方向的上偏角減小，從而導致流場整體下移。經(jīng)計算，AIG上游截面的平均流速為11.86m/s，變異系數(shù)CV為16.3%，未達到CV≤15%的指標。AIG上游流場不均直接影響到還原劑與煙氣的混合效果，對脫硝性能極為不利，因此需對該截面流場進一步優(yōu)化。從圖2中還可以看出，經(jīng)上彎頭轉(zhuǎn)為水平方向的煙氣大幅沖向前側(cè)，直接導致整流格柵下游的流場出現(xiàn)明顯偏差。經(jīng)計算，首層催化劑上游煙氣流速CV為20.9%，也未達到CV≤15%的指標。

根據(jù)表1，不考慮催化劑時要求SCR系統(tǒng)壓損不超過450Pa，通常造成較大壓降的情況是流動發(fā)生大角度轉(zhuǎn)向或煙道口徑大尺度縮小，可通過合理布置氣流導向部件加以改善。圖3為不考慮催化劑阻力時的壓力分布情況，可見整個系統(tǒng)壓降為396Pa，可滿足系統(tǒng)壓損小于450Pa的要求。

圖3 優(yōu)化前煙氣壓力分布情況（不考慮催化劑時）

4.2 優(yōu)化后流場分析

針對當前速度偏差較大的問題，提出在上偏角19o段煙道增設(shè)兩片導流板，將下彎頭上游的煙氣流場上揚，減小垂直煙道的流速偏差。另在整流格柵上方增設(shè)四組導流葉片。兩處增設(shè)導流部件的位置分別見圖4a、b。

圖4 優(yōu)化后增設(shè)的導流板

圖5 優(yōu)化后煙氣流速分布情況

從圖5可以看出，增加圖4a中的兩片導流板后對垂直煙道內(nèi)的流場影響十分顯著，速度分布較均勻，為與氨氣的均勻混合營造了有利條件。圖6a為AIG上游截面的速度分布情況，此時該截面速度CV為12.3%。增加圖4b中的四組導流葉片后，緩解了大量煙氣沖向反應(yīng)器前側(cè)的問題，反應(yīng)器內(nèi)部的速度偏差減小。圖6b為首層催化劑上游截面的煙氣速度分布情況，此時該截面速度CV為9.2%。因此，優(yōu)化后這兩個截面均達到了CV≤15%的目標。

圖7為優(yōu)化后自首層催化劑上方0.5m處向下的煙氣流線圖。從圖7可見，由此截面射入首層催化劑的煙氣幾乎均沿軸線垂直向下，且下游煙氣運動軌跡流暢，無漩渦產(chǎn)生。首層催化劑上游的煙氣的入射角（與鉛垂向下方向的夾角）最大值為6.3o，并且大于1o的區(qū)域不超過整個截面的5%。

圖6 水平方向上截面流速分布情況

圖7 流線圖

4.3 優(yōu)化后的氨濃度分析

圖8為優(yōu)化后SCR系統(tǒng)全區(qū)的氨濃度分布圖。從圖8可以看出，AIG下游至首層催化劑前的氨氣濃度分布十分均勻，經(jīng)計算催化劑上游氨濃度CV為4.6%，滿足了表1中對該處濃度分布的要求。

圖8 優(yōu)化后反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布情況

5 結(jié)論

采用Fluent軟件對460t/h煤粉爐的SCR脫硝系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，通過對AIG上游和首層催化劑上游各指標的分析，設(shè)計并優(yōu)化了SCR脫硝裝置的導流板布置方案，得到如下結(jié)論：

（1）優(yōu)化前布置在各轉(zhuǎn)彎處的導流板能夠滿足SCR系統(tǒng)壓損小于450Pa的要求，但是未能滿足AIG上游及首層催化劑上游的流場性能要求。

（2）進口上傾煙道增加兩片導流板后，AIG上游煙氣流速CV = 12.3%，首層催化劑上游氨濃度CV = 4.6%；整流格柵上方增加4片導流板后，反應(yīng)器內(nèi)部流場均勻性增強，首層催化劑上游煙氣流速CV = 9.2%，最大煙氣入射角為6.3o，因此優(yōu)化后導流板布置方案能使SCR脫硝系統(tǒng)滿足各項流場指標的要求。

[1]陳進生.火電廠煙氣脫硝技術(shù)—選擇性催化劑還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]火電廠大氣污染物排放標準（GB13223-2011）[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2011.

[3]陳蓮芳.脫硝反應(yīng)器流場與反應(yīng)物混合模擬優(yōu)化[D].濟南：山東大學，2011.

[4]夏懷祥，段傳和.選擇性催化劑還原法（SCR）煙氣脫硝[M].北京：中國電力出版社，2012.