某燃煤電廠300MW機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

樊慶鋅，王明軒，關(guān)心，邱微，3

（1哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150046；3哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090）

應(yīng)用技術(shù)

某燃煤電廠300MW機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

樊慶鋅1，王明軒1，關(guān)心2，邱微1，3

（1哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150046；3哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090）

SCR煙氣脫硝裝置中煙氣流場(chǎng)的分布及還原劑（NH3）與NOx的混合效果對(duì)脫硝效果起著重要作用，因此，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)于初步設(shè)計(jì)的SCR煙氣脫硝裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是目前國內(nèi)外SCR煙氣脫硝裝置設(shè)計(jì)必不可少的一部分。本研究采用Fluent軟件對(duì)某燃煤電廠300MW機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置內(nèi)的煙氣流動(dòng)、第一層催化劑入口NH3與NOx的混合和系統(tǒng)壓降等方面進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：BMCR工況下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的SCR煙氣脫硝裝置AIG上（下）游、第一層催化劑入口和裝置出口截面煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過15%；第一層催化劑入口截面NH3/NOx摩爾比相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過10%；第一層催化劑入口截面煙氣進(jìn)入最大偏差角度處于±10 °范圍之間；系統(tǒng)壓降低于800Pa。合理的設(shè)計(jì)導(dǎo)流板能夠起到抑制彎管以及變截面所引起的流場(chǎng)分離現(xiàn)象、消除大旋流的產(chǎn)生使煙氣更加流暢地進(jìn)入催化劑等作用。

選擇催化還原；煙氣脫硝；數(shù)值模擬；導(dǎo)流板

采用成熟有效的NOx燃燒和煙氣脫硝技術(shù)控制燃煤電廠NOx排放，是現(xiàn)階段我國電力行業(yè)NOx控制的主要手段。現(xiàn)有的低NOx燃燒技術(shù)脫硝效率低于30%，難以滿足嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求，必須與煙氣脫硝技術(shù)結(jié)合使用。選擇性催化還原法（selective catalytic reduction，SCR）煙氣脫硝技術(shù)以其技術(shù)成熟、脫硝率高、二次污染少等優(yōu)點(diǎn)在大型燃煤電廠獲得廣泛應(yīng)用。

SCR煙氣脫硝裝置中煙氣流場(chǎng)的分布及還原劑（NH3）與NOx的混合效果是影響脫硝效果的主要因素之一，它們不但影響最終的脫硝效率和氨逃逸濃度，還對(duì)脫硝裝置的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。例如，當(dāng)煙氣經(jīng)過催化劑時(shí)，如果流速分布不均勻，則高流速煙氣會(huì)造成催化劑沖蝕和磨損，低流速煙氣會(huì)造成催化劑積灰和堵塞，影響催化劑壽命；如果在催化劑表面NOx與NH3混合不夠均勻，則NOx與過量氨反應(yīng)造成氨逃逸濃度大，與少量氨反應(yīng)造成脫硝效率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，在SCR煙氣脫硝裝置內(nèi)部合理地設(shè)計(jì)導(dǎo)流板，是保證裝置內(nèi)煙氣均勻流動(dòng)以及NH3與NOx均勻混合的關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)際工程需要，初步設(shè)計(jì)的SCR煙氣脫硝裝置是不包括導(dǎo)流板的，所謂SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是指通過數(shù)值模擬方法模擬煙氣及還原劑（NH3）在裝置內(nèi)部的實(shí)際流動(dòng)情況，提出合理的導(dǎo)流板安裝方案，即確定在SCR煙氣脫硝裝置中導(dǎo)流板的最佳形式、數(shù)量和位置。

國外對(duì)于SCR煙氣脫硝裝置數(shù)值模擬方面的研究起步早，經(jīng)驗(yàn)豐富[1-4]，形成一個(gè)比較完整的數(shù)據(jù)庫可以用來判斷、比較和預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣[5]，而國內(nèi)對(duì)于該方面的研究起步晚，目前仍處于發(fā)展階段，關(guān)于SCR煙氣脫硝裝置內(nèi)部流場(chǎng)的模擬較為簡單，不夠全面[6-14]，同時(shí)，在SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中缺乏標(biāo)準(zhǔn)。本研究針對(duì)某燃煤電廠300MW機(jī)組初步設(shè)計(jì)的SCR煙氣脫硝裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其在實(shí)際運(yùn)行中能夠達(dá)到高脫硝效率和低氨逃逸濃度，同時(shí)，本文研究方法和研究成果還可為我國SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供借鑒。

1 研究對(duì)象

某燃煤電廠300MW機(jī)組鍋爐配置兩套對(duì)稱的SCR煙氣脫硝裝置，本研究以其中一套作為研究對(duì)象。煙氣從鍋爐尾部省煤器煙道進(jìn)入SCR煙氣脫硝裝置入口煙道，經(jīng)90°轉(zhuǎn)彎后垂直向上經(jīng)過噴氨格柵（ammonia injection grid，AIG），與NH3混合后再經(jīng)90°轉(zhuǎn)彎進(jìn)入水平煙道，然后再經(jīng)90°轉(zhuǎn)彎垂直向下經(jīng)過整流格柵和各層催化劑。經(jīng)過催化劑時(shí)，煙氣進(jìn)行脫硝，脫硝后的煙氣從出口煙道進(jìn)入空氣預(yù)熱器等下游裝置。SCR煙氣脫硝裝置入口煙道進(jìn)口處布置一組直形導(dǎo)流板，出口處布置一組折形導(dǎo)流板，在AIG上、下游煙道轉(zhuǎn)彎處各設(shè)置一組直弧形導(dǎo)流板，在整流格柵入口處設(shè)置一組直弧形導(dǎo)流板，具體情況見圖1。

本研究中SCR煙氣脫硝裝置采用日本三菱公司技術(shù)設(shè)計(jì)，AIG噴出的是NH3與空氣的混合氣體，NH3∶空氣=1∶19（體積比）。SCR煙氣脫硝裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1和圖2。本研究中SCR煙氣脫硝裝置AIG由40根噴管組成（其中20個(gè)長噴管、20個(gè)短噴管），每根噴管上裝有8個(gè)噴嘴，左右各4個(gè)，呈90°夾角，具體情況見圖3。

圖1 SCR煙氣脫硝裝置三維模型

表1 SCR煙氣脫硝裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 SCR煙氣脫硝裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 AIG三維模型

2 研究方法

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）是采用數(shù)學(xué)方法、利用計(jì)算機(jī)解決流體力學(xué)實(shí)際問題的方法，是目前國內(nèi)外SCR煙氣脫硝裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)用最普遍的數(shù)值模擬方法。

首先，利用GAMBIT軟件建立與實(shí)際尺寸相同的SCR煙氣脫硝裝置三維模型，采用四面體和六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在AIG和第一層催化劑入口進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密，模型網(wǎng)格計(jì)算單元數(shù)量約為500萬。然后，采用Fluent軟件對(duì)煙氣在SCR煙氣脫硝裝置內(nèi)的流動(dòng)、第一層催化劑入口NH3與NOx的混合、第一層催化劑入口煙氣進(jìn)入角度和系統(tǒng)壓降等方面進(jìn)行模擬，主要使用k-ε湍流模型、組分輸運(yùn)模型和多孔介質(zhì)模型等。

在滿足工程要求條件下，為便于CFD數(shù)值模擬計(jì)算，作出如下假設(shè)和簡化：①將煙氣視為不可壓縮牛頓流體，并且流動(dòng)屬于定常流；②實(shí)際脫硝裝置進(jìn)出口溫差較小，假設(shè)系統(tǒng)絕熱；③實(shí)際脫硝裝置的漏風(fēng)率較小，忽略不計(jì)；④在脫硝裝置進(jìn)口處，煙氣流速分布均勻，同時(shí)，各組分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；⑤煙氣中灰分對(duì)本研究內(nèi)容影響較小，因此不考慮灰分的影響；⑥催化劑層產(chǎn)生的流動(dòng)阻力通過在多孔介質(zhì)模型中設(shè)置一個(gè)與實(shí)際運(yùn)行值相當(dāng)?shù)膲毫p失進(jìn)行模擬；⑦忽略導(dǎo)流板厚度、AIG尺寸和一些對(duì)流場(chǎng)影響較小的內(nèi)部構(gòu)造（構(gòu)架、梁等）。

SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)合理的控制指標(biāo)包括：①AIG上、下游、第一層催化劑入口和裝置出口截面煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過15%（BMCR工況下）；②第一層催化劑入口截面NH3/NOx摩爾比相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過10%（BMCR工況下）；③第一層催化劑入口截面煙氣進(jìn)入最大偏差角度處于-10°～10°；④系統(tǒng)壓降在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，本研究要求系統(tǒng)壓降不超過800Pa。分析截面見圖4。

SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是根據(jù)上述方法，首先針對(duì)初步設(shè)計(jì)的SCR煙氣脫硝裝置（未安裝導(dǎo)流板）進(jìn)行數(shù)值模擬，然后根據(jù)模擬結(jié)果，借鑒相關(guān)工程資料，在保證SCR煙氣脫硝裝置流場(chǎng)特性滿足控制指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量減少導(dǎo)流板的數(shù)量，以降低整套裝置的荷載和阻力，經(jīng)過對(duì)導(dǎo)流板安裝方案的不斷比較和改進(jìn)，得到較為合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。合理的SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并不是保證裝置內(nèi)部每個(gè)截面上煙氣流速都達(dá)到均勻分布的要求，只能在滿足控制指標(biāo)的情況下，使裝置內(nèi)部主要截面上的煙氣流速分布均勻。

3 結(jié)果和討論

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前SCR煙氣脫硝裝置數(shù)值模擬結(jié)果和討論

3.1.1 SCR煙氣脫硝裝置各分析截面煙氣流速分布特性

在BMCR工況下，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前SCR煙氣脫硝裝置（未安裝導(dǎo)流板）各分析截面的煙氣流速分布特性進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖5～圖8。

從圖5中可以看出，由于AIG上游截面臨近裝置入口煙道轉(zhuǎn)彎處，在慣性作用下，大量煙氣集中在煙道右側(cè)壁面區(qū)域，整個(gè)截面煙氣流速呈現(xiàn)左低右高的情況。煙氣流速分布不均勻，影響煙氣與AIG噴入的NH3充分混合，因此需要在AIG上游截面之前設(shè)置導(dǎo)流板。

圖4 SCR煙氣脫硝裝置數(shù)值模擬分析截面

圖5 優(yōu)化前AIG上游截面煙氣流速數(shù)值模擬圖

圖6 優(yōu)化前AIG下游截面煙氣流速數(shù)值模擬圖

圖7 優(yōu)化前第一層催化劑入口截面煙氣流速數(shù)值模擬圖

圖8 優(yōu)化前裝置出口截面煙氣流速數(shù)值模擬圖

從圖6中可以看出，煙氣由于在進(jìn)入AIG下游截面前有一段垂直混合距離，因此在該截面上的流速分布要好于AIG上游截面，但由于混合距離較短，煙氣流速分布仍不均勻?？紤]到系統(tǒng)阻力及磨損情況，不適合在AIG上、下游之間設(shè)置導(dǎo)流板，因此可以通過調(diào)整安裝在AIG上游截面之前的導(dǎo)流板使煙氣流速在AIG下游截面分布均勻。

從圖7中可以看出，未安裝導(dǎo)流板時(shí)煙氣流速在第一層催化劑入口截面分布不均勻，這種情況主要是由于煙氣在進(jìn)入第一層催化劑時(shí)橫截面擴(kuò)大3.6倍流速減小，同時(shí)速度角度變化較大造成的。在慣性作用下，煙氣集中在裝置右壁面區(qū)域，因此該區(qū)域流速較大。裝置出口截面縮小，煙氣在通過出口煙道時(shí)流速增加，阻力增大，因此部分區(qū)域存在渦流現(xiàn)象。

從圖8中可以看出，煙氣流速在裝置出口截面分布較均勻，主要是由于煙氣由截面較大的反應(yīng)區(qū)匯集到截面較小的出口煙道后，流速增加，同時(shí)增強(qiáng)了氣體的擾動(dòng)及再分配導(dǎo)致的。

CFD數(shù)值模擬結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)優(yōu)化前SCR煙氣脫硝裝置，BMCR工況下，AIG上、下游、第一層催化劑入口截面煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差依次為32.6%、27.0%和30.5%，均超過15%的控制指標(biāo)，煙氣流速分布不均勻；裝置出口煙道截面煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.7%，未超過15%的控制指標(biāo)，因此，在裝置出口煙道處可不設(shè)置導(dǎo)流板。

3.1.2 SCR煙氣脫硝裝置第一層催化劑入口截面NH3/NOx分布特性

在BMCR工況下，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前SCR煙氣脫硝裝置（未安裝導(dǎo)流板）第一層催化劑入口截面NH3/NOx摩爾比分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖9。

圖9 優(yōu)化前第一層催化劑入口截面NH3/NOx摩爾比分布圖

從圖9中可以看出，在第一層催化劑入口截面下部出現(xiàn)了NH3/NOx摩爾比峰值區(qū)域，并且從下到上NH3/NOx摩爾比逐漸減小，其原因是從AIG均勻噴入的NH3與煙氣混合后氣體流場(chǎng)的不均勻造成的。CFD數(shù)值模擬結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)優(yōu)化前SCR煙氣脫硝裝置在BMCR工況下，第一層催化劑入口截面NH3/NOx摩爾比相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.3%，超過10%的控制指標(biāo)，NH3和NOx混合不均勻。因此，需要在第一層催化劑入口設(shè)置導(dǎo)流板，使NH3與NOx能夠充分均勻地混合。

3.1.3 SCR煙氣脫硝裝置第一層催化劑入口截面煙氣進(jìn)入角度

BMCR工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化前SCR煙氣脫硝裝置（未安裝導(dǎo)流板）第一層催化劑入口截面煙氣進(jìn)入角度數(shù)值模擬結(jié)果見圖10。

從圖10可以看出，第一層催化劑入口截面煙氣進(jìn)入角度偏差較大，且從進(jìn)入角度可以看出有1/3的區(qū)域出現(xiàn)明顯渦流現(xiàn)象。CFD數(shù)值模擬結(jié)果顯示：最大偏差角度達(dá)到68.5°，平均偏差角度為36.7°。煙氣進(jìn)入第一層催化劑入口截面的角度偏差過大會(huì)導(dǎo)致煙氣與催化劑接觸不充分，催化劑利用率低；部分區(qū)域脫硝負(fù)荷過大，脫硝效率低，且影響催化劑的使用壽命，增加氨逃逸濃度。因此需要在第一層催化劑入口設(shè)置導(dǎo)流板，使煙氣與催化劑能夠充分均勻接觸反應(yīng)。

圖10 優(yōu)化前第一層催化劑入口截面煙氣流速矢量圖

3.2 SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

SCR煙氣脫硝裝置入口煙道進(jìn)入上升段之前為變截面結(jié)構(gòu)，水平漸擴(kuò)煙道為非對(duì)稱形式，使煙氣流速在入口煙道橫截面垂直煙氣流動(dòng)方向上（即Y軸方向）分布不均。本研究在裝置入口煙道進(jìn)口處布置一組直形導(dǎo)流板，出口處布置一組折形導(dǎo)流板，起到保持導(dǎo)流效果的作用。具體布置方式見圖11。

煙氣在經(jīng)過SCR煙氣脫硝裝置上升煙道入口和出口處時(shí)，均發(fā)生了90°的轉(zhuǎn)彎，在慣性和離心力的作用下被壓向外側(cè)，因此，外側(cè)煙氣壓強(qiáng)增大，由伯努利方程可知，流速減小，在煙道轉(zhuǎn)彎處某點(diǎn)以后壓強(qiáng)才逐漸減小直到轉(zhuǎn)彎結(jié)束；與此相對(duì)，內(nèi)側(cè)煙氣壓強(qiáng)先減小后增大，流速先增大后減小。內(nèi)、外兩側(cè)煙氣流速的差別，導(dǎo)致流場(chǎng)分離現(xiàn)象的發(fā)生。上升煙道沿X軸增大方向，煙氣流速逐漸增大，導(dǎo)致了AIG上、下游截面流速分布不均勻。本研究在AIG上、下游煙道轉(zhuǎn)彎處各設(shè)置一組直弧形導(dǎo)流板，避免煙氣集中在煙道轉(zhuǎn)彎處外側(cè)的現(xiàn)象發(fā)生，煙氣在導(dǎo)流板的作用下可均勻流過煙道轉(zhuǎn)彎處，進(jìn)而在上升煙道X軸方向分布均勻，消除流向改變對(duì)煙氣流速分布的影響。具體布置方式見圖12和圖13。

圖11 裝置入口煙道導(dǎo)流板布置圖（單位：mm）

圖12 AIG上游煙道轉(zhuǎn)彎處導(dǎo)流板布置圖（單位：mm）

圖13 AIG下游煙道轉(zhuǎn)彎處導(dǎo)流板布置圖（單位：mm）

煙氣在進(jìn)入整流格柵前流向發(fā)生90°轉(zhuǎn)彎，并且流動(dòng)截面擴(kuò)大流速降低，煙氣在離心力作用下集中在裝置外側(cè)。由于彎道內(nèi)外側(cè)存在壓差，會(huì)使裝置局部存在渦流現(xiàn)象。原設(shè)計(jì)雖然設(shè)置了整流格柵，但速度分布仍有較大偏差，整流效果不理想。第一層催化劑入口處煙氣流速的不均勻分布也導(dǎo)致了該截面上NH3/NOx分布存在較大偏差。本研究在整流格柵入口處設(shè)置一組直弧形導(dǎo)流板，不僅可以改善流體經(jīng)過彎道時(shí)的分離現(xiàn)象，還能減小流體經(jīng)過彎道時(shí)產(chǎn)生的二次流帶來的阻力。具體布置方式見圖14。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后SCR煙氣脫硝裝置數(shù)值模擬結(jié)果和討論

3.3.1 SCR煙氣脫硝裝置各分析截面煙氣流速分布特性

在BMCR工況下，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后SCR煙氣脫硝裝置各分析截面的煙氣流速分布特性進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖15～圖18。

從圖15可以看出，AIG上游截面煙氣流速由于受模型AIG的影響雖呈現(xiàn)中間小兩邊偏大的趨勢(shì)，但速度梯度變化不大，整體分布較為均勻。SCR煙氣脫硝裝置入口煙道處的兩組導(dǎo)流板對(duì)Y軸方向上的流速分布起到了分配作用，AIG上游彎道處的一組弧形導(dǎo)流板對(duì)X軸方向上的流速分布起到了導(dǎo)流作用。

圖14 整流格柵入口彎道處導(dǎo)流板布置圖（單位：mm）

圖15 優(yōu)化后AIG上游截面煙氣流速數(shù)值模擬圖

從圖16可以看出，煙氣進(jìn)入上升段后速度梯度不斷減小，流速分布逐漸均勻。由于混合距離較短，流速分布不能完全均勻，但在導(dǎo)流板及AIG的整流作用下，該截面流場(chǎng)均勻程度有了明顯改善，總體分布趨勢(shì)與AIG上游截面相同。

圖16 優(yōu)化后AIG下游截面煙氣流速數(shù)值模擬圖

從圖17可以看出，第一層催化劑入口截面煙氣流速分布較均勻，僅在部分區(qū)域流速存在一定差距，這主要是由于煙氣經(jīng)過催化劑入口彎道處受到的慣性力所致。第一層催化劑入口處設(shè)置的一組直弧型導(dǎo)流板使得煙氣沿著導(dǎo)流板布置方向流動(dòng)，減小慣性力，使催化劑上方高速區(qū)的得到了一定程度地減輕，同時(shí)消除了大漩渦的產(chǎn)生，降低了煙氣對(duì)速度場(chǎng)不均勻性的影響，使煙氣更加流暢地進(jìn)入催化劑層，導(dǎo)流板尾部對(duì)速度場(chǎng)的擾動(dòng)尚存在一定影響，仍存在小回流區(qū)，但考慮到減少系統(tǒng)阻力及載荷，因此在滿足實(shí)際工程要求的情況下盡量減少導(dǎo)流板的數(shù)量。

從圖18可以看出，裝置出口截面煙氣流速分布均勻。BMCR工況下，數(shù)值模擬得到的裝置出口截面煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.7%，優(yōu)于優(yōu)化前。

CFD數(shù)值模擬結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后SCR煙氣脫硝裝置在BMCR工況下，AIG上、下游、第一層催化劑入口截面煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差依次為9.2%、9.8%和11.9%，均滿足不超過15%的控制指標(biāo)，煙氣流速分布均勻。

圖17 優(yōu)化后第一層催化劑入口截面煙氣流速數(shù)值模擬圖

圖18 優(yōu)化后裝置出口截面煙氣流速數(shù)值模擬圖

圖19 優(yōu)化后第一層催化劑入口截面NH3/NOx分布圖

3.3.2 SCR煙氣脫硝裝置第一層催化劑入口截面NH3/NOx分布特性

在BMCR工況下，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后SCR煙氣脫硝裝置第一層催化劑入口截面NH3/NOx摩爾比分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖19。

由圖19可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的SCR煙氣脫硝裝置由于煙氣流速在第一層催化劑入口截面的均勻分布，使得NH3濃度在該截面上的濃度梯度降低，假設(shè)煙氣中NOx濃度不變，因此第一層催化劑入口截面NH3/NOx分布均勻。CFD數(shù)值模擬結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的SCR煙氣脫硝裝置在BMCR工況下，第一層催化劑入口截面NH3/NOx摩爾比相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.6%，滿足不超過10%的控制指標(biāo)，NH3和NOx混合均勻。

3.3.3 SCR煙氣脫硝裝置第一層催化劑入口截面煙氣進(jìn)入角度

BMCR工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化后SCR煙氣脫硝裝置第一層催化劑入口截面煙氣進(jìn)入角度數(shù)值模擬結(jié)果見圖20。

圖20 優(yōu)化后第一層催化劑入口截面煙氣流速分布矢量圖

由圖20可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后煙氣進(jìn)入第一層催化劑角度的偏差值小于結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，主要是由于導(dǎo)流板抵消了煙氣經(jīng)過裝置拐角時(shí)所受到的離心力的作用。因此，在裝置拐角位置安裝合適的導(dǎo)流板能夠使氣體流動(dòng)的方向和裝置煙道基本保持一致，有助于減輕煙氣及其攜帶顆粒對(duì)裝置和催化劑的磨損。BMCR工況下，數(shù)值模擬得到的煙氣進(jìn)入角度的最大偏差為8.6°，滿足該截面最大偏差±10°的考核標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.4 流動(dòng)阻力特性

對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后SCR煙氣脫硝裝置的流動(dòng)阻力進(jìn)行分析，結(jié)果見圖21和表2。

BMCR工況下，數(shù)值模擬得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后SCR煙氣脫硝裝置系統(tǒng)壓降為708Pa，本研究SCR煙氣脫硝裝置設(shè)計(jì)文件中要求系統(tǒng)壓降在800Pa以內(nèi)，因此本研究提出的優(yōu)化方案符合設(shè)計(jì)要求。在SCR煙氣脫硝裝置中，煙道轉(zhuǎn)彎處壓力損失較大，主要是由于煙氣在轉(zhuǎn)彎時(shí)大部分集中在煙道外側(cè)產(chǎn)生大范圍漩渦區(qū)和二次流導(dǎo)致的，在煙道轉(zhuǎn)彎處安裝導(dǎo)流板，可使煙氣沿著導(dǎo)流板經(jīng)過轉(zhuǎn)彎處，避免漩渦區(qū)和二次流的產(chǎn)生，但是，過多安裝導(dǎo)流板又會(huì)增加整套裝置的荷載和阻力。因此，以安裝最少的導(dǎo)流板使裝置結(jié)構(gòu)合理，是SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本原則[15]。

圖21 SCR煙氣脫硝裝置流動(dòng)阻力分布圖

表2 SCR煙氣脫硝裝置流動(dòng)阻力數(shù)值模擬數(shù)據(jù) 單位：Pa

4 結(jié) 論

（1）采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)某燃煤電廠300MW機(jī)組初步設(shè)計(jì)的SCR煙氣脫硝裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)果顯示：BMCR工況下，AIG上下游、第一層催化劑入口、裝置出口截面煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為9.2%、9.8%、11.9%和10.7%，均滿足不超過15%的控制指標(biāo)，煙氣流速分布均勻；第一層催化劑入口截面NH3/NOx的摩爾比相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.6%，滿足不超過10%的控制指標(biāo)，NH3和NOx混合均勻；煙氣進(jìn)入第一層催化劑入口截面的角度最大偏差為8.6°，滿足最大偏差±10°的控制指標(biāo)；系統(tǒng)壓降708Pa，滿足不超過800Pa的實(shí)際要求。

（2）合理的設(shè)計(jì)導(dǎo)流板具有以下作用：①使煙氣沿著導(dǎo)流板布置方向流動(dòng)，降低煙氣對(duì)速度場(chǎng)不均勻性的影響；②對(duì)彎管以及變截面所引起的流場(chǎng)分離現(xiàn)象有一定抑制作用；③消除大旋流的產(chǎn)生，使煙氣更加流暢地進(jìn)入催化劑中；④減少流場(chǎng)不均勻?qū)H3濃度分布的不利影響，提高催化反應(yīng)效率。

本研究進(jìn)行數(shù)值模擬之后進(jìn)行了流場(chǎng)模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬和流場(chǎng)模型試驗(yàn)中速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和壓力場(chǎng)結(jié)果都較為接近，說明數(shù)值模擬結(jié)果是可信的。本文研究成果已在實(shí)際工程中應(yīng)用，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)已完成連續(xù)168h滿負(fù)荷運(yùn)行，在此期間，SCR煙氣脫硝裝置平均脫硝效率大于80%，平均NH3逃逸濃度小于2.5mg/m3（101.325kPa，0℃，干基，過量空氣系數(shù)1.4），平均阻力小于0.62kPa，平均SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%。采用網(wǎng)格法，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到裝置出口截面NOx濃度分布情況，NOx濃度均低于100mg/m3，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%。因此，本研究針對(duì)研究對(duì)象提出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是切實(shí)可行的。

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Optimal design of a SCR-DeNOxsystem for a 300MW coal-fired power plant

FAN Qingxin1，WANG Mingxuan1，GUAN Xin2，QIU Wei1，3（1Harbin Institute of Technology Municipal and Environmental Engineering，Harbin 150090，Heilongjiang，China；2Harbin Power System Engineering and Research Institute，Harbin 150046，Heilongjiang，China；3Harbin Institute of Technology State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment，Harbin 150090，Heilongjiang，China）

The distribution of flue gas flow field and the effects on mixing the reducing agent （NH3）with NOxin SCR system are important in the denitrification. Therefore，the structure optimization by numerical simulation of newly designed SCR reactors is essential in the SCR reactor design. In this research FLUENT software was used to simulate flue gas flow field，the effects on mixing NH3with NOxat the entrance of the first layer catalyst，and the pressure drop of the system in a 300MW coal-fired power plant. Results showed that the relative standard deviation of flue gas velocity was less than 15% between the above and below section of AIG (ammonia injection grid)，the entrance of the first layer catalyst and the outlet of SCR reactor after structure optimization in the BMCR (boiler maximum continuous rating) conditions；the relative standard deviation of NH3/NOxratio was less than 10% at the entrance of the first layer catalyst；the maximum deviation angle of the flue gas entrance at the entrance of the first layer catalyst was between -10° and 10°；the pressure drop of the system was less than 800Pa. Using well-designed deflectors could inhibit the flow separation phenomenoncaused by bending and variable cross section，eliminate the high swirl，and make it more smoothly for the flue gas entering the catalyst.

SCR；flue gas denitrification；numerical simulation；deflector

X 701

A

1000-6613（2014）10-2806-09

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.048

2014-02-27；修改稿日期：2014-05-15。

樊慶鋅（1962—），男，博士，副教授，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)領(lǐng)域研究。E-mail fanqingxin@hit.edu.cn。聯(lián)系人：邱微，博士，副教授，主要從事城市水資源生態(tài)承載力領(lǐng)域研究。E-mail qwxnh@ 163. com。。