熱電廠SCR系統(tǒng)反應(yīng)器流場(chǎng)均勻性數(shù)值模擬研究

曹瑋

（煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司上海分公司，上海 200241）

熱電廠SCR系統(tǒng)反應(yīng)器流場(chǎng)均勻性數(shù)值模擬研究

曹瑋

（煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司上海分公司，上海 200241）

以某熱電廠機(jī)組選擇性催化還原（SCR）法反應(yīng)器為對(duì)象，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)其整體布置結(jié)構(gòu)煙氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。自行設(shè)計(jì)了系統(tǒng)導(dǎo)流裝置，并分析了系統(tǒng)在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況下煙氣成分速度場(chǎng)、氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布和煙氣壓力降情況，評(píng)估了該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)布置的特性。研究結(jié)果可為SCR中使用的反應(yīng)器導(dǎo)流裝置和噴氨格柵的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。

選擇性催化還原法；反應(yīng)器；流場(chǎng)均勻性；導(dǎo)流板；數(shù)值模擬

0 引言

在氨氮配比合理、反應(yīng)溫度適宜的基礎(chǔ)上，反應(yīng)器流場(chǎng)流動(dòng)均勻性和阻力特性是影響脫硝反應(yīng)能否順利進(jìn)行的重要技術(shù)指標(biāo)。不合理的流場(chǎng)會(huì)使脫硝率下降和催化層壽命降低，大大提高設(shè)備的運(yùn)行成本；同時(shí)，較高的阻力也帶來(lái)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定和空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率增加等問(wèn)題［2-3］。

為了獲得良好的流場(chǎng)和阻力特性，在脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中一般采用加裝導(dǎo)流板和整流器的方法來(lái)達(dá)到預(yù)期目的。合理的導(dǎo)流板和整流器布置，能夠使混合煙氣均勻、穩(wěn)定地通過(guò)煙道，進(jìn)入催化劑層進(jìn)行還原反應(yīng)。

在脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器導(dǎo)流裝置的設(shè)計(jì)中，與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比，采用數(shù)值模擬方法能夠得到煙氣流動(dòng)區(qū)域整體流場(chǎng)特性，大大提高設(shè)計(jì)工作效率并節(jié)約設(shè)計(jì)成本。而且，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際越來(lái)越接近，完全能夠滿(mǎn)足工業(yè)設(shè)計(jì)的需求。

本文采用CFD技術(shù)對(duì)某熱電廠機(jī)組的SCR脫硝裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，比較了未設(shè)置導(dǎo)流板和設(shè)置導(dǎo)流板兩種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)均勻性，著重對(duì)設(shè)置導(dǎo)流板的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)、氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布以及流動(dòng)阻力進(jìn)行分析。

1 SCR脫硝裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

以某熱電廠煙氣SCR脫硝裝置為研究對(duì)象，給定入口煙氣量為89 000m3／h，在反應(yīng)器中設(shè)置2層催化劑，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

數(shù)值模擬研究對(duì)象是從省煤器出口至空氣預(yù)熱器入口煙道系統(tǒng)，包含入口煙道、氨噴射裝置、煙道折彎處導(dǎo)流板、脫硝反應(yīng)器及出口導(dǎo)流板等。

2 數(shù)學(xué)模型

考慮物理模型的實(shí)際情況，使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程湍流模型（k為湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率）模擬煙氣和氨氣的湍流流動(dòng)?？刂莆⒎址匠痰碾x散化采用了有限差分法中的控制容積法，針對(duì)對(duì)流項(xiàng)的離散，采用了上風(fēng)差分格式，流場(chǎng)的計(jì)算采用典型的SIMPLEC算法。催化劑層流動(dòng)采用多孔介質(zhì)模型模擬［4］。

2.1.2 30 g/L甲基二磺隆施藥后對(duì)小麥安全性評(píng)價(jià)施藥后觀察各處理的小麥葉色、株高與空白對(duì)照一樣，未發(fā)現(xiàn)畸形、黃化、死苗等藥害癥狀。收獲時(shí)測(cè)產(chǎn)，各藥劑處理下小麥產(chǎn)量分別為7 197.3，7 206.8，7 323.4，7 408.1 kg/hm2，各處理與空白對(duì)照相比，存在顯著性差異，增產(chǎn)率分別是6.4%，6.5%，8.2%，9.5%（表4）。

流動(dòng)的計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程模型

式中：Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；YM為壓縮作用的修正項(xiàng)；ui為速度脈沖值；x，y為位移坐標(biāo)；xi，xj為笛卡爾坐標(biāo)；t為時(shí)間；Prk，Prε分別為k和ε的普朗特?cái)?shù)；C1ε，C2ε，C3ε為常量；μ為黏度；μt為湍流黏度；ρ為煙氣密度。

μt由下式計(jì)算

式中：Cμ為常量，一般取0.09。

催化劑部分的流動(dòng)計(jì)算采用多孔介質(zhì)模型。計(jì)算時(shí)主要考慮其阻力系數(shù)，阻力系數(shù)C2t計(jì)算公式為

式中：vt為煙氣流速；Δp為通過(guò)該催化劑的壓降。同時(shí)，催化劑內(nèi)部流動(dòng)采用層流模型計(jì)算［5］。

3 邊界條件

SCR反應(yīng)器煙道入口和噴氨格柵（AIG）入口設(shè)置為均勻速度入口邊界條件。根據(jù)熱電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算得到鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）工況下煙氣入射速度為2.9m／s。系統(tǒng)設(shè)計(jì)脫硝率為90%，要求噴入氨氮比為1∶1，由氨氣量計(jì)算得到AIG噴管入口速度為48m／s（其中k和ε的來(lái)流邊界值根據(jù)來(lái)流速度和入口尺寸按經(jīng)驗(yàn)公式給出）。煙道出口為OUTFLOW邊界條件，固體壁面和導(dǎo)流板設(shè)為WALL。各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

表1 各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

根據(jù)SCR反應(yīng)器的外形特點(diǎn)和煙氣的組分特性，在數(shù)值模擬模型設(shè)置時(shí)做如下假設(shè)：（1）流動(dòng)為定常流動(dòng)，不考慮非穩(wěn)態(tài)過(guò)程；（2）不考慮煙氣中灰分對(duì)流動(dòng)的影響；（3）假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)絕熱且無(wú)漏風(fēng)；（4）不考慮煙道及導(dǎo)流板厚度對(duì)流場(chǎng)的影響。

4 計(jì)算結(jié)果和分析

4.1 導(dǎo)流板對(duì)SCR反應(yīng)器煙氣速度場(chǎng)的影響

圖2為BMCR工況下，SCR系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器中心截面處混合煙氣速度場(chǎng)云圖。由圖2可以看出，設(shè)置導(dǎo)流板對(duì)混合煙氣的速度場(chǎng)有很大的作用，尤其是在煙氣大角度折流處（如反應(yīng)器塔頂轉(zhuǎn)向室），此處煙氣將經(jīng)過(guò)近180°的折流：在未設(shè)置導(dǎo)流板的情況下，拐角后同一橫截面的煙氣流速出現(xiàn)較大偏差，導(dǎo)致煙氣在進(jìn)入催化劑層之前的速度極不均勻，影響催化劑層的反應(yīng)效率和使用壽命；相反，此處在設(shè)置導(dǎo)流板后，混合煙氣的流場(chǎng)均勻性得到了很大的改善。由圖2b可看出，在混合煙氣進(jìn)入反應(yīng)器后，以較高流速通過(guò)垂直向上的煙道，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向室后，由于導(dǎo)流板設(shè)計(jì)和整流器布置合理，使得煙氣在轉(zhuǎn)向室后的流場(chǎng)分布均勻，無(wú)渦流和旋流現(xiàn)象發(fā)生，且煙氣流速與豎直方向夾角小于9°，完全能夠滿(mǎn)足催化器對(duì)煙氣流速的技術(shù)要求［6］。

圖2 反應(yīng)器中心截面混合煙氣速度云圖

圖3為SCR反應(yīng)器催化劑層上游0.5m處截面混合煙氣的速度等勢(shì)圖。由圖3可以看出：未設(shè)置導(dǎo)流板時(shí)，在進(jìn)入催化劑層之前，靠近轉(zhuǎn)向室內(nèi)側(cè)壁面處有明顯的速度低區(qū)（平均速度約為1.0m／s），大大低于截面平均速度2.5m／s；而設(shè)置導(dǎo)流板后，此處截面速度較為均勻，其速度偏差約為9.3%且無(wú)速度低區(qū)存在，滿(mǎn)足催化劑層對(duì)速度均勻性的要求。

4.2 SCR反應(yīng)器氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖3 第1層催化劑上游0.5m處速度等勢(shì)分布圖

合理的噴氨格柵布置，能使噴入的氨水均勻分散在煙氣中，分布均勻的氨／氮氧化物混合煙氣能在催化劑層作用下高效發(fā)生反應(yīng)生成氮?dú)猓_(dá)到脫除氮氧化物的目的［7-8］。圖4顯示了BMCR工況下，SCR系統(tǒng)反應(yīng)器中心截面氨氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況。

圖4 反應(yīng)器中心截面NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

由圖4可以看出：該噴氨格柵的布置設(shè)計(jì)較為合理，能夠使得氨氣在混合煙氣的紊流以及整流器的整流作用下，較為均勻地分布在混合煙氣中；在整流器之后的反應(yīng)區(qū)中，基本無(wú)明顯的氨氣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低區(qū)。

圖5為BMCR工況下第1層催化劑上游0.5m處橫截面NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，由圖5可以看出：該結(jié)構(gòu)反應(yīng)器能夠保證氨氮混合煙氣在進(jìn)入催化劑層之前充分、均勻地混合。在實(shí)際工程應(yīng)用中，經(jīng)過(guò)第1層催化劑層的整流，混合煙氣的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)將更為均勻，以便進(jìn)入后排催化劑層進(jìn)行高效反應(yīng)。

4.3 SCR反應(yīng)器整體壓力降

圖6為SCR反應(yīng)器混合煙氣通流過(guò)程中壓力降圖，由圖6可以看出：在BMCR工況下，在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中，混合煙氣的主要壓力損失在催化劑層中，反應(yīng)器煙氣整體壓力降約為625 Pa，其中單層催化劑層的壓力損失約為200 Pa；該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，在滿(mǎn)足流場(chǎng)和濃度場(chǎng)均勻性的條件下，壓力損失仍然滿(mǎn)足要求。

圖5 第1層催化劑上游0.5m處NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

圖6 BMCR工況下SCR反應(yīng)器混合煙氣壓力降

5 結(jié)論

（1）SCR系統(tǒng)反應(yīng)器由于布置結(jié)構(gòu)的不同，內(nèi)部的流場(chǎng)分布可能并不符合其工作要求，此時(shí)需要設(shè)置合理的導(dǎo)流裝置改善其內(nèi)部流動(dòng)，本文提出的系統(tǒng)導(dǎo)流方案能較好地改善系統(tǒng)的流場(chǎng)分布，使其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（2）SCR反應(yīng)器在運(yùn)行中，要求通過(guò)的煙氣與還原劑（NH3）充分、均勻混合，噴氨格柵結(jié)構(gòu)以及布置位置應(yīng)設(shè)計(jì)合理，否則氨水不能均勻分布在混合煙氣中，仍然不能高效脫除氮氧化物。

（3）合理的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠使SCR反應(yīng)器的煙氣流動(dòng)速度場(chǎng)和氨氣濃度場(chǎng)均勻，且讓煙氣以盡量低的壓力損失通過(guò)SCR反應(yīng)器。

［1］張強(qiáng)，許世森，王志強(qiáng).選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)進(jìn)展及工程應(yīng)用［J］.熱力發(fā)電，2004（4）：1-6.

［2］徐芙蓉，平恒，姜柏卿，等.三河電廠二期工程SCR脫硝裝置流場(chǎng)的模型試驗(yàn)和數(shù)值分析［J］.熱力發(fā)電，2007（11）：28-32.

［3］Rogers K J，Nolan P S.SCR reactor performance profiling and results analysis［C］／／The US EPA／DOE／EPRICombined Power Plant Air Pollutant Control Symposium.Chicago：The Babcock＆Wilcox Company，2001.

［4］ZHANG X G，ROMZEK M，MORGAN C.3-D numerical study ofmixing characteristics of NH3in front of SCR［C］／／Powertrain＆Fluid Systems Conference.Toronto：SEA，2006.

［5］GRETTAW J，GREENHUT D.The design and operation of the unit 1 SCR at the CP＆L Roxboro Plant［C］／／Electric Power Conference.Houston：EPRI，2003.

［6］王松嶺，董建勛，李辰飛，等.火電廠SCR煙氣脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)方法研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（25）：289-293.

［7］趙宗讓.電廠鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.中國(guó)電力，2005，38（11）：69-72.

［8］張彥軍，高翔，駱仲泱，等.SCR脫硝系統(tǒng)入口煙道設(shè)計(jì)模擬研究［J］.熱力發(fā)電，2007（1）：15-17.

（本文責(zé)編：劉芳）

X 701

：A

：1674-1951（2015）04-0064-03

曹瑋（1984—），女，山東兗州人，工程師，工學(xué)碩士，從事電廠節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)等方面的工作（E-mail：170764736＠qq. com）。

2014-10-13；

2014-12-20