煙氣脫硝反應(yīng)器計(jì)算流體力學(xué)模擬研究

商金軍，周 友，侯蔚然

（1.唐山三友集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063305；2.北京西山新干線除塵脫硫設(shè)備有限公司，北京 100195）

煙氣脫硝反應(yīng)器計(jì)算流體力學(xué)模擬研究

商金軍1，周 友2，侯蔚然2

（1.唐山三友集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063305；2.北京西山新干線除塵脫硫設(shè)備有限公司，北京 100195）

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中的流場與噴氨格柵設(shè)計(jì)，是影響系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用計(jì)算流體動力學(xué)模擬方法建立計(jì)算模型，對某企業(yè)的鍋爐煙氣脫硝反應(yīng)器進(jìn)行模擬研究和工程設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明，該計(jì)算流體動力學(xué)模型能夠滿足煙氣脫硝工程設(shè)計(jì)的精度要求，計(jì)算結(jié)果對工程設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義，對同類工程也具有一定的參考價值。

煙氣脫硝；反應(yīng)器；計(jì)算流體力學(xué)

1 概述

唐山某硅業(yè)有限公司的4#鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的1×480t/h高溫、高壓煤粉鍋爐，為達(dá)到國家節(jié)能減排的要求，該企業(yè)對上述鍋爐進(jìn)行了脫硝改造。脫硝裝置采用選擇性還原法（SCR），同時建設(shè)還原劑供應(yīng)系統(tǒng)，工程采取EPC總承包模式。

工程采用選擇性催化還原脫硝（SCR）工藝，每臺爐設(shè)置一個脫硝反應(yīng)器，采用高灰型SCR布置方式，即SCR反應(yīng)器煙氣引出在鍋爐高溫省煤器出口和高溫空氣預(yù)熱器之間，布置在爐后煙道的上方，不設(shè)旁路。催化劑類型為蜂窩式，層數(shù)采取“2＋1”模式布置，初裝2層，預(yù)留1層。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)煤種、鍋爐最大連續(xù)出力工況（BMCR）、處理100%煙氣量、布置2層催化劑的條件下，脫硝效率不小于83.3%（進(jìn)口NOx濃度≤600mg/Nm3，煙氣入口溫度320℃～420℃），NH3逃逸量小于3ppm， SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率小于1%。

對于脫硝裝置而言，良好的NH3/NOx混合和速度均布是保證脫硝效率的前提，也是選用經(jīng)濟(jì)合適的催化劑體積的基礎(chǔ)。SCR裝置通常置于鍋爐省煤器與空預(yù)器之間，煙氣溫度較高，且SCR反應(yīng)器同常見的過程設(shè)備相比有其自身的特點(diǎn)，如設(shè)備尺度大、煙道布置局限性大等，并對速度、NH3/NOx、溫度及飛灰的負(fù)載分布提出了相當(dāng)苛刻的要求，如通常要求第一層催化劑上表面的標(biāo)準(zhǔn)速度偏差小于10%，NH3/NOx摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%，這對化工過程設(shè)備的放大設(shè)計(jì)而言，是個全新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只能給出一些定性的分析結(jié)果，而實(shí)驗(yàn)研究亦因設(shè)備尺度的問題而受到限制。同時，常規(guī)的冷態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ碗m可以依據(jù)相似原理獲取一定準(zhǔn)則數(shù)相等條件下的煙氣速度分布規(guī)律，但對NH3的擴(kuò)散和分布以及噴氨格柵數(shù)量巨大的噴嘴與下游催化劑上方NH3的對應(yīng)關(guān)系卻無能為力。計(jì)算流體動力學(xué)（Computational FluidDynamics, CFD）工具的引入將有助于對SCR反應(yīng)器及其連接煙道內(nèi)流體流動、傳熱以及氨的擴(kuò)散過程給出一系列的定性定量分析結(jié)果，為SCR反應(yīng)器及其連接煙道的設(shè)計(jì)及工程調(diào)試積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果，對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，建立SCR反應(yīng)器及其連接煙道的設(shè)計(jì)理論和方法。采用計(jì)算流體動力學(xué)對SCR反應(yīng)器及其連接煙道內(nèi)的流體流動及氨擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示其內(nèi)部流動規(guī)律，可為工程設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。本文即為滿足該公司4#鍋爐節(jié)能減排綜合治理項(xiàng)目鍋爐脫硝工程（SCR）總承包工程的設(shè)計(jì)需要，對SCR脫硝反應(yīng)器及其連接煙道進(jìn)行了CFD模擬設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算理論及方法

穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體流動滿足如下積分形式的N-S方程：

上式中，dV為控制體，dA為差分面，Γ為預(yù)處理矩陣，其定義如下：

其中：

式①中的向量Q，F(xiàn)，G和H為求解變量、無粘通量，粘性通量及源項(xiàng)。其中：

式④～⑥中，ρ，v，E及P分別是密度、速度、總能及流體壓力。τ則為粘性應(yīng)力張量，q為熱通量?？偰芎涂傡实年P(guān)系表述如下：

2.1 湍流模型

考慮到該工程的實(shí)際情況和所擁有的計(jì)算資源，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型。由Launder和Spalding提出的二方程k-ε模型是用得最為廣泛的一種湍流模型。基于Boussinesq假設(shè)，雷諾應(yīng)力項(xiàng)可表述如下：

其中：μt為湍流粘度，在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，式中的ε為湍流動能項(xiàng)，為湍流動能耗散率，其計(jì)算式如下：

其中：Gk表示由于平均速度梯度而導(dǎo)致的湍流動能的生成量，Gb則為浮力影響導(dǎo)致的湍流動能生成量，分別表述如下：

其中：Pr1為湍流普榔頭數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中為0.85，熱膨脹系數(shù)：

在標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型中，可壓縮影響以YM來描述：

其中的湍流馬赫數(shù)Mt定義如下：

標(biāo)準(zhǔn)κ?ε模型系數(shù)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)κ?ε模型系數(shù)

2.2 主要計(jì)算內(nèi)容

（1）采用有限體積算法對SCR反應(yīng)器及其連接煙道進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改進(jìn)煙道形狀、布置及加設(shè)導(dǎo)流葉片等措施，使得第一層催化劑上表面的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差小于8%。

（2）通過數(shù)值計(jì)算，獲取了噴氨格柵上每一位置的開孔噴出的氨的流動軌跡及遷徙規(guī)律，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過調(diào)整開孔位置及大小，使得第一層催化劑上表面的NH3/NOx摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4%。

（3）對BMCR在50%～75%負(fù)荷等不同工況下的煙氣速度分布及氨擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行分析，使其在任一工況下的速度及NH3/NOx摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差滿足上述數(shù)值。

（4）對飛灰在SCR反應(yīng)器及其連接煙道中的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了分析，得出理論上可能發(fā)生積灰的部位，并通過聲波吹灰、振打裝置、加設(shè)灰斗等工程措施加以改進(jìn)。

（5）對實(shí)際運(yùn)行的煙氣脫硝裝置用網(wǎng)格法測得各層催化劑上表面的速度、NOx等參數(shù)的分布規(guī)律并對數(shù)值計(jì)算進(jìn)行修正，同時將結(jié)果應(yīng)用于系統(tǒng)的調(diào)試及運(yùn)行優(yōu)化。

3 工程應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)

該公司4#機(jī)組SCR反應(yīng)器進(jìn)口的煙氣參數(shù)參見表2。

3.2 計(jì)算模型

CFD分析基于北京某除塵脫硫設(shè)備有限公司的總體煙氣系統(tǒng)布置，在此基礎(chǔ)上對煙氣系統(tǒng)的導(dǎo)流葉片、整流設(shè)施以及噴氨格柵進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以滿足“2 計(jì)算理論及方法”中所述的偏差分布要求。

SCR煙氣系統(tǒng)的布置情況如圖1所示。CFD分析的入口邊界條件參見表3（1）、（2）。

根據(jù)圖1布置圖建立CFD分析模型及網(wǎng)格模型分別如圖2、圖3所示。

表2 SCR反應(yīng)器進(jìn)口煙氣參數(shù)

圖1 SCR煙氣系統(tǒng)布置圖

表3 CFD模型邊界條件（1）

表3 CFD模型邊界條件（2）

圖2 CFD分析模型

圖3 CFD網(wǎng)格模型

圖4 截面速度分布

圖5 截面壓力分布及氨氮摩爾比分布

3.3 分析計(jì)算結(jié)果

該項(xiàng)目對100%、75%、50%三個典型工況下的流場和濃度場進(jìn)行了CFD模擬，因篇幅所限，本文以100%負(fù)荷條件下分析結(jié)果為例。反應(yīng)器截面的速度分布及氨氮摩爾比分布見圖4、圖5。截面的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差如表4所示。標(biāo)準(zhǔn)偏差約為8%，完全滿足并優(yōu)于第一層催化劑上表面速度標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于10%的要求。截面的氨氮摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差見表5，標(biāo)準(zhǔn)偏差值小于4%，完全滿足并優(yōu)于第一層催化劑上表面氨氮摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于5%的設(shè)計(jì)要求。

表4 截面的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差

表5 截面氨氮摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差

根據(jù)以上CFD模擬結(jié)果優(yōu)化得出的反應(yīng)器及連接煙道流場設(shè)計(jì)措施和噴氨格柵設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 反應(yīng)器及連接煙道流場及噴氨格柵設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

經(jīng)優(yōu)化后的煙道和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，滿足了該公司4#鍋爐綜合治理脫硝工程（SCR）的相關(guān)要求，即SCR反應(yīng)器頂部入口截面上的煙氣速度分布最大允許偏差為10%～15%，煙氣溫度分布最大允許偏差為10℃～15℃，NH3/NOx摩爾比分布最大允許偏差為5%～10%。同時該工程于2013年12月投運(yùn)以來，運(yùn)行指標(biāo)完全滿足了設(shè)計(jì)要求，對同類工程提供流場和濃度場設(shè)計(jì)具有較好的參考意義。

Simulating Study on Computational Fluid Dynamics of Flue Gas Denitration Reactor

SHANG Jin-jun, ZHOU You, HOU Wei-ran

X701

A

1006-5377（2015）04-0049-04