數(shù)值模擬在SCR煙氣脫硝系統(tǒng)流場優(yōu)化的應(yīng)用研究

秦翠娟

摘要：利用FLUENT14.0軟件對某330MW燃煤機組SOR脫硝煙氣系統(tǒng)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，導(dǎo)流板和整流板的配合布置，可對SOR反應(yīng)器內(nèi)速度場進(jìn)行調(diào)整，并達(dá)到設(shè)計要求。還原劑的濃度場與速度場密切相關(guān)，噴氨布置與速度場相匹配，有利于還原性氣體與N0x的混合，噴氨分區(qū)控制是實現(xiàn)噴氨與速度場匹配的有效方案之一。數(shù)值計算結(jié)果為導(dǎo)流板、整流板、噴氨布置等的設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SOR脫硝；數(shù)值模擬；流場；噴氨分區(qū)

引言

氮氧化物NOx是燃煤機組釋放的主要污染物之一，在NOx處理技術(shù)中，選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在催化劑的作用下，以NH₃作為還原劑，“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無毒無污染的N₂和H₂O。

SCR脫硝反應(yīng)器中煙氣流場、溫度場的分布以及還原劑（NH，）與NOx的混合效果是脫硝效果好壞的決定因素，它不但影響最終的脫硝效率及氨逃逸率，還對脫硝系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。要了解一個SCR反應(yīng)器的設(shè)計結(jié)構(gòu)是否滿足實際工程要求，除了采用傳統(tǒng)的物理冷態(tài)模型進(jìn)行驗證外，目前比較流行的是采用流體力學(xué)技術(shù)（CFD）進(jìn)行分析、預(yù)測。

采用數(shù)值模擬方法，對某電廠330MW燃煤機組（一個鍋爐配兩臺反應(yīng)器）單反應(yīng)器的SCR系統(tǒng)流場進(jìn)行優(yōu)化計算，分析反應(yīng)器的流場分布情況，提出保證流場均勻性的措施，保證反應(yīng)器前的NOx和氨氣達(dá)到良好的湍流混合，速度分布以及還原劑濃度分布最佳，系統(tǒng)壓力損失最小。

1模擬對象與方法

1.1模擬對象

某電廠330MW燃煤機組每臺鍋爐配置兩臺SCR反應(yīng)器，以鍋爐中心線鏡像布置，故數(shù)值模擬僅以單側(cè)反應(yīng)器作為研究對象，如圖1所示。研究范圍包括：省煤器出口到SCR脫硝裝置的連接煙道系統(tǒng)、煙道導(dǎo)流板、噴氨裝置、整流板、反應(yīng)器及SCR反應(yīng)器出口至空氣預(yù)熱器的連接煙道系統(tǒng)，SCR反應(yīng)器中布置三層催化劑。煙氣接省煤器出口進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)系統(tǒng)，通過水平煙道，經(jīng)彎頭進(jìn)入豎直煙道，其中噴氨格柵布置在豎直煙道段，還原性氣體（氨空氣混合氣）由此進(jìn)入脫硝系統(tǒng)，煙氣與還原性氣體開始混合，再經(jīng)過一個彎頭及反應(yīng)器斜頂，轉(zhuǎn)彎180進(jìn)入布置有催化劑層的脫硝反應(yīng)器，在催化劑作用下，煙氣中的氮氧化物與氨氣反應(yīng)生成水和氮氣，經(jīng)過脫硝后的煙氣由出口煙道引出。

1.2模型方法

對SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行流場優(yōu)化模擬是基于N-S流動控制方程的求解。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬氣體湍流流動。采用Species物質(zhì)輸運模型模擬NH3在煙氣中的混合與擴散，但不涉及化學(xué)反應(yīng)。催化劑結(jié)構(gòu)模擬采用多孔介質(zhì)模型，保證模擬阻力與實際阻力接近。

為方便數(shù)值模擬計算，對SCR煙氣脫硝系統(tǒng)模型的邊界條件及流體參數(shù)進(jìn)行了如下簡化和假設(shè)：將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；假設(shè)煙氣為單相氣體，不考慮粉塵對流場的影響；假設(shè)SCR系統(tǒng)進(jìn)口處煙氣速度分布均勻；在CFD模型中忽略一些對流場影響較小的內(nèi)部構(gòu)造（構(gòu)架、梁等），不考慮SCR系統(tǒng)進(jìn)口處的灰斗。

1.3擬達(dá)到的技術(shù)目標(biāo)

基于在鍋爐BMCR工況、處理100%煙氣量條件下設(shè)計方案。SCR部分的催化劑層數(shù)按2+1層方案進(jìn)行設(shè)計，以達(dá)到下列技術(shù)要求：

（1）第一催化劑層上方0.5米截面的速度分布要求：速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15%，角度最大偏差小于10°；

（2）第一催化劑層上方0.5米截面的溫度分布要求：最大絕對偏差±10℃；

（3）第一催化劑層上方0.5米截面的NOx/NH₃比率分布要求：相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。

2計算結(jié)果及分析

2.1速度分布特性分析

根據(jù)物理模型的外形，速度場調(diào)整的難點在于省煤器出口后水平煙道的擴張變化較大，且脫硝反應(yīng)器中心線嚴(yán)重偏離了省煤器（鍋爐）中心線。煙氣經(jīng)過水平煙道的擴張段時，并不能立刻沿?zé)煹劳庑螖U張開來，且不能立刻將煙氣由省煤器中心線分配至脫硝反應(yīng)器中心線，如圖2所示，煙氣聚集在Z正方向側(cè)的煙道，接著擴張后的煙氣受煙道壁面的作用，沿?zé)煹老騔負(fù)方向流動，這就造成了沿z方向的分速度，增加了流場的不均勻性。

為了校正煙氣沿Z向的扭變，沿Z方向分別設(shè)計三組導(dǎo)流板，如圖3所示，擴張段設(shè)置一組導(dǎo)流板，對煙氣進(jìn)行分流，并且消除擴張段引動的大渦流（如圖2所示）；擴張段后進(jìn)入豎直段的彎頭處設(shè)置一組導(dǎo)流板，對煙氣沿Z負(fù)向的分速度進(jìn)行校正，調(diào)整噴氨前煙氣沿z方向的均勻分配；進(jìn)入脫硝反應(yīng)器前水平煙道與反應(yīng)器斜頂?shù)南嘟游恢迷O(shè)置一組導(dǎo)流板，進(jìn)一步減弱煙氣沿Z方向的分速度，保證進(jìn)入催化劑層的角度偏差滿足設(shè)計要求。

圖4為SCR反應(yīng)器中心截面速度分布云圖，可以看出：煙氣經(jīng)導(dǎo)流板、整流板后，到達(dá)首層催化劑層的速度均勻性良好。圖5為第一催化劑層上方0.5m位置處的速度分布云圖，計算數(shù)據(jù)顯示，第一催化劑層上方0.5m位置處的速度偏差約為4%，滿足煙氣速度分布偏差≤±15%的要求。整流板對進(jìn)入第一層催化劑的氣流方向有極其重要的作用，導(dǎo)流板與整流板必須配合使用，才能保證速度場滿足設(shè)計要求。

2.2濃度分布特性分析

通過擴張段導(dǎo)流板、彎頭處導(dǎo)流板的優(yōu)化布置，調(diào)整噴氨位置速度場如圖6所示。若按噴氨均勻布置，反應(yīng)器內(nèi)第一催化劑層上方0.5m處的NH3濃度分布如圖7所示。圖6中噴氨前截面速度高的區(qū)域按幾何關(guān)系相應(yīng)地對應(yīng)著圖7中NH₃濃度較低的區(qū)域，圖6中速度低的區(qū)域按幾何關(guān)系相應(yīng)地對應(yīng)著圖7中NH₃濃度高的區(qū)域，這說明了速度場與濃度場的密切關(guān)系。計算結(jié)果分析，NH₃/NOx混合濃度偏差大于5%，不滿足設(shè)計要求。

由于擴張段變化較大，且豎直煙道中心線（同脫硝反應(yīng)器中心線）嚴(yán)重偏離了省煤器中心線，因此這段流場調(diào)整難度較大，噴氨截面速度場的調(diào)整存在著很大的局限性，進(jìn)而考慮對噴氨格柵布置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。這里提出噴氨分區(qū)布置的方案，即噴氨格柵（噴孔）仍然保持均勻布置，但噴氨管分區(qū)控制，將整個噴氨格柵區(qū)域分成若干噴氨分區(qū)，各噴氨分區(qū)單獨控制氨流量，由此對各分區(qū)位置的流場進(jìn)行單獨匹配，流速高的區(qū)域，匹配大于1的噴氨量系數(shù)，流速低的區(qū)域，匹配小于1的噴氨量系統(tǒng)。但各噴氨分區(qū)的噴氨系數(shù)盡量要求控制在0.9～1.1之間。通過噴氨的分區(qū)控制后，第一催化劑層上方0.5米處NH₃濃度分布如圖8所示，計算數(shù)據(jù)顯示，NH₃/NOx混合濃度偏差小于5%。

2.3溫度分布特性分析

省煤器出口煙氣溫度386℃，在噴氨格柵處，氨空氣混合氣溫度約為400℃，開始產(chǎn)生溫度梯度，但氨空氣混合氣占煙氣量的1%都不足，可認(rèn)為噴氨后，氨空氣混合氣迅速被冷卻或加熱，整個煙氣的溫度梯度很快變小至可以忽略。第一催化劑層上方0.5米截面溫度分布如圖9所示。與圖8對比，兩圖的形狀基本一致，這是因為當(dāng)煙氣自身無溫度梯度、氨空氣混合氣自身無溫度梯度時，而兩者溫度不同，僅當(dāng)兩者開始混合時才存在熱交換，溫度場的熱交換狀況取決于兩股氣的混合隋況，因此，溫度場與濃度場的分布云圖具有相似性。

3結(jié)論

通過對上述脫硝項目的數(shù)值模擬，并對脫硝系統(tǒng)的速度場、濃度場、溫度場進(jìn)行分析，提出了一套可滿足工程設(shè)計要求的流場設(shè)計方案，其中包括導(dǎo)流板、整流板、噴氨格柵的設(shè)計，為SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計提供參考依據(jù)。

（1）導(dǎo)流板的加裝可以有效提高煙氣速度場和還原劑濃度場的均勻性，整流板與導(dǎo)流板協(xié)同設(shè)計，才能使得進(jìn)入催化劑層的煙氣速度場滿足設(shè)計要求。

（2）濃度場與速度場緊密關(guān)聯(lián)，噴氨布置與速度場的良好匹配，有利于實現(xiàn)還原性氣體與NOx的均勻混合。噴氨分區(qū)控制是一種有效實現(xiàn)濃度場與速度場匹配的手段。

（3）一般電廠脫硝工程中，還原性氣體（氨空氣混合氣）量不足煙氣量的1%，如果省煤器入口溫度場均勻，那么脫硝反應(yīng)器內(nèi)溫度場很容易滿足設(shè)計要求。

（作者單位：中建中環(huán)工程有限公司）