計算流體力學軟件在火電廠SCR脫硝技術(shù)中的應(yīng)用

孫靜楠，王冠宇，秦一鳴，韓同江

(華電青島環(huán)保技術(shù)有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

大氣中的NOx是導致產(chǎn)生酸雨、霧霾和光化學煙霧等環(huán)境問題的一個主要原因。人為排放NOx主要來源包括固定污染源和移動污染源，固定污染源一般為火力發(fā)電廠、化工廠等，移動污染源主要為采用燃油發(fā)動機的交通工具。2015年我國燃煤電廠NOx排放量已達到1 310萬t，對燃煤電廠進行煙氣脫硝刻不容緩[1]。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、脫硝效率高、技術(shù)成熟、運行可靠等優(yōu)點，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)。

隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計算方法的成熟，流場模擬技術(shù)借助Ansys Fluent等商用計算流體力學(CFD)軟件，在眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。SCR脫硝系統(tǒng)受現(xiàn)場條件等因素限制，一般存在多處變截面及轉(zhuǎn)向區(qū)，如果不進行干涉，不僅會造成系統(tǒng)流速分布不均，導致相同截面不同區(qū)域催化劑所處理的煙氣量偏離設(shè)計值，進而產(chǎn)生脫硝效率降低、局部區(qū)域氨逃逸超標的現(xiàn)象；還會因煙氣入射角過大而加劇催化劑的磨損和沖蝕，也可能造成局部區(qū)域嚴重積灰，系統(tǒng)阻力升高。因此，需要通過流場模擬來確定煙道與SCR反應(yīng)器的外形結(jié)構(gòu)，并對煙道內(nèi)導流板、整流格柵、氨噴射與混合系統(tǒng)等部件進行設(shè)計優(yōu)化，才能為系統(tǒng)內(nèi)脫硝反應(yīng)的進行提供良好的入口煙氣條件。流場模擬得到的速度場、溫度場、濃度場及壓力場等計算結(jié)果可為整個脫硝系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化提供參考。

本文選取代表性的工程實例，展示流場模擬技術(shù)在火力發(fā)電廠SCR脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

1 原理

對脫硝系統(tǒng)進行流場數(shù)值模擬，可以看成求解流體的基本控制方程——質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，從而得到流體的基本物理量(如速度、壓力、溫度以及質(zhì)量濃度等)在空間各個位置上的分布，以及這些量隨時間的變化情況。

SCR脫硝系統(tǒng)中，數(shù)學模型的選取對計算結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。在初始條件下(煙氣條件、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸等)，采用湍流模型(SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)為氣相湍流)、物質(zhì)輸運模型(由于SCR反應(yīng)中的流動介質(zhì)有煙氣和噴入的氨氣，涉及流動中物質(zhì)的混合情況，需采用混合物的物質(zhì)輸運模型來模擬這一情況)以及多孔介質(zhì)模型(對于SCR反應(yīng)器內(nèi)的催化劑層壓降，將催化劑層看作多孔介質(zhì)進行模擬)，來求解質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒的方程組，求得的連續(xù)解就是速度、壓力、溫度、質(zhì)量濃度在系統(tǒng)空間內(nèi)各個位置上的值。

2 某600 MW火電機組SCR脫硝系統(tǒng)流場模擬

2.1 數(shù)學模型的建立

在流場模擬過程中，數(shù)學模型的選取有著至關(guān)重要的作用，大型火電廠SCR煙氣脫硝過程十分復雜，涉及煙氣、飛灰顆粒及還原劑的氣相湍流流動、氣固兩相流動、傳熱傳質(zhì)及流動混合等過程[2]。根據(jù)SCR系統(tǒng)實際運行環(huán)境，在滿足工程要求的條件下，對SCR系統(tǒng)內(nèi)的煙氣狀況進行假設(shè)和簡化：(1)將煙氣視為不可壓縮的流體；(2)假設(shè)SCR系統(tǒng)煙氣來流速度分布均勻；(3)催化劑床層壓降采用多孔介質(zhì)；(4)不考慮煙氣中灰分的影響。脫硝系統(tǒng)的流場模擬一般簡化為穩(wěn)態(tài)模擬，即速度、質(zhì)量濃度、溫度以及壓力等物理量不隨時間的變化而變化。

基于以上假設(shè)及簡化，SCR系統(tǒng)煙氣流場的控制方程可以表示為

?)=div(Γgrad?)+S，

根據(jù)SCR系統(tǒng)內(nèi)煙氣流動時湍流的情況，采用標準k-ε湍流模型來模擬其內(nèi)部的煙氣湍流運動。

由于脫硝系統(tǒng)中流動的介質(zhì)有鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣和注入的氨氣，因此，需要采用Species物質(zhì)輸運模型，通過求解每種組成物質(zhì)對流、擴散以及反應(yīng)源的守恒方程來模擬氨氣在煙氣中的混合與擴散。

在流場模擬過程中，如果按照實際情況繪制蜂窩式、板式等形式的催化劑床層，網(wǎng)格劃分時將生成多達幾千萬的網(wǎng)格體，因此，催化劑床層使用多孔介質(zhì)模型來進行模擬，以獲得其阻力值。

壓力損失模擬公式如下

式中：Si為i向動量源項，Pa/m；μ為流動動力黏度，Pa·s；α為介質(zhì)滲透性；vi為i向速度分量，m/s；ρ為密度，kg/m3；C2為內(nèi)部阻力因子，1/m。

2.2 網(wǎng)格的劃分及邊界條件的確定

在SCR系統(tǒng)中，流場模擬的研究對象一般起始于省煤器出口，結(jié)束于空氣預(yù)熱器入口，包含進出口煙道、氨噴射/混合裝置、煙道內(nèi)導流板、脫硝反應(yīng)器本體及其他內(nèi)部件等，幾何模型建立過程中可根據(jù)計算需要對其進行適當簡化。建模完成后進行網(wǎng)格劃分，采用數(shù)值計算方法來求解偏微分方程時，首先要對所建立的模型進行網(wǎng)格劃分將方程離散化。網(wǎng)格體是進行流場模擬和計算分析的載體，通過有限的網(wǎng)格體來表達實際空間的連續(xù)實體，劃分后網(wǎng)格體的質(zhì)量和數(shù)量對CFD流場模擬計算的精度和規(guī)模都將產(chǎn)生直接影響。

在所建立的幾何模型上采用特定的網(wǎng)格類型、網(wǎng)格單元和網(wǎng)格密度對模型中的面或體進行劃分。在噴氨格柵等尺度較小的空間區(qū)域進行網(wǎng)格加密，以保證網(wǎng)格離散化后能準確地表達幾何體，本案例中SCR模型進行網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格體總數(shù)約為780萬。最后指定邊界區(qū)域，為模型的每個區(qū)域指定名稱和類型，為后續(xù)指定模型的物理屬性、邊界條件和初始條件做好準備。

邊界條件是指在求解區(qū)域上所求解的變量或其一階導數(shù)隨地點及時間變化的規(guī)律，只有給定了合理的邊界條件才能計算出流場的解。本案例的邊界條件依據(jù)機組的運行參數(shù)設(shè)定。系統(tǒng)煙氣入口邊界條件為速度入口，氨氣入口邊界條件為質(zhì)量入口，系統(tǒng)出口邊界條件為壓力出口，模型壁面采用標準壁面函數(shù)。

2.3 根據(jù)模擬結(jié)果進行判定[3]

網(wǎng)格文件導入Ansys Fluent計算程序后，按照工程實際情況設(shè)置系統(tǒng)中速度、壓力、溫度、煙氣組分等并進行求解，迭代計算完成后運用后處理技術(shù)對計算結(jié)果進行數(shù)據(jù)研究及可視化分析。

(1)截取第1層催化劑上方0.5 m處平面做速度云圖，如圖1所示。經(jīng)計算，該截面速度分布的均勻性偏差小于15%，滿足技術(shù)要求。

圖1 第1層催化劑上方0.5 m平面速度云圖

(2)截取第1層催化劑上方0.5m處平面做氨質(zhì)量濃度云圖，如圖2所示。經(jīng)計算，該截面氨質(zhì)量濃度偏差小于5%，滿足技術(shù)要求。

圖2 第1層催化劑上方0.5 m平面氨質(zhì)量濃度云圖

(3)從圖3所示的第1層催化劑入口煙氣溫度分布圖可見，截面內(nèi)溫度分布均勻，提取數(shù)據(jù)，確認溫度分布絕對偏差小于10 ℃，滿足技術(shù)要求。

(4)由圖4所示的系統(tǒng)流線分布圖可見，流線分布均勻，無渦流現(xiàn)象，第1層催化劑上方煙氣來流與豎直方向夾角小于10°，滿足技術(shù)要求。

圖3 第1層催化劑入口煙氣溫度分布云圖

圖4 系統(tǒng)流線圖

3 結(jié)束語

CFD 流場模擬技術(shù)應(yīng)用于SCR脫硝工程設(shè)計、優(yōu)化以及改造，展現(xiàn)了較強的優(yōu)勢，可以清晰地反映設(shè)計方案與流場的相互關(guān)系。采用此項技術(shù)研究系統(tǒng)內(nèi)煙氣流場變化具有成本低、周期短等優(yōu)點，具有較強的可操作性。應(yīng)用Ansys Fluent進行火電廠SCR脫硝系統(tǒng)流場模擬工作，具有良好的預(yù)見性和實際效果，是電力行業(yè)節(jié)能減排的有力保障。在引進、消化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，加強開展CFD流場模擬技術(shù)在SCR脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，掌握核心技術(shù)，對我國加速脫硝技術(shù)國產(chǎn)化并最終獲取自主知識產(chǎn)權(quán)具有重要的意義。

[1]火電廠大氣污染物排放標準：GB 13223—2011[S].

[2]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]燃煤煙氣脫硝技術(shù)裝備：GB/T 21509—2008[S].