基于FLUENT模擬的SCR反應(yīng)器流場優(yōu)化

李 朋，陳紅兵，余 冰，高燕武

(華能國際電力股份有限公司長興電廠，浙江 長興 313105)

SCR技術(shù)是燃煤電廠NOx控制的主流技術(shù)。脫硝效率以及氨的逃逸是衡量脫硝系統(tǒng)性能的兩個非常重要的指標(biāo)。SCR反應(yīng)器中空氣動力場的分布是影響兩個指標(biāo)的重要因素。如何更加合理地設(shè)計反應(yīng)器入口煙道和導(dǎo)流板的布置成為影響脫硝效率的關(guān)鍵[1-2]。

在設(shè)計SCR脫硝系統(tǒng)時，需要考慮催化劑的選擇，SCR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、煙道布置以及導(dǎo)流板的設(shè)置情況進(jìn)行綜合的評定。對于催化劑的選擇，一般只需考慮脫硝效率、使用壽命等，而對于SCR反應(yīng)器則需要進(jìn)行針對性的設(shè)計和調(diào)整。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的改變會極大影響內(nèi)部空氣動力場的變化，會對反應(yīng)器內(nèi)部煙氣流速、濃度等參數(shù)產(chǎn)生影響，從而影響到催化劑層的使用年限、磨損等[3-4]。因此，在設(shè)計SCR反應(yīng)器時，在采用冷態(tài)實驗進(jìn)行模擬以外，還可以采用CFD模擬技術(shù)。

本文針對某電廠660 MW機組的SCR反應(yīng)器進(jìn)行模擬試驗研究，為煙道更加合理布置、優(yōu)化反應(yīng)器流暢、提高脫硝效率提供指導(dǎo)。

1 模型簡介

圖1為該機組的反應(yīng)器模型。反應(yīng)器本體，長9 650 mm，寬13 940 mm，高24 990 mm。該模型的數(shù)值計算，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量300萬。煙氣流量700 kg/s，煙氣溫度370℃。由于僅模擬冷態(tài)工況、反應(yīng)器內(nèi)部流場的情況，因此入口邊界條件選擇質(zhì)量流量入邊界，出口為自由流出邊界，反應(yīng)器壁面和導(dǎo)流板均為壁面邊界。

2 SCR煙道設(shè)計模擬

為了使反應(yīng)器內(nèi)部能夠具有一個良好的空氣動力場，利用CFD模擬軟件對煙道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)行一系列的模擬研究，從而能夠通過簡單的方式獲得較為理想的方案。SCR反應(yīng)器模型整體視圖如圖1所示。

圖1 SCR反應(yīng)器模型整體視圖

對內(nèi)部導(dǎo)流板的布置，分別制訂以下方案。

2.1 方案A(不加導(dǎo)流板)

不加導(dǎo)流板的模擬結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看到，反應(yīng)器內(nèi)部的流場極其不均勻，由于煙氣流動的慣性作用，反應(yīng)器內(nèi)煙氣的高速區(qū)域集中在入口上升煙道的右側(cè)，水平煙道的拐角及上側(cè)，以及反應(yīng)區(qū)域的右側(cè)，并且集中區(qū)域很窄。在塔內(nèi)形成較大的回流區(qū)，造成了極不理想的空氣動力場分布，必將導(dǎo)致氨與煙氣的混合不均勻，導(dǎo)致脫硝效率的降低。

圖2 方案A模擬結(jié)果

2.2 方案B(在NO.2和NO.3轉(zhuǎn)角處加入弧形導(dǎo)流板)

方案B的模擬結(jié)果如圖3所示。在NO.2轉(zhuǎn)角處加入了4塊圓形導(dǎo)流板，水平煙道流場得到有效改觀，但并不是非常理想。在NO.3轉(zhuǎn)角處均勻加入了七塊弧形導(dǎo)流板，可以清晰地看到高流速區(qū)在向左側(cè)轉(zhuǎn)移，但是整體反應(yīng)區(qū)域的流場仍不均勻。這可能是由于NO.1轉(zhuǎn)角處未設(shè)置導(dǎo)流板，導(dǎo)致上升煙道的流場分布不均勻，使得水平煙道后部出現(xiàn)速度滯止區(qū)。

圖3 方案B模擬結(jié)果

2.3 方案C(在NO.1轉(zhuǎn)角處加裝弧形導(dǎo)流板)

方案C模擬結(jié)果見圖4。

在1號轉(zhuǎn)彎處，為了盡量避免由于導(dǎo)流板的設(shè)置而增加煙氣的壓力損失，只加裝了4塊弧形的導(dǎo)流板，使左側(cè)上升煙道煙速分布更加均勻，可以有效優(yōu)化氨與煙氣前期的混合，再進(jìn)入反應(yīng)器后能達(dá)到良好的均勻度。從圖4中可以看出，加裝導(dǎo)流板后，不管是上升煙道，水平煙道以及反應(yīng)器中的流速分布都較前兩種布置方式有明顯的改觀。

圖4 方案C模擬結(jié)果

通過圖2至圖4的對比可知，方案1和方案2沒有在1號轉(zhuǎn)角處添加導(dǎo)流板，不管2號和3號轉(zhuǎn)角如何設(shè)置導(dǎo)流板，都沒法在反應(yīng)器內(nèi)部達(dá)到良好的空氣動力場，在上升煙道流速右偏，接而導(dǎo)致水平煙道和反應(yīng)器內(nèi)部流速分布的不均勻。因此，1號轉(zhuǎn)角的導(dǎo)流板是必須添加的，這在實際的運行設(shè)備中并沒有加裝。在1號轉(zhuǎn)角處加裝導(dǎo)流板之后，流場的分布得到了明顯改善，這對反應(yīng)器內(nèi)部的催化還原反應(yīng)是十分有利的，不僅對反應(yīng)本身，也對催化劑的使用壽命，催化劑層的積灰等都是有重要意義的。因此，方案3的導(dǎo)流板設(shè)置較為合理，可以作為原廠反應(yīng)器改造的設(shè)計參考。

3 結(jié)語

(1)通過對煙道導(dǎo)流板設(shè)置的模擬結(jié)果分析可知，方案3的結(jié)果最為合理，可以作為工程實際參考。

(2)通過模擬能夠直觀看到反應(yīng)器內(nèi)部流場的分布，流速與導(dǎo)流板設(shè)置的相互關(guān)系，從而利用FLUENT模擬軟件對這種工程應(yīng)用問題的實際可操作性。

(3)與現(xiàn)場試驗相比，利用FLUENT模擬軟件進(jìn)行煙氣流場的分布設(shè)計，能夠快速有效地得到理想的設(shè)計方案，相較于傳統(tǒng)的試驗具有成本低、周期短等有利因素。