SCR脫硝反應(yīng)器數(shù)值模擬及導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

秦玉波

摘? ?要：選擇性催化還原脫硝（ SCR）反應(yīng)器入口段導(dǎo)流板的形狀和布置方式是保證脫硝效率的關(guān)鍵，使煙氣流速均勻，盡可能地分配合理通過(guò)催化劑的煙氣流量。采用 FLU EN T 軟件，采用數(shù)字模擬的方法對(duì)結(jié)構(gòu)不同的導(dǎo)流板下面的反應(yīng)器流場(chǎng)進(jìn)行分析，并對(duì)采用的多種方案進(jìn)行分析對(duì)比，最終計(jì)算出最優(yōu)的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)及反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)、系統(tǒng)阻力分布，有助于設(shè)計(jì)更為合理的煙氣脫硝系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：CFD模擬? 導(dǎo)流板? SCR脫硝

中圖分類號(hào)：TK22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（c）-0086-06

SCR選擇性催化還原脫銷技術(shù)在大型的燃煤電廠生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，主要是具有脫硝率高、技術(shù)比較成熟以及對(duì)環(huán)境沒有二次污染等特點(diǎn)。SCR脫硝裝置中對(duì)脫硝效率具有決定性影響的因素，包括煙氣流場(chǎng)、還原劑的混合效果以及分布的溫度場(chǎng)等因素，這些因素還對(duì)脫硝裝置的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。所以對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行合理的布置和設(shè)計(jì)，可以有效地對(duì)SCR反應(yīng)器設(shè)備的入口流場(chǎng)的均勻性進(jìn)行改善，并且從科學(xué)的手段提高了脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

本文的研究是基于兗州煤業(yè)榆林能化3×260t/h鍋爐煙氣脫硝裝置CFD流場(chǎng)模擬分析和研究的基礎(chǔ)之上，有效的改進(jìn)了SCR反應(yīng)器和前部煙道的導(dǎo)流板布置，采用流動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件的數(shù)學(xué)模擬的方式，對(duì)不同的方案進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響因素進(jìn)行了比較，研究得出導(dǎo)流板的最佳布置方案。

1? 模型建立

1.1 工況條件及設(shè)計(jì)參數(shù)

兗州煤業(yè)榆林能化有限公司甲醇廠熱電車間配有3×260t/h高溫、高壓煤粉鍋爐，NOX超低排放改造采用SCR工藝，反應(yīng)器截面10×6m，設(shè)置方式為“2+1”，采用板式催化劑，脫硝劑采用尿素。設(shè)計(jì)煙氣量52萬(wàn)m3/h，NOX初始濃度≤300mg/Nm3，設(shè)計(jì)脫硝效率>85%，達(dá)到煙氣超低排放指標(biāo)的要求。

1.2 CFD數(shù)值模擬

根據(jù)以上SCR脫硝裝置反應(yīng)器設(shè)計(jì)的數(shù)值參數(shù)，通過(guò)CFD前處理工具Gambit，對(duì)三維數(shù)值模型進(jìn)行1：1的建立，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在三維數(shù)值模型中，采用平行通道結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)來(lái)表示平板式催化劑，對(duì)導(dǎo)流板和整流格柵隔板的厚度可以進(jìn)行忽略。采用Tet/Hybrid或者TGrid的四面體和六面體的網(wǎng)格法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn)行加密，加密網(wǎng)絡(luò)的位置選擇在導(dǎo)流板和首層催化入口處，這樣會(huì)得出更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，CFD數(shù)值模型網(wǎng)格圖見圖1。

2? 研究方法

在對(duì)SCR脫硝裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)導(dǎo)流裝置進(jìn)行合理安裝，并對(duì)實(shí)際脫硝裝置采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在研究過(guò)程中，本文主要采用k-ε湍流模型以及多孔介質(zhì)模型等。

2.1 k-ε湍流模型

SCR脫硝裝置中煙氣在流動(dòng)過(guò)程中的方式是三維湍流流動(dòng)方式，如果要對(duì)煙氣流動(dòng)的方式進(jìn)行模擬，就要解決對(duì)湍流的問(wèn)題。在工程應(yīng)用中，SCR脫硝裝置流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法，是在質(zhì)量守恒和能量守恒的基礎(chǔ)之上，采用Reynolds時(shí)均化方程的模擬方法進(jìn)行的一種模擬方法。為了對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行更好的計(jì)算分析，本文采用雷諾平均的方法對(duì)方程進(jìn)行計(jì)算，如下列方程所示：

在k-ε湍流模型的計(jì)算公式中，k表示湍流脈動(dòng)動(dòng)能，ε表示湍流動(dòng)能耗散率，在衡量湍流強(qiáng)度及尺度的時(shí)候采用k和ε作為兩個(gè)必要的湍流統(tǒng)計(jì)量。k和ε作為空間坐標(biāo)函數(shù)，可以通過(guò)N-S方程對(duì)k和ε的輸運(yùn)方程進(jìn)行推導(dǎo)并計(jì)算出結(jié)果，SCR脫硝裝置煙氣流場(chǎng)的控制方程式可表示為：

式中φ為因變量，Γ為擴(kuò)散系數(shù)，S為廣義源項(xiàng)，u為速度矢量。對(duì)控制方程求解采用壓力耦合方程的全隱算法SIMPLE，計(jì)算步驟如下所示：

（1）u0、v0、w0為給定的初始速度分布，對(duì)各系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)的動(dòng)量方程進(jìn)行計(jì)算。

（2）p*是給定的初始?jí)毫Α?/p>

（3）依次求解動(dòng)量方程，得到與p*相應(yīng)的速度u*、v*、w*;

（4）求解壓力修正方程，得到p，由p進(jìn)一步改進(jìn)速度值;

（5）φ變量可以通過(guò)改進(jìn)后的速度進(jìn)行計(jì)算

（6）動(dòng)量離散方程系數(shù)可以通過(guò)改進(jìn)后的速度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，下一層次迭代計(jì)算的初始值可以通過(guò)改進(jìn)后的壓力進(jìn)行計(jì)算分析得出，對(duì)步驟3、4、5、6進(jìn)行重復(fù)計(jì)算分析，一直到收斂為止。

2.2 物質(zhì)輸運(yùn)模型

在SCR反應(yīng)器中，流動(dòng)介質(zhì)的成分組成包含NH3和煙氣，其中煙氣的組成包含多種物質(zhì)。本文在對(duì)SCR反應(yīng)器的脫硝過(guò)程進(jìn)行研究中，主要是對(duì)流動(dòng)的物質(zhì)混合情況進(jìn)行研究，并對(duì)多種物質(zhì)成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況進(jìn)行模擬計(jì)算，在模擬計(jì)算中采用混合物質(zhì)輸運(yùn)模型進(jìn)行分析。通過(guò)化學(xué)物質(zhì)守恒方式對(duì)無(wú)反應(yīng)成分的混合選擇進(jìn)行精確計(jì)算分析。守恒方程如下所示，

在方程公式中，ρ表示流體密度，t表示時(shí)間，表示流體的速度，表示物質(zhì)擴(kuò)散通量，Ri表示凈產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的速度，Sj表示額外產(chǎn)生的速度。在SCR的生產(chǎn)工藝中，NH3和NOx兩者相混合時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以Ri的值等于零，Si的值等于零。對(duì)于不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的混合物，只對(duì)i物質(zhì)的湍流擴(kuò)散通量Ji進(jìn)行考慮就可以了。

其中Sct是湍流施密特?cái)?shù)，（缺省設(shè)置值為0.7）。

2.3 多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)是一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要是由固體物質(zhì)構(gòu)成的骨架，以及結(jié)構(gòu)中被骨架分隔后形成的微小空隙所構(gòu)成。在數(shù)值模型的計(jì)算中，把多孔介質(zhì)模型劃分成大量的網(wǎng)格體。壓降損失的公式模型如下面公式所示。

在模型公式中，Si表示動(dòng)量源項(xiàng)，α表示介質(zhì)滲透因子，vi表示速度值，ρ表示介質(zhì)的密度，C2表示阻力因子。

3? 導(dǎo)流板優(yōu)化的目的

確保催化劑入口的條件：

（1）速度的最大偏差值在平均值的15%范圍內(nèi)。

（2）溫度的偏差值在平均值的±10℃范圍內(nèi)。

（3）氨氮摩爾比偏差值在平均值的5%內(nèi)。

（4） 確定初始和預(yù)留催化劑壓降，煙道系統(tǒng)最佳布置，減小由于SCR脫硝裝置壓降導(dǎo)致鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)壓降增大的影響。

4? 結(jié)果分析

SCR系統(tǒng)的流動(dòng)氣體主要是空氣，流動(dòng)速度值是12m/s。

4.1 優(yōu)化前數(shù)值模擬結(jié)果

優(yōu)化前SCR三維數(shù)值模擬、BMCR工況下縱向剖面、催化劑上方流場(chǎng)分布情況見圖2、圖3。

從圖2、圖3可以看到煙氣在反應(yīng)器本體中不均勻分布，首層催化劑上方最大流速12.5m/s，最小流速0.5m/s。煙氣分布的不均勻，會(huì)發(fā)生NH3與NOx不充分混合的情況，并且造成脫硝效率低導(dǎo)致脫硝裝置不能穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)方案

SCR反應(yīng)器入口煙道為楔形頂結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板形式，本文著重對(duì)以下三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬、對(duì)比。

以方案三為例，氣流均布板布置如圖4所示。

4.3 導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案數(shù)值模擬結(jié)果

在圖8和圖9中，反應(yīng)器中氣體流動(dòng)速度分布均勻，化劑上方煙氣流速最大4.0m/s。NH3與NOx混合的充分原因，主要是煙氣分布比較均勻，這樣可以提高脫硝的效率，保證了脫硝裝置的安全可靠運(yùn)行。根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

對(duì)3種方案數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行分析，第三種方案滿足SCR反應(yīng)器中對(duì)煙氣速度的基本要求。另外SCR反應(yīng)器催化劑的煙氣速度控制在3-5.5以內(nèi)，在整個(gè)反應(yīng)器截面上所占的比例達(dá)到90%以上，詳見圖10（導(dǎo)流板優(yōu)化后催化劑入口（3～5.5）m/s速度分布）。

由圖11可以看出，煙氣在經(jīng)氣流均布板進(jìn)入反應(yīng)器后，除在入口煙道對(duì)側(cè)存在小范圍的回流區(qū)域外，煙氣方向垂直于催化劑表面，也降低了催化劑孔堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)分布情況的改善，可以通過(guò)增加導(dǎo)流板和對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行合理設(shè)置進(jìn)行。

4.3 導(dǎo)流板方案對(duì)鍋爐負(fù)荷變化的適應(yīng)性

鍋爐負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，反應(yīng)器入口煙氣流速相應(yīng)變化，對(duì)入口煙氣流速分別為8m/s、12m/s、15m/s條件下的速度場(chǎng)進(jìn)行分析，如下表所示：

由上表數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)有導(dǎo)流板設(shè)計(jì)可以滿足鍋爐負(fù)荷50%-100%變化時(shí)，煙氣均布要求。

5? 結(jié)論

本文結(jié)合我公司生產(chǎn)的實(shí)際情況，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)新建的SCR反應(yīng)器進(jìn)行了多種方案的設(shè)計(jì)，最終得出直流導(dǎo)流板和弧形導(dǎo)流板兩種相結(jié)合的方案，提高了煙氣在反應(yīng)器內(nèi)的均勻分布程度，并且滿足煙氣在催化劑入口的速度要求。

采用數(shù)值模擬計(jì)算分析方法對(duì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅降低了成本，而且設(shè)計(jì)周期時(shí)間短，并且對(duì)流場(chǎng)分布要求高的煙道，可以把實(shí)際運(yùn)行的情況通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)如實(shí)的反應(yīng)出來(lái)，更加體現(xiàn)出了數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢(shì)。

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