淺談CFD流場模擬在SCR脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用

文/李鵬飛，航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

1 CFD流場模擬說明

選擇性催化還原法SCR脫硝工藝的化學(xué)反應(yīng)原理復(fù)雜多變，包括原煙氣與氨空混合氣的混合、煙氣對流、濃度分布；各相之間的熱傳導(dǎo)；氮氧化物的還原與二氧化硫的氧化控制等。

CFD在這一過程中選擇的模型有：傳統(tǒng)的k-ε模型用以模擬煙氣湍流流動；物質(zhì)的輸運模型來模擬各種物質(zhì)間的混合；使用擴散模型來模擬SCR反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，使用均勻的多孔介質(zhì)模擬蜂窩式或板式催化劑孔結(jié)構(gòu)。用于混合、稀釋氨氣的氣體多直接抽取空氣，因其混合氣體積與需要治理的煙氣體積相差巨大，且還原反應(yīng)釋放的熱量也微乎其微。所以不考慮溫度分布對流場帶來的影響。通常模擬的過程按如下步驟進行：

1)根據(jù)SCR反應(yīng)器的初步布置形式確定SCR反應(yīng)器建模。2)根據(jù)模擬計算的需要對建模建立網(wǎng)格劃分；3)確定最終建模；4)確定各種參數(shù)和邊界條件；5)計算到收斂；6)分析計算的結(jié)果；根據(jù)計算結(jié)果對反應(yīng)器、煙道的布局和噴氨系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

2 CFD流場模擬實際工程應(yīng)用

2.1 新疆某發(fā)電廠2×330MW機組SCR脫硝項目

針對SCR改造工程進行了流場均勻性對比分析，旨在解決原方案中流場不均引起的催化劑堵塞積灰、氨逃逸及脫硝效率問題。

通過流場優(yōu)化設(shè)計，對反應(yīng)器入口煙道導(dǎo)流板進行改造，如圖所示。最終優(yōu)化方案滿足下列指標(biāo)要求：

第一層催化劑上游煙氣速度分布：相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CV小于10 %；

第一層催化劑上游煙氣入射催化劑角度（與垂直方向的夾角）：小于10°；

第一層催化劑上游溫度分布：最大絕對偏差10℃以內(nèi)；

第一層催化劑上游NH3濃度分布：相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CV小于5%。

模擬工況為：處理煙氣量1300000 Nm3/h，溫度395℃，幾何模型如圖所示。通過優(yōu)化SCR反應(yīng)器入口導(dǎo)流板，得到合理的角度、和濃度分布。

圖：第一層催化劑層上游截面速度偏轉(zhuǎn)角分布

圖：第一層催化劑層上游截面濃度分布

進入超低排放改造以來，電力行業(yè)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)由100mg/Nm3降低至50mg/Nm3，電廠通過增加催化劑安裝層數(shù)、增加氨氣噴射量等措施達到達標(biāo)排放。帶來了氨逃逸增加，硫酸氫氨堵塞空預(yù)器等問題。本項目改造前做了流場模擬優(yōu)化，對SCR反應(yīng)器入口導(dǎo)流板進行調(diào)整。調(diào)整后速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差從15.88%下降到9.55%，最大速度偏轉(zhuǎn)角由24.66°下降到9.85°，濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由10.3 6%下降到4.82%，同時整個系統(tǒng)阻力下降23Pa，整體性能提升較大。

2.2 湖南某發(fā)電廠660MW機組脫硫入口煙道流場優(yōu)化

流場模擬不僅在脫硝系統(tǒng)得到應(yīng)用，正逐步變成一種常用的設(shè)計輔助工具，如湖南某發(fā)電廠660MW脫硫機組運行后，脫硫塔入口煙道常有石膏沉積。情況嚴(yán)重時，沉積的石膏固體占據(jù)煙道截面近1/2，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。對此情況所做的流場模擬發(fā)現(xiàn)，因脫硫塔入口煙道存在直角轉(zhuǎn)彎，在低負(fù)荷運行條件下，吸收塔內(nèi)煙氣旋轉(zhuǎn)嚴(yán)重，帶動噴淋后下落的石膏漿液一同旋轉(zhuǎn)。進入入口煙道的低速區(qū)沉積下來。模擬通過在脫硫塔入口處增設(shè)導(dǎo)流板，有效地改善了入口煙氣分布，塔內(nèi)漩渦明顯減小。模擬工況為：處理煙氣量1260000 Nm3/h，溫度150℃，幾何結(jié)構(gòu)如圖所示：

圖：入口煙道布置情況

圖：模擬發(fā)現(xiàn)低速區(qū)

圖：原布置速度矢量圖

圖：增加倒流板優(yōu)化后速度矢量圖

實際改造后經(jīng)長時間運行，吸收塔入口煙道未再發(fā)現(xiàn)石膏大量堆積現(xiàn)象，驗證了流場模擬分析的正確。

3 總結(jié)

現(xiàn)在計算機技術(shù)的發(fā)展使得復(fù)雜的煙氣流動、擴散、化學(xué)反應(yīng)等在預(yù)測方面成為可能。通過CFD流場模擬可以很好的指導(dǎo)設(shè)計人員的工作，保證系統(tǒng)治理指標(biāo)的實現(xiàn)。同時在煙氣治理方面，CFD流場模擬不僅僅應(yīng)用在SCR脫硝系統(tǒng)，在濕法脫硫、半干法脫硫、濕式電除塵等設(shè)計上也得到了廣泛應(yīng)用，作用越發(fā)重要。