SCR脫硝反應(yīng)器入口優(yōu)化與仿真模擬

歐文劍*

（大唐湘潭發(fā)電有限責任公司）

0 引言

氮氧化物是燃煤電廠鍋爐燃燒后生成的燃燒產(chǎn)物之一，對環(huán)境的危害非常大，也是產(chǎn)生酸雨的元兇之一，當前我國的氮氧化物環(huán)境容量已經(jīng)接近飽和[1]，因此，研究和推廣效率更高的燃煤電廠脫硝控制方法十分必要。

在SCR 鍋爐煙氣的脫硝反應(yīng)過程仿真研究方面，國內(nèi)的研究人員通過數(shù)值計算對入口煙道的流場、溫度分布、濃度分布展開了相關(guān)的研究工作。劉清雅等[2]用CFD 計算軟件對某600MW 鍋爐的SCR 脫硝裝置進行了數(shù)值計算仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，還原劑氨在雙層噴氨格柵布置情況下比單層噴氨格柵布置分布得更加均勻，煙道導(dǎo)流板數(shù)量增加更有助于流場的優(yōu)化，同時這兩種方法又會導(dǎo)致反應(yīng)器沿程的阻力增加。

把湖南某電廠600 MW 鍋爐SCR 煙氣反應(yīng)器裝置作為研究對象，對該裝置投產(chǎn)以來的實際生產(chǎn)情況以及運行中存在的問題進行調(diào)查總結(jié)和分析，將幾個典型的工況下以及不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下采用 Fluent軟件對該 SCR 反應(yīng)器裝置開展模擬實驗， 最終提出該裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 S CR反應(yīng)器的工藝結(jié)構(gòu)與實際生產(chǎn)中的問題

該廠SCR 工藝布置方式為常用的高塵布置，也就是安裝在省煤器之后與空預(yù)器之前的煙道上。而經(jīng)過過熱器、再熱器以及省煤器之后的煙氣溫度基本為300～420 ℃，無需再對反應(yīng)器的煙氣進行加熱，常見的SCR 催化劑在該溫度區(qū)間的催化活性和效果也是最佳的，同時設(shè)備的安全性和經(jīng)濟性能也能得到保障[3]。其工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 SCR煙道布置及工藝流程圖

煙氣從省煤器出來經(jīng)過SCR 反應(yīng)器時，由于導(dǎo)流板噴氨噴嘴結(jié)構(gòu)等設(shè)備設(shè)計的影響，氨以及氮在各層的催化劑截面處不能很好地混合在一起，從而導(dǎo)致催化劑局部區(qū)域氨逃逸值相對過大。氨從截面處逃逸出來后與氧化生成的三氧化硫進一步發(fā)生反應(yīng)，而生成一種極易附著在空預(yù)器冷端的液態(tài)產(chǎn)物，即硫酸氫銨。當硫酸氫銨附著在空預(yù)器冷端的時候，往往會將煙氣中的灰塵吸附在一塊，使空預(yù)器的換熱構(gòu)件處聚集了大量灰垢，這不僅會導(dǎo)致空預(yù)器換熱效果變差，更有可能會引起空預(yù)器發(fā)生堵塞，甚至危害鍋爐安全運行[4]。

2 建立SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣流場的模型

針對煙氣在煙道內(nèi)流動特點，選擇 雙方程模型對連續(xù)相的湍流過程進行仿真；針對SCR 反應(yīng)器中的催化劑結(jié)構(gòu)，選取多孔介質(zhì)模型來描述和跟蹤流動情況[5]； SCR 脫硝系統(tǒng)中含有煙氣和氨氣以及其他物質(zhì)等等，且各種成分都混合在煙氣中，因此選擇混合物的組分傳輸模型來模擬[6]；對控制方程組求解時需進行必要的離散化，選擇Fluent 軟件有限體積法進行離散，并通過二階迎風格式求取差分方程組。選擇省煤器的出口到SCR 裝置的出口中間煙道處進行模擬，該系統(tǒng)的幾何模型如圖2 所示。SCR 反應(yīng)器裝置的接口處的尺寸為3.64 m×12.02 m，噴氨段煙道處的尺寸為3.65 m×l2.02 m，噴氨格柵設(shè)定是噴氨段煙道入口處垂直方向4.6 m 處；每層的催化劑尺寸為11.60 m×1.062 m×12.02 m，每相鄰兩層催化劑間凈距離為2.75 m。反應(yīng)器本體的位置離噴氨格柵處煙道的橫向距離為1.48 m，脫硝裝置的厚度(Z 軸方位)為12.02 m。

圖2 SCR反應(yīng)器及入口煙道的幾何結(jié)構(gòu)模型

燃燒生成煙氣從豎井煙道經(jīng)過省煤器出口，流向SCR 的入口煙道，進而通過SCR 反應(yīng)器中的催化劑，煙氣的成分是由各種其他物質(zhì)組成，各種物質(zhì)的體積分數(shù)詳見表2，在集中典型的負荷下煙氣進口的流量和溫度如表3 所示。根據(jù)表2 及表3 中的參數(shù)可以定義材料及邊界條件。

表2 省煤器出口煙氣成分（體積分數(shù)） %

表3 鍋爐典型負荷SCR反應(yīng)器進口煙氣流量和溫度值

3 S CR反應(yīng)器的仿真計算及流場優(yōu)化

3.1 未加導(dǎo)流板時的反應(yīng)器及入口煙道模擬

未加導(dǎo)流裝置的SCR 脫硝裝置中沿寬度中心截面位置的速度云圖可見圖3。由圖3 可以看出，煙道內(nèi)氣體速率分布很不均勻，反應(yīng)器的左邊區(qū)域煙氣分布較少，速率偏低，而在噴氨格柵的局部區(qū)域氣體速率竟然高達23.6 m/s，并且脫硝裝置的進口區(qū)域的煙氣流場很不均勻，左側(cè)和右側(cè)部位的速率差別比較大，而且居中的部位還存在旋渦。

圖3 未加導(dǎo)流裝置的SCR系統(tǒng)速度云圖

3.2 加裝導(dǎo)流板后的反應(yīng)器及入口煙道模擬

通過研究，在SCR 反應(yīng)器前面裝設(shè)各種形狀和一定數(shù)量的導(dǎo)流板，可以使兩側(cè)的煙氣流速差減小,煙氣流場更加均勻。經(jīng)過多次試驗和摸索,選擇在入口煙道的2 個轉(zhuǎn)角處設(shè)定幾塊相同厚度的導(dǎo)流板，使煙氣在噴氨格柵前維持良好的流場效果，裝設(shè)導(dǎo)流板后的SCR 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖和速度云圖如圖4 所示。

圖4 裝設(shè)導(dǎo)流裝置后的SCR反應(yīng)器及入口煙道速度云圖

裝設(shè)合適的導(dǎo)流裝置以后，SCR 反應(yīng)器中的煙道內(nèi)的流速已經(jīng)趨于均勻，流速偏差大大減小，從圖 4 中可以看出，煙氣流動的沿程阻力也下降了不少，這樣可以有效降低磨損的風險。提取速度云圖中的參數(shù)計算后可知，在反應(yīng)器對稱中心的界面上的速率偏差僅僅為5.44%，相較之前未安裝導(dǎo)流裝置時，流場均勻性有了較大提高。由圖 4 還可以看出，反應(yīng)器催化劑最上部分處的速度流場仍然很不均勻，沿X軸方向的氣體速率呈增大趨勢，通過提取數(shù)據(jù)，算得最大的速率偏差系數(shù)是30.18%，偏差還是比較大，需要進一步優(yōu)化煙道的結(jié)構(gòu)。

3.3 設(shè)置整流格柵后的反應(yīng)器入口煙道模擬

為了使脫硝反應(yīng)器的垂直煙道處煙氣流場更加均勻，在該裝置的最上層催化劑上部，也就是垂直煙道的進口部位設(shè)置整流格柵結(jié)構(gòu)，合理設(shè)置整流格柵能使煙氣流速偏差更小，試驗多次之后，確定相鄰的整流板距離為300 mm，整流板的高度為200 mm 時，煙道優(yōu)化的效果最好，圖5 為整流后的SCR 反應(yīng)裝置的速度云圖。

圖5 設(shè)置整流裝置后的SCR反應(yīng)器速度云圖

由圖5 可知，裝設(shè)整流裝置以后，垂直煙道沿水平方向的煙氣速度偏差明顯減少，經(jīng)過計算得出最大的速率偏差系數(shù)為Cr=9.03%，跟之前未設(shè)置整流格柵的反應(yīng)器流場相比改善了不少。

3.4 不同負荷下的CSR反應(yīng)器流場模擬

為了更加深入研究通過進口煙道優(yōu)化后的流場效果，提取實際運行中設(shè)備負荷為450 MW，240 MW的工況參數(shù)，對SCR 反應(yīng)器進口煙道的流場開展模擬研究。機組上述負荷時反應(yīng)器的參數(shù)如表4 和表5所示。

表4 集中典型工況下SCR反應(yīng)器進口介質(zhì)數(shù)據(jù)（實際運行測得）

表5 不同負荷時SCR反應(yīng)器進口介質(zhì)成分（體積分數(shù)） %

3.4.1 SCR反應(yīng)器及入口煙氣流場仿真研究

由圖6 可以得出3 種不同工況下的SCR 反應(yīng)器流場參數(shù)指標，詳見表6。

圖6 不同負荷情況下催化劑進口處速度云圖

表6 SCR反應(yīng)器變不同負荷下的流場數(shù)據(jù)

由3 種不同負荷的流場參數(shù)結(jié)果可知，由于設(shè)備負荷降低，SCR 進口煙道處以及最上部催化劑進口處的速率減小，并且位于噴氨格柵處和反應(yīng)器最上部的催化劑進口部位的速率偏差系數(shù)值相差卻很小，這說明雖然機組的工況變化比較大，但是煙氣速率偏差相差不大。

3.4.2 煙氣與氨混合模擬結(jié)果研究

從圖7 和表7 可以看出，由于設(shè)備負荷不同，SCR 脫硝裝置催化劑進口出氨的平均質(zhì)量組分相差并不大，而且速度偏差也差不多。通過模擬結(jié)果分析可知，工況改變后，反應(yīng)器的進口煙道以及催化劑進口煙氣的流速也隨之改變，反應(yīng)器內(nèi)煙氣的沿程阻力也會發(fā)生改變，但噴氨格柵處及催化劑進口處的速度相差較小，小于10%。因此由額定負荷設(shè)計的SCR反應(yīng)器及入口煙道結(jié)構(gòu)在鍋爐工況不同的情況下也能得到優(yōu)良的流場和濃度場。

圖7 不同負荷時混合結(jié)果

表7 SCR反應(yīng)器進口截面（X=10 m）處氨的濃度分布

4 結(jié)語

（1）經(jīng)過對SCR 反應(yīng)器及入口煙道的煙氣進行CFD 數(shù)值模擬，提出了具體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，并且驗證了合理布置導(dǎo)流裝置和整流裝置能夠使反應(yīng)器內(nèi)部的煙氣流場更加均勻，從而滿足設(shè)計要求的速度偏差。

（2）在煙道兩個拐角處設(shè)置導(dǎo)流板可以明顯改善催化劑上游的氨濃度場以及煙氣速度場，并且經(jīng)過優(yōu)化結(jié)構(gòu)分布后將氨濃度的相對偏差由10%以上降到5%以下。

（3）在SCR 反應(yīng)器垂直煙道的催化劑最上部設(shè)置一定間距的整流裝置對消除左右兩側(cè)的煙氣流場偏差具有明顯的作用，雖然加了整個系統(tǒng)的阻力增，但是影響并不大；同時安裝直板的整流格柵工序簡單，安裝成本低且工藝要求不高。

（4）使用CFD 軟件分別對幾種典型負荷下催化劑以及噴氨格柵處煙氣流場的均勻性進行分析，研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的SCR 反應(yīng)器及入口煙道處的系統(tǒng)阻力以及流場均勻性之間的關(guān)系。結(jié)果表明，雖然煙氣流動阻力有所增加但是仍然能夠滿足設(shè)計要求，同時流場均勻性提高顯著，這對于解決下游的空預(yù)器堵塞問題具有較大的意義。