SCR系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

文_潘志越 福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司

選擇性催化還原（SCR）技術(shù)具有脫硝效率高、運(yùn)行可靠、幾乎無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的電站煙氣脫硝技術(shù)之一。其基本原理是以氨或尿素作為還原劑，在300 ～420℃的溫度區(qū)間及催化劑的作用下，將煙氣中的NOx還原為無(wú)害的N2和H2O。深入研究SCR 技術(shù)及其工程應(yīng)用，對(duì)我國(guó)NOx減排事業(yè)意義重大。

SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣流場(chǎng)的均勻性是影響反應(yīng)器性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)催化劑中流速分布不均勻時(shí)，流速過(guò)高處會(huì)造成催化劑磨損，也使得反應(yīng)時(shí)間不充足，降低脫硝效率；流速過(guò)低處易導(dǎo)致飛灰在催化劑表面沉積、堵塞催化劑孔道，甚至影響反應(yīng)物的傳質(zhì)擴(kuò)散。因此實(shí)際工程中，SCR 系統(tǒng)對(duì)流場(chǎng)均勻性有較嚴(yán)格的要求。數(shù)值模擬具有經(jīng)濟(jì)、靈活的優(yōu)點(diǎn)，是研究SCR 系統(tǒng)流場(chǎng)的先進(jìn)方法。本文以某熱電廠170t/h 燃煤鍋爐SCR 改造項(xiàng)目為例，對(duì)SCR 系統(tǒng)建立數(shù)值模型，并分析、改進(jìn)關(guān)鍵部件布置。

1 物理模型

SCR 反應(yīng)器位于高溫省煤器與高溫空預(yù)器之間，為典型高灰型布置。反應(yīng)器本體高度為12750mm，截面尺寸4060mm×5850mm。催化劑層為的2+（1）方案，最下層為預(yù)留層。AIG 布置于豎直連接煙道中部。包括省煤器灰斗、反應(yīng)器主體以及連接煙道的初步設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。按等比例對(duì)建立模型并劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)約為220 萬(wàn)，通過(guò)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。

圖1 模擬對(duì)象示意

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

采用三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)模型模擬煙氣的流動(dòng)。其連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、組分守恒方程不贅述。

模擬湍流的核心在于湍流模型的選取。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是工程上應(yīng)用最廣泛的模型。本文采用RNGk-ε模型進(jìn)行模擬，該模型對(duì)高曲率流動(dòng)具有更好的模擬效果。RNGk-ε模型的k方程與ε方程如下：

催化劑層采用多孔介質(zhì)模型模擬。該模型實(shí)際上是動(dòng)量方程中描述壓力損失的源項(xiàng)：

由于煙氣在催化劑層中為層流流動(dòng)，壓降與流速成正比。因此忽略慣性損失項(xiàng)，從而得到以下的簡(jiǎn)化方程：

2.2 邊界條件與計(jì)算方法

采用商業(yè)軟件ANSYS FLUENT 進(jìn)行數(shù)值求解。進(jìn)口采用速度入口條件。模擬工況為SCR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況（100%BMCR），各參數(shù)由電廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工況（90%BMCR）的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算得出，如表1 所示。

表1 入口邊界條件

出口采用自由流出口條件。壓力速度耦合采用SIMPLEC 算法。為了更加精確地模擬速度場(chǎng)及出于收斂難易考慮，僅動(dòng)量方程采用二階離散格式，其余采用一階離散格式。計(jì)算殘差均設(shè)置為10-5。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 空塔布置

首先計(jì)算空塔布置的模擬結(jié)果。由圖2 可見(jiàn)，煙氣分布從灰斗出口就出現(xiàn)強(qiáng)烈不均勻性。受慣性作用，大量煙氣在水平煙道底部聚集，煙道上部出現(xiàn)明顯低速區(qū)。而水平煙道處的煙氣偏斜又嚴(yán)重影響了豎直煙道中的流場(chǎng)分布：在AIG 處，左側(cè)流速僅為9m/s 左右，而右側(cè)流速達(dá)到了15m/s 以上。過(guò)大的流速偏差難以保證煙氣與氨氣混合均勻。在反應(yīng)器上方，內(nèi)側(cè)催化劑層上方出現(xiàn)了一大范圍的漩渦區(qū)。該處的催化劑在運(yùn)行中極易發(fā)生飛灰沉積，從而影響系統(tǒng)性能。

圖2 初設(shè)方案縱向中心截面速度云圖（單位m/s）

采用相對(duì)均方根法（RMS）來(lái)量化評(píng)價(jià)流場(chǎng)均勻性。其計(jì)算公式為：

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在SCR 系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化的研究中，一般采用的是簡(jiǎn)單比較或正交實(shí)驗(yàn)法。本文采用的改進(jìn)方法為：沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向依次布置均流部件，逐步改進(jìn)流場(chǎng)。當(dāng)然，這是建立在上游流場(chǎng)影響下游流場(chǎng)，而反之上游不受下游影響的假設(shè)基礎(chǔ)之上的。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，該假設(shè)僅對(duì)超聲速流場(chǎng)成立，但對(duì)工程問(wèn)題來(lái)說(shuō)，是可接受的近似。

首先在下部拐彎處布置導(dǎo)流葉片以優(yōu)化豎直煙道中流場(chǎng)。對(duì)多種布置方案進(jìn)行了模擬，其中有兩種方案能使豎直煙道中獲得較好的流場(chǎng)分布（以下稱為A，B 方案），如圖3 所示。

圖3 局部速度分布云圖（單位m/s）

A，B 方案均布置了三組導(dǎo)流葉片?；叶放c水平煙道連接處的導(dǎo)流葉片有效緩解了煙氣向煙道底端的堆積，起到預(yù)均流作用；其后兩組導(dǎo)流葉片使煙氣完成90°轉(zhuǎn)向并均勻分布，避免了下游煙氣直接撞擊右側(cè)壁面從而導(dǎo)致AIG 處流場(chǎng)分布極度不均勻的情況的發(fā)生。兩種方案的不同之處在于，A 方案中拐角處導(dǎo)流葉片為等間距布置，B 方案中導(dǎo)流葉片間距沿拐彎外側(cè)逐漸擴(kuò)大。為更加全面地比較二者的均流性能，分別模擬了A，B 方案在100%～35%BMCR 不同負(fù)荷下的流場(chǎng)，如圖4 所示。

圖4 不同負(fù)荷下A,B 方案對(duì)比

可見(jiàn)，偏離設(shè)計(jì)工況的負(fù)荷均會(huì)引起流場(chǎng)均勻性的降低。雖然兩者在設(shè)計(jì)工況下的Cv值接近，但是隨著負(fù)荷的減小，A 方案Cv值的增大遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于B 方案。也就是說(shuō)，與等間距布置相比，非等間距布置的導(dǎo)流葉片具有更好的負(fù)荷適應(yīng)性能。因此采用B 方案。

根據(jù)同樣思路，在煙道上部拐角，反應(yīng)器上方分別布置非等間距導(dǎo)流葉片，

此時(shí)，首層催化劑前速度不均勻系數(shù)為17．8%，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。采用的改進(jìn)措施是在催化劑層上方布置整流器。整流器為格柵結(jié)構(gòu)鋼板，高度500mm，也采用多孔介質(zhì)模型模擬。整流器中流動(dòng)處于湍流區(qū)，壓降近似與流速平方成正比，因此忽略（3）式中的粘性阻力項(xiàng)，從而得到式（6）。模擬中需要設(shè)置阻力系數(shù)與孔隙率參數(shù)，如表2 所示。

表2 整流器模擬參數(shù)

不同參數(shù)的整流器的模擬效果如圖5 所示?？梢?jiàn)隨著格柵加密，其后流場(chǎng)趨于均勻，首層催化劑前的速度不均勻系數(shù)分別為13．5%，11．7%和8．2%。但值得注意的是，即使采用最小90mm 單元尺寸的整流器，反應(yīng)器內(nèi)側(cè)依然存在較大的漩渦區(qū)。實(shí)際上，這是反應(yīng)器入口前典型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該漩渦區(qū)在SCR 系統(tǒng)中并不鮮見(jiàn)，有研究甚至用“臭名昭著”來(lái)評(píng)價(jià)該漩渦區(qū)。

圖5 不同整流器速度云圖（單位m/s）

該處類似于90°擴(kuò)散急轉(zhuǎn)彎頭，而在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中屬于應(yīng)“盡量避免”的設(shè)計(jì)。為了消除該漩渦區(qū)的不利影響，在90mm單元整流器方案的基礎(chǔ)上，將兩處拐角處邊壁改為弧形結(jié)構(gòu)，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)流葉片位置，模擬效果如圖6 ～7 所示。

圖6 優(yōu)化后縱向中心截面速度云圖（單位m/s）

圖7 優(yōu)化方案與初設(shè)流速分布對(duì)比

在整流器與弧形壁面的綜合作用下，反應(yīng)器內(nèi)拐角的漩渦區(qū)得到了有效的抑制。AIG 處與首層催化劑前上的流速不均勻系數(shù)流速分別為7．56%和2．96%。整個(gè)SCR 系統(tǒng)，特別是在AIG 處與催化劑層均達(dá)到了較理想的流場(chǎng)分布。雖然系統(tǒng)內(nèi)布置較多組整流部件，并采用較小單元尺寸的整流器，但是全系統(tǒng)平均壓降為769Pa，與初設(shè)方案的735Pa 相比，并未顯著增大。

4 結(jié)論

本文建立了以RNGfalse模型、多孔介質(zhì)模型為核心的SCR系統(tǒng)數(shù)值模型，沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向逐步改進(jìn)結(jié)構(gòu)，最終完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)均流裝置的對(duì)比分析，有如下結(jié)論：

①SCR 系統(tǒng)運(yùn)行在偏離設(shè)計(jì)工況負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)流葉片的均流性能會(huì)降低。與等間距葉片相比，非等間距葉片具有更好的負(fù)荷適應(yīng)性。

②采用反應(yīng)器弧形壁面和單元邊長(zhǎng)為90mm 的整流器可以有效抑制反應(yīng)器入口拐角內(nèi)側(cè)的漩渦區(qū)，顯著提高流場(chǎng)的均勻性。③合理布置均流部件可使SCR 系統(tǒng)流場(chǎng)分布得到顯著改善，而不引起壓力損失的顯著增大。