煙氣脫硝裝置噴氨流場(chǎng)模擬分析

溫潤(rùn)娟，井云環(huán)

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司煤炭工業(yè)技術(shù)研究院，寧夏銀川 750411）

動(dòng)力站均設(shè)有脫硝單元，用于處理煙氣中的NOx。目前煤基烯烴裝置動(dòng)力站脫硝單元采用選擇性催化還原（SCR）工藝。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一是要確保反應(yīng)器中煙氣和噴入的還原劑（氨氣）混合均勻[1]。氨在第一層催化劑床層前的濃度均勻分布將直接影響脫硝效率。

工程上實(shí)現(xiàn)煙氣和還原劑的混合方式是：還原劑（氨）由噴氨格柵噴入反應(yīng)器煙道內(nèi)，流經(jīng)裝有導(dǎo)流板、整流裝置的煙道，使得氨和煙氣達(dá)到最佳混合。若煙氣流場(chǎng)分布不均勻或噴氨格柵、導(dǎo)流板、整流裝置布置不合理，結(jié)構(gòu)不佳均會(huì)在一定程度上影響流體混合均勻性，從而降低催化劑利用率，產(chǎn)生較高的氨逃逸率[2]。氨逃逸也是行業(yè)里普遍存在且不可回避的難題。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，重點(diǎn)排查氨逃逸的原因，結(jié)合具體問(wèn)題，重點(diǎn)考察噴氨系統(tǒng)噴氨流量以及煙氣上升過(guò)程的流場(chǎng)分布問(wèn)題，從減小流體流動(dòng)阻力和提高煙氣、氨氣混合均勻性兩方面進(jìn)行優(yōu)化，為裝置優(yōu)化SCR脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)分布提供理論依據(jù)。

1 氨逃逸原因

1.1 噴氨系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)性能不佳

裝置處理負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，噴氨系統(tǒng)噴氨量不能及時(shí)調(diào)整以適應(yīng)相對(duì)的負(fù)荷和脫硝入口NOx的變化，導(dǎo)致脫硝出口NOx波動(dòng)大，瞬時(shí)噴氨量相對(duì)過(guò)大，引起氨逃逸。原始設(shè)計(jì)上煙氣入口NOx為370mg/m3，在實(shí)際工況里，儀表監(jiān)測(cè)煙氣中NOx穩(wěn)定在300mg/m3，在其他條件完好的情況下，煙氣中NOx含量的瞬時(shí)波動(dòng)可能引起短期氨逃逸。

1.2 煙氣NOx與噴氨量不匹配

脫硝入口NOx分布不均勻，同時(shí)噴氨系統(tǒng)的18個(gè)母管的閥組銹死無(wú)法動(dòng)作，導(dǎo)致噴氨格柵各噴口流量無(wú)法及時(shí)調(diào)整，還存在各噴口流量差異，這直接影響還原劑在煙氣流場(chǎng)分布的均勻性，從而導(dǎo)致局部氨逃逸高。

1.3 煙氣流場(chǎng)的不均勻，導(dǎo)致噴氨量與煙氣量不匹配

煙氣流速在煙道的橫截面各個(gè)位置不能均勻分布，尤其在煙道發(fā)生轉(zhuǎn)向后，各個(gè)部位流速不一致，可能導(dǎo)致局部氨逃逸。

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素是確保反應(yīng)器中煙氣和噴入的還原劑（氨氣）混合均勻，氨與煙氣在第一層催化劑床層前的濃度均勻分布直接影響脫硝效率。工程上實(shí)現(xiàn)混合方式是：氨由噴氨格柵噴入反應(yīng)器煙道內(nèi)，流經(jīng)裝有導(dǎo)流板、整流裝置的煙道，使得氨和煙氣達(dá)到最佳混合。若煙氣流場(chǎng)分布不均勻或噴氨格柵、導(dǎo)流板、整流裝置布置不合理，結(jié)構(gòu)不佳均會(huì)影響流體混合均勻性，從而降低催化劑利用率，產(chǎn)生較高的氨逃逸率。這也是行業(yè)里普遍存在且不可回避的難題。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析，針對(duì)供氨母管的噴氨閥組不能動(dòng)作，可能引起噴氨格柵各噴口流速不均勻，致使煙氣和氨氣在煙道內(nèi)的流場(chǎng)分布不均從而引起氨逃逸，開展噴氨系統(tǒng)單模塊流場(chǎng)模擬，從減小流體流動(dòng)阻力和提高煙氣、氨氣混勻性方面進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而確定合理的噴氨策略，為裝置優(yōu)化SCR脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)分布提供理論依據(jù)。

2 氨噴管流場(chǎng)分布模擬

優(yōu)化SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的關(guān)鍵在于保證SCR反應(yīng)器中催化劑入口的煙氣流速的均布，以保證較高的脫硝效率并有效地避免氨逃逸。由于SCR系統(tǒng)復(fù)雜，流場(chǎng)存在諸多流向改變、流通截面變化，布置導(dǎo)流部件、整流部件、催化劑床層等，流場(chǎng)各處均勻性差別很大，難以考察整個(gè)流場(chǎng)的均勻性，結(jié)合裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，選取噴氨格柵上方截面（Y=4.0m）第一層催化劑入口截面。

2.1 幾何模型的建立

建立模型如圖1所示。

圖1 噴氨格柵上方截面（Y=4.0m）至第一層催化劑入口截面網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 邊界條件

模擬邊界條件如表1所示。

表1 模擬邊界條件的選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，核算噴氨速度：5.5m/s。根據(jù)煙氣流量與煙道尺寸核算煙氣的速度為2.62m/s。

2.3 數(shù)學(xué)模型的選擇

計(jì)算模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[3]。煙氣入口為速度入口邊界條件，煙氣出口為壓力出口邊界條件，煙道壁面為無(wú)滑移、無(wú)熱傳導(dǎo)的壁面條件。最后輸出Mesh文件導(dǎo)入FLUENT求解。

2.4 模擬結(jié)果及分析

（1）六噴口截面、計(jì)算域噴氨格柵上方截面（Y=4.0m）見圖2。

圖2 豎直煙道的噴氨流場(chǎng)模擬

在沒(méi)有引入煙氣的情況下，煙道上升階段各噴口不同流速相互影響，致使流場(chǎng)分布極其紊亂。右圖為引入煙氣，在煙道上升階段，各個(gè)噴氨口不同的流速，在煙氣的影響下，未出現(xiàn)渦流的紊亂現(xiàn)象，流場(chǎng)基本沿噴射方向分布。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，煙氣流量為472 926m3/h，氨氣和空氣流量2 400m3/h，流量相差較大，在整個(gè)噴氨格柵里分布200多個(gè)噴氨口，設(shè)計(jì)噴氨的流速是煙氣流速的2倍左右，由于流量的懸殊，噴氨流場(chǎng)分布的不均性不足以影響煙道內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)分布。這在單噴管流場(chǎng)模擬中也得以確定。但各噴口速度差異會(huì)影響氨氣與煙氣混合均勻度，會(huì)導(dǎo)致局部供氨高，造成氨逃逸。煙道內(nèi)流向的改變（如煙道的轉(zhuǎn)彎），流通截面的變化（如反應(yīng)器入口的斜面），必然會(huì)引起流場(chǎng)的分離，一方面會(huì)導(dǎo)致沖刷腐蝕、煙塵沉積，另一方面流場(chǎng)分離還會(huì)影響噴氨格柵上游截面煙氣流速分布。

（2）六噴口截面、計(jì)算域噴氨格柵上方截面（Y=4.0m）至第一層催化劑入口截面。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)供氨母管上的噴氨閥組不能動(dòng)作，無(wú)法確定噴氨口流速。開展噴氨流量的變化對(duì)煙氣流場(chǎng)分布的影響。在模擬計(jì)算中，選取噴氨格柵上方截面（Y=4.0m）第一層催化劑入口截面，計(jì)算各噴口不同流速對(duì)流場(chǎng)的影響（圖3）。

圖3 煙道轉(zhuǎn)向變化的流場(chǎng)模擬

在煙氣上升段，煙氣流場(chǎng)分布較好，煙氣流向發(fā)生90°轉(zhuǎn)彎時(shí)，靠右出現(xiàn)了速度空?qǐng)鰠^(qū)。因?yàn)榱黧w在流向變化過(guò)程中被壓向外側(cè)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎外側(cè)流體壓力升高。與此相應(yīng)的彎道內(nèi)側(cè)流體壓力出現(xiàn)先降后升，速度先快后慢的現(xiàn)象。

流體流向的轉(zhuǎn)變使流體在慣性和離心力的作用下甩向外側(cè)，煙道的突然轉(zhuǎn)向迫使氣流發(fā)生轉(zhuǎn)向，而煙道內(nèi)側(cè)氣流行程轉(zhuǎn)向曲率半徑較小，受擾動(dòng)較大，就會(huì)迫使氣流沿著煙道壁面逆向流動(dòng)，從而形成渦流。煙道外側(cè)氣流行程轉(zhuǎn)向的曲率半徑較大，受擾動(dòng)較小，氣流壓力損失小，同時(shí)又受到內(nèi)側(cè)氣流擠壓，所以流速增大。因此煙氣甩向反應(yīng)器左側(cè)，右側(cè)煙氣量少，就表現(xiàn)出如圖所示，流速左高右低現(xiàn)象。

（3）六噴口截面、計(jì)算域噴氨格柵上方截面（Y=4.0m）至第一層催化劑入口截面。六噴口截面，布置導(dǎo)流板。

分析圖4，在煙道轉(zhuǎn)彎處增設(shè)導(dǎo)流板，流場(chǎng)分布相對(duì)較好。分析裝置現(xiàn)場(chǎng)的弧形導(dǎo)流板模擬情況，煙氣經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板的布置后，在90°轉(zhuǎn)向結(jié)束后，煙氣仍存在被壓向外側(cè)的趨勢(shì)。適當(dāng)?shù)貙?duì)導(dǎo)流板進(jìn)行技改，將弧形導(dǎo)流板優(yōu)化為直弧形導(dǎo)流板，兩塊導(dǎo)流板水平延長(zhǎng)段不同，模擬結(jié)果顯示，流場(chǎng)分布明顯好于弧形導(dǎo)流板。優(yōu)化后的導(dǎo)流板水平段直板可以保持導(dǎo)流效果作用，直板長(zhǎng)度滿足保持導(dǎo)流作用即可。

圖4 煙道轉(zhuǎn)彎處布置不同形式的導(dǎo)流板模擬結(jié)果

3 建議措施

1）針對(duì)裝置供氨母管上的噴氨閥組不能動(dòng)作，影響各噴氨口的噴氨量的均勻性和穩(wěn)定性，建議現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該閥組進(jìn)行檢維修或更換。

2）根據(jù)CFD的模擬，煙道轉(zhuǎn)彎處的直弧形導(dǎo)流板導(dǎo)流效果優(yōu)于弧形導(dǎo)流板，建議裝置現(xiàn)場(chǎng)煙道轉(zhuǎn)彎處的弧形導(dǎo)流板優(yōu)化為直弧形的導(dǎo)流板。