燃煤電廠SCR煙氣脫硝系統優化流場分析

孫琦明，施平平，謝 芳

(浙江藍天求是環保集團有限公司，杭州 310012)

燃煤電廠SCR煙氣脫硝系統優化流場分析

孫琦明，施平平，謝 芳

(浙江藍天求是環保集團有限公司，杭州 310012)

以合山電廠600MW燃煤鍋爐SCR脫硝反應系統的優化流場分析為例，研究數值模擬和冷態試驗在電廠SCR系統流場分析中的應用。結果表明，數值模擬和冷態試驗結果較為吻合，驗證了數模優化方案的可行性。其中，速度場、濃度場和壓降都滿足設計要求，煙氣經整流格柵優化后可以垂直進入催化劑層，模型中無明顯積灰。

SCR系統;數值模擬;冷態試驗;流場

煤燃燒過程中產生的NOx是造成大氣污染的主要來源之一。針對燃煤煙氣NOx的治理，迄今已開發出多種NOx控制技術[1]。其中，選擇性催化還原反應（SCR）脫硝技術以其技術成熟、脫硝率高、經濟適用性好等優點成為大型燃煤電站煙氣脫硝技術的主要選擇[2、3]。在SCR反應系統中，煙氣的流動特性是影響催化劑的有效利用和脫硝率的重要因素之一[4、5]。實際SCR工程應用中，一般采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術（或稱數值模擬）與冷態試驗模擬相結合對SCR系統進行流場模擬研究，掌握其流場特性，通過適當的方法優化SCR系統流場，從而為實際SCR反應工程設計提供最優流場建議，以確保滿足SCR系統反應所要求的流場環境。

相對于冷態試驗模擬而言，數值模擬更易操作和實現，并且省時、省力。然而，從國內發展情況來看，數值模擬在SCR反應系統中的應用還處于起步階段，可用的數據較少[6-8]。本文以合山電廠600MW燃煤鍋爐SCR脫硝反應系統的優化流場分析為例，將數值模擬和冷態試驗的模擬結果進行對比分析，以驗證數值模擬的準確性。

1 CFD數值模擬模型

1.1 模型對象

SCR系統的CFD建模范圍是從省煤器的中部位置起到空預器入口法蘭止（如圖1、圖2所示）。通過初步模擬計算，在模型中加裝導流裝置，使系統流場得到初步優化。其中，優化流場的部件包括：1）AIG水平擴口處安裝一組導流板；2）反應器進口水平煙道變截面處和轉彎處各安裝一組導流板；3）反應器出口煙道處安裝一組導流板。

圖1 CFD模型圖

圖2 CFD模型網格圖

1.2 模型假設及簡化

在模擬過程中，對SCR系統內煙氣狀況作如下假設和簡化[9、10]：1）將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；2）假設SCR系統進口處煙氣速度分布均勻；3）催化劑層壓降采用多孔介質進行模擬；4）采用無化學反應的組分運輸模型來模擬反應器內的混合。

1.2.1 數學模型

基于前面的假設與簡化，SCR系統煙氣流場的控制方程通用形式可表示為：

1.2.2 多孔介質模型

對于SCR系統反應器內的催化劑層壓降，通過將催化劑層處理為多孔介質來進行模擬。

1.2.3 偏差定義

當用參數來代表不均勻性時，需要用入口參數的不均勻性來評估反應器性能?？疾靺凳菢藴势x平均值的百分量[11]，其計算方法如下式：

1.3 網格劃分及邊界條件

利用前處理軟件GAMBIT對SCR系統進行三維建模，采用四面體和六面體網格對三維模型進行網格劃分。與模型外形尺寸相比，因噴嘴尺寸相對較小，為了精確考察噴嘴噴射情況，將噴嘴出口段的煙道的網格進行加密。模型網格計算單元數量約為650萬，模型網格劃分如圖2所示。

省煤器煙氣入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，出口壓力取1個標準大氣壓，采用無滑移壁面邊界條件。

2 冷態試驗模型

2.1 試驗模型

本試驗臺的模型按實際SCR反應器1:12比例縮小，試驗系統由SCR反應裝置模型、引風機、管道及閥門、模擬噴氨設備等構成，試驗系統圖如圖3所示。試驗模型主體采用透明有機玻璃制作，以便于觀察流場。導流板采用鋼板制作，采用等壓模擬催化劑床層的阻力。

圖3 試驗系統

2.2 試驗工況及方法

試驗臺采用的流體介質為空氣，按BMCR和50%THA兩種負荷進行測試，并且兩種模擬方法的研究和測試部位相同，以便對結果進行比較。冷態試驗具體工況見下表。

冷模試驗條件表

測點位置如圖3所示。速度測試采用熱線風速儀及其配套設備來進行數據采集和分析處理；壓力測試儀主要采用U型管壓力計和微壓計對SCR反應器內各所要求的考察處進行壓力測量，通過多點測量取均值的方法得到該處的平均壓力；CO作為示蹤氣體模擬煙氣中NH3的分布情況，CO濃度的測量采用testo 350Pro煙氣分析儀進行。流場顯示采用絲線，在首層催化劑入口處，布置間隔50mm均勻垂直的懸掛下細絲紅線，以顯示該處流場流動分布的情況，測試時采用高速照相機拍照。

3 結果分析

3.1 速度分布特性

通過數值模擬，得出BMCR、50%THA工況下SCR系統總體的速度分布特性的結果，從SCR系統縱截面（z=0）速度分布情況可以看出，在系統中各轉彎處速度基本沒有出現很大偏差，反應器內速度分布比較均勻。

對于首層催化劑入口處速度大小的分布情況，將BMCR和50%THA工況下數模和冷模的結果進行比較后可以看出，數值模擬結果和冷態試驗結果速度分布趨勢總體相符，相對中間大部分區域，靠近左右兩端略有偏高。另外，從兩種工況對比情況來看，數模結果均略優于冷模結果，主要原因可能是由于冷態模型反應器進口處導流板在制造和安裝過程中與理論設計值有一定偏差，從而導致SCR反應器進口處不同導流板出口處流量存在微小偏差，進而導致反應器入口速度分布存在一定偏差。而數值模擬結果和試驗測試結果的數據獲得方式和處理方法有點不同而會造成計算Cv值有一定偏差，總體而言，數模與冷模所得的速度分布總體趨勢相符，基本可以反映SCR反應器進口處流速分布的實際情況。

另外，對首層催化劑入口處的氣流入射角度進行飄絲試驗，其結果反映了首層催化劑入口處的速度入射角偏差情況（與垂直方向夾角），可以看出首層催化劑入口處速度與首層催化劑層截面沒有出現較大的偏角。

3.2 濃度分布特性

對于首層催化劑入口處氨氮摩爾比分布情況，同樣將BMCR和50%THA工況下數模和冷模結果進行比較（見圖4、5）。假設煙氣中NOx分布是均勻的且氨氮摩爾比等于1，那么模擬氨的氣體CO的濃度分布即可表示氨氮摩爾比分布。從圖4、5中可以看出，兩種工況下的數值模擬結果與冷模試驗結果趨勢相同。模擬結果達到了設計流場的要求（Cv＜10%）

圖4 BMCR工況首層催化劑入口濃度分布

圖5 50%THA工況首層催化劑入口濃度分布

3.3 流動阻力分布特性

加裝導流裝置后，BMCR工況下流動阻力特性的數值模擬結果和冷模試驗結果見圖6。從圖中可以看出，系統主要壓降集中在煙道轉角處和催化劑層，省煤器出口至空預器入口處的流動阻力（加裝2層催化劑后）小于800Pa，滿足系統設計要求。

圖6 BMCR工況下SCR系統總壓分布

3.4 灰沉積特性

按常規考慮，鍋爐在啟停或者低負荷運行時，省煤器出口至SCR脫硝系統入口處水平煙道內可能會出現積灰情況。為了考察有可能出現的積灰對系統正常運行的影響情況，本文進行了灰沉積特性的冷態試驗研究，彌補了CFD模擬中研究灰沉積特性難度較大的不足。

本試驗用灰取自浙江某電廠600MW機組燃煤飛灰，其中粒徑小于100μm的飛灰占90%以上。為便于試驗，在省煤器出口至SCR脫硝系統入口處的水平煙道內預先鋪設平均厚度大于7 cm的灰（大概占整個煙道高度的1/4），著重模擬從50%THA工況積灰情況開始，到負荷增加至BMCR工況后省煤器水平煙道底部積灰厚度變化的情況，結果如圖7、圖8所示。

從圖7中可以看出，50%THA工況下，在試驗進行到2h，模型中預鋪設灰層明顯減少；隨著試驗的進行，預鋪設灰層的變化越來越小，最終出現動態平衡。在BMCR工況下，試驗進行到1h、2h、4h，模型中預鋪設灰層變化很明顯，積灰量隨試驗的進行繼續減少。這主要是因為隨著工況負荷的提升，煙道內煙氣流速增大，對預鋪設灰層的沖刷作用增強，最終導致兩種工況下灰層隨試驗時間的推延而出現不同的變化情況。

圖7 50%THA工況下積灰實驗

圖8 BMCR工況下積灰實驗

4 結論

（1）數值模擬與冷態試驗的速度場、濃度場和壓力場的結果都較為吻合，驗證了數值模擬所確定的最佳優化工況的可行性；相比于冷態試驗，采用數值模擬方法對SCR系統內部結構進行設計和優化更加省時、省力。

（2）導流板的加裝可以有效地提高煙氣速度場和還原劑濃度場的均勻性，并且不會增加反應器內部的壓降；整流格柵可以優化進入首層催化劑的氣流方向，使煙氣垂直進入催化劑層。

（3）灰沉積試驗表明，水平煙道內預鋪設灰層在高負荷工況下的變化更為明顯，模型中無明顯積灰現象。這為在高灰環境下取消SCR入口及出口煙道上的灰斗，提供了有力的理論依據。

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Application and Comparision of Numerical Simulation and Cold Test in Analysis of Flow Field in SCR System

SUN Qi-ming, SHI Ping-ping, XIE Fang
(Zhejiang Atmosphere Environment Protection Group Co., Ltd, Hangzhou 310012, China)

Taking the analysis of the flow field in SCR system of Heshan 600MW coal fired plant as an example, this paper studies numerical simulation and cold test in analysis of the flow field in SCR system. The experiments shows that the results of numerical simulation are the same with those of cold test, which means the method of simulation is credible. The flow field of velocity, concentration and pressure meet the designed requirements. After optimization of flow straightening grid, the flue gas can enter the catalyst vertically. There is no significant dust deposition in the model.

SCR system; numerical simulation; cold test; flow field

X701

A

1006-5377（2011）06-0059-04