燃煤電廠SCR 煙氣脫硝裝置的冷模實驗和CFD 數值計算研究

朱文斌 魏宇 上海電氣石川島電站環保工程有限公司（201602）

朱文斌 （1973年～），男，碩士，工程師，主要從事燃煤電站環保工程的設計工作。

0 前言

SCR反應器是整個脫硝系統的核心，而在催化劑層之前的煙氣流速和氨濃度分布是否均勻將直接影響系統的整體性能。通常在設計SCR反應器及煙道系統時，均進行FMT和CFD數值計算研究，以取得煙道布置、噴氨格柵、氨/煙氣混合器、整流器、煙氣導向裝置等機械部件的流場設計方面有關的具體理論依據和模擬仿真結果。

準確的和有效的FMT和CFD數值計算研究，將提供上述部件的設計指導，并最大限度的發揮催化劑的效力，減少系統阻力，避免系統積灰，延長系統催化劑壽命。

1 冷模實驗

1.1 相似和模化準則

當進行模型實驗時，很重要的一點就是要考慮流體力學的相似和模化準則。任何某一特定原型的按比例模化后的模型，其結論如果能夠精確預測其原型的制約條件，那么它才是有用的。也就是說模型同實物之間應滿足幾何相似、運動相似和動力相似。

由流體力學控制方程，即N-S (Navier-Stokes)方程，可以推導出一組無量綱方程，當邊界條件和初始條件相似時，可得出與縮放幾何尺度大小無關的相似結論。

對流體密度ρ恒定不變的不可壓縮流體，在應力形式的N-S方程的基礎上推導出無量綱形式的N-S方程為

相應的相似準則數有：

式中，Sr為斯特勞哈爾數，它是非定常流動所需滿足的相似準則，其物理意義表示遷移加速度慣性力與局部加速度慣性力之比。對于該項目，我們將研究穩態情況下的工況。

另外兩個無量綱數就是大家熟知的雷諾數Re和弗勞德數Fr。弗勞德數Fr為重力相似準則，其物理意義表示慣性力與重力之比。雷諾數Re是粘性相似準則，其物理意義為慣性力與粘性力之比。這一分析保證，如果原型與模型的雷諾數和弗勞德數相等，那么原型和模型的無量綱速度場也將是相同的。對于煙氣系統流場問題，最為重要的是雷諾數相等。

當雷諾數大于8 000，可應用高雷諾數相似理論而無須滿足雷諾數相等的條件。這就是說，在高雷諾數下，流體幾乎全部處于湍流區，粘性的影響僅限于近壁邊界層。這個邊界層厚度隨雷諾數的增高幾乎趨向一個固定值，因此在高雷諾數條件下，雷諾數不會影響紊流核心區的流場分布。這種流動的特性稱為自模化狀態，在此區域中，由于阻力系數幾乎不受Re數大小的影響，模型中的Re數不必與實物中的相等，只要與實物處于同一自模化區就能自動保證流動相似。

對于煙道中的阻力可采用如下阻力計算公式：

則從模型到原型的阻力縮放公式為：

1.2 物理模型

模型的搭建嚴格按照尺寸相似的要求，包括整個裝置煙道、反應器、注氨格柵（AIG）、氨/煙氣混合器、導向葉片和整流器等。

如圖1，反應器物理模型是用有機玻璃制作，帶有金屬支架，連通管道用鍍鋅板制作。整個裝置采用1：12幾何相似比例制作。模型入口安裝一臺離心風機，以將環境中的空氣鼓入到物理模型中。模型中設置了一個與AIG幾何相似的示蹤氣體注入格柵，它包括9個獨立的可調節的控制區域。一氧化碳被用作示蹤氣體。

圖1 300MW SCR物理流動模型

1.3 實驗要求

模型研究主要包括對以下參數的測量：壓損、不同位置的流速、氨濃度分布，包括在AIG處、在第一層催化劑表面。參數的測量按幾個設定的設計方案分別進行。模型研究的目標包括：

(1)使在第一層催化劑表面的煙氣速度分布最優化；

(2)使在第一層催化劑表面的煙氣中氨氣濃度分布最優化；

(3)不同部位積灰的研究；

(4)盡可能將系統壓損減小到最低。

1.4 實際參數

圖2 300MW SCR裝置

如圖2，本項目的模型從進口到出口，流體為從左向右流動。圖中只顯示了一個反應器的外形，本項目每臺爐共有兩個反應器，以鍋爐中心線為對稱。煙氣從鍋爐省煤器流出后，進入一段直的水平煙道直至注氨格柵（AIG）。然后煙氣經過內部混合器，使得注入的氨氣和煙氣充分均勻混合。煙氣然后垂直向上流動，經過一個不對稱的擴張段，再垂直向下進入反應器床層之前再次轉為水平流動。反應器采用的是2+1的形式，即2個安裝好的和一個預留的觸媒層，其主要設計參數見表1、表2。

表1 SCR裝置入口煙氣參數

表2 SCR反應器設計參數

1.5 實驗過程

實驗在100%負荷的條件下進行。實驗測點至少應在彎頭或障礙物的2～3倍的當量管徑下游位置，以避免其所產生的不規則流動。實驗時參數的測定采用網格測點法。

圖3表示SCR導流板和導向葉片參考位置。

圖3 導流板和導向葉片參考位置

粉塵模擬和可視化的實現采用面粉。這一實驗，有助于顯示流型和幫助優化設置導流板及葉片，此外還可以預測可能的積灰區域。

2 CFD計算

2.1 建立模型

對于每個需要模擬的算例，可在Gambit中繪制一個三維的模型，如圖4所示。將其轉化為Fluent可讀的計算用流體網絡，如圖5所示。

圖4 SCR裝置的Gambit模型

圖5 計算用網格樣圖

一般煙道中的導向葉片厚度僅為6mm左右，和煙道外形尺寸相比很小，在計算中可以忽略其厚度。只作為剛性表面處理，有一定的邊界層，這樣，在Gambit中就可以很容易地生成六面體網格，提高計算的收斂速度和準確性。本項目最終的計算網格在2×106個左右，FLUENT在所有控制體積內均對控制方程進行積分計算，直到守衡。SIMPLE算法對所有用于積分計算的變量采用中心差分格式，各相關變量的收斂誤差為10-3。

2.2 輸入邊界條件

另外，準確將原型的必要參數輸入到FLUENT中，是獲得準確計算結果的先決條件，即需要確定計算模型的邊界條件。為了便于計算輸入，將計算涉及到的主要數據整理并列于表3。

表3 反應器中整流器相關數據

表4 反應器煙道相關數據

表5 反應器觸媒相關數據

從表3～表5中，我們可以看到在整個系統中，煙道和反應器煙道中煙氣的雷諾數在105~106數量級，滿足自模化條件。整流器中煙氣流動的雷諾數等于4 447，在計算中選擇紊流和慣性損失項。兩層催化劑床層中煙氣流動的雷諾數為775，在計算中選擇層流和粘性損失項。

2.3 不同方案的研究

為了尋找最佳方案，筆者在CFD中分別計算了不同的煙道設置結構。以下是完成的實驗方案。

方案1：即1#、2#點處不設導向葉片，3#點處設5片導向葉片，3#點處設7片導向葉片。

方案2：在方案1的基礎之上，1#點位置，設置3個導向葉片；2#點位置，設置5個擴散導向葉片。

方案3：1#點位置，設置5個導向葉片；2#點位置，設置7個擴散導向葉片，3#點處設5片導向葉片，4#點處設11片導向葉片（此方案被確定為最終優化方案）。

圖6 第一層催化劑表面計算流速分布 (方案1)

圖7 SCR裝置CFD計算流速分布 (方案2)

圖9 SCR裝置計算各斷面流速分布 (方案3)

圖10 第一層催化劑表面實驗流速分布 (方案3)

圖11 第一層催化劑表面CFD流速分布 (方案3)

圖12 第一層催化劑表面實驗氣體分布 (方案3)

表6 數據統計分析 (方案3)

3 SCR工藝設計計算中的要點

3.1 SCR脫硝裝置的結構優化設計要點

在裝置設計中充分考慮煙氣流道的合理性，嚴格按照DL/T5121-2000《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》設計，盡量少采用異形件，如不可避免，異形件應根據布置條件選擇最佳形狀，使介質流過這些異形件時局部阻力為最小。

注氨格柵（AIG）的設置盡可能離反應器遠一點，以使注入的氨氣和煙氣有充分的混合時間，在流入SCR催化劑層之前其均勻性較好。

在注氨格柵（AIG）之后布置有氨煙氣混合器，需要合理選擇設計。

在反應器第一層SCR催化劑層之前2m左右，布置有煙氣整流器和防集灰裝置，可以很好地對煙氣進行導流和混合。

在煙道的各個彎頭處需考慮合理設置導向葉片；在直段變徑處需設置導向板，以均勻流場、減少系統阻力和防止積灰。

3.2 SCR煙道系統設計要點

在大型電站鍋爐的煙風道系統中，一般很難采用緩轉彎頭，而且b遠大于R，R為轉彎半徑，b為入口煙道寬度。在實際工程中通常取rw=rn=600～800mm，以方便制作和安裝，提高裝置的技術經濟性。

如果不是萬不得已，盡量不要采用外削角急轉彎頭，因為這種彎頭增加了較大的系統阻力，而且流速分布極為不均，即使增加了導向葉片使流場分布得到改善，但系統的阻力反而更大了。

裝設導向葉片或導流板時，進口前氣流應均勻，否則應有一定的直管段。但是在實際的脫硝裝置煙道布置中，因為布置的原因，經常在變徑后就緊跟著彎頭。所以在彎頭處宜裝設導向葉片，同時變徑處也需裝設導向板，同時考慮在變徑煙道段后面留有一定的直段。

在省煤器的底部一般均設置了灰斗，在此處煙氣的流速較低一般在6 m/s左右，且有一個急轉彎，便于飛灰的收集。在此之后一直到反應器煙道，煙氣流速一般在15～20 m/s，飛灰不易堆積，故在這段煙道的拐彎處不再設置灰斗。經項目物理模型驗證，這個判斷是正確的，另外，多個實際運行項目在停爐檢修時也證實在省煤器灰斗之后的煙道拐彎處確實沒有積灰。

導向葉片的設置，關系到系統阻力和流場均勻性，同時也涉及到制作成本。一般隨著導向葉片數量的增加，系統阻力將增加，但增加一定的數量后系統阻力則趨于下降；而流速分布則隨著導向葉片的增加趨于均勻。此時需要根據系統阻力、流速分布和經濟性來進行分析比較。

導向葉片一般均采用圓弧板，前后加直段構成，其模擬時效果相對較好，流場較為均勻。

3.3 FMT仿真的注意要點

近年來，隨著國內環境保護力度的加大，大量在建和在運火力發電機組均設置了SCR煙氣脫硝裝置，SCR反應器FMT仿真及CFD計算的工作也已大量開展，并為各系統供應商和科研院校所重視。但是這項工作專業性較強，可供借鑒的資料少，而且國外有經驗的供應商不會將詳細的SCR反應器FMT仿真及CFD計算過程和參數設置進行詳細說明，一般只給出結果。

以下總結了一些需要注意的要點：

(1)冷模裝置的搭建，需要考慮完整性，一般均需要將省煤器煙道、進入空氣預熱器煙道全部做好，以利于進入實驗裝置的鼓入空氣有一個較為均勻的初始速度；

(2)噴氨格柵在實際操作中無法做到同比例縮小，可盡量在模型中設置分配裝置，做到噴出的示蹤氣體較為均勻；

(3)在實驗之前，根據經驗，得到在原型煙氣條件下整流器層和催化劑層的阻力大小，可計算出在模型空氣條件下它們的阻力大小，以確定模型中阻力件的選擇。一般取原型和模型中流體速度相同，每一層催化劑層的實際阻力為200Pa，則模型中的催化劑層的模擬阻力為120Pa，因為催化劑層中流體流動為層流，應用多孔介質模型，阻力與速度V及動力粘度μ成正比。

3.4 CFD計算過程中的注意要點

(1)盡量生成結構化網格，即六面體網格，以利于計算的速度和快速收斂；

(2)通常可忽略SCR反應器中化學反應的熱量和裝置對外的散熱量，可不選能量方程，從而可提高計算速度；

(3)導向板的網格劃分難度較大，因為其同煙道尺寸相比厚度可忽略，這樣可在彎頭處生成六面體網格；

(4)整流器層和催化劑層的網格劃分和模擬較困難，應采用FLUENT中自帶的多孔介質模型進行模擬。先計算它們中流體流動的雷諾數Re，以確定流動是層流還是湍流。再根據預先知道的原型阻力計算滲透性相關系數α和慣性阻力系數C2，并在FLUENT的Fluid界面中選擇填入；

(5)冷態實驗通常采用環境空氣作為流動介質，和煙氣的物理特性存在一定的差異，在CFD計算中需要進行換算和修正。在SCR反應器和前后煙道中，煙氣流動處于湍流狀態，可以應用式5、式6進行阻力計算，以匹配原型和模型間的阻力數據。

4 結論

在SCR裝置的設計中需要考慮合理地布置煙道、反應器、注氨格柵（AIG）、氨煙氣混合器、導向葉片、整流器等。

SCR裝置的FMT及CFD仿真核心就是確保注入氨氣與煙氣的均勻混合及在第一層催化劑前方斷面處的流速分布均勻。燃煤電站中的SCR裝置其布置型式和系統組成均相類似。所以，在SCR裝置的工藝設計時針對不同的異形件，按照技術規程和已驗證項目設置導流板和導流葉片，基本可以滿足新項目脫硝系統流場的要求。

需要注意的是，CFD計算和實驗測量數據之間有所不同，CFD計算結果一般將更為保守。所以，筆者認為積累一定經驗后，新項目的設計可只進行CFD計算，以便對導流板和導流葉片的設置進行優化和調整。

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