SCR脫硝反應(yīng)塔流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

趙建忠，李 寶，趙勇東，黃永剛

(華電大同第一熱電廠有限公司，山西 大同 037039)

0 引 言

數(shù)值模擬是近年來SCR改造工程項(xiàng)目中普遍采用的一種優(yōu)化技術(shù)，通過數(shù)值模擬可以了解SCR脫硝反應(yīng)塔煙氣速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和氨氮摩爾比分布情況，在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定煙道中氨噴射系統(tǒng)、導(dǎo)流板和整流器的形狀和位置［1－4］。

文中通過數(shù)值模擬研究了某工程改造項(xiàng)目SCR脫硝反應(yīng)塔內(nèi)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)布置對(duì)氣流分布均勻性、噴氨后的混合效果、壓力損失的影響，提出4種導(dǎo)流板加裝方案，并確定了最優(yōu)方案［5－9］。

1 模擬對(duì)象

工程改造項(xiàng)目涉及3臺(tái)480 t/h煤粉爐，計(jì)劃為鍋爐配套建設(shè)SCR脫硝系統(tǒng)，該脫硝工程的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。SCR脫硝系統(tǒng)的模擬范圍是從省煤器出口位置處到空氣預(yù)熱器入口(如圖1所示)，通過數(shù)值模擬可以提出模型中加裝導(dǎo)流裝置的可行方案，使SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)得到優(yōu)化。

表1 數(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(單臺(tái)爐、BMCR，6%O2)

2 模擬方法

數(shù)值模擬使用Fluent軟件，在模擬過程中，將SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)的煙氣可視為不可壓縮流體，并假設(shè)SCR系統(tǒng)進(jìn)口處煙氣速度分布均勻。對(duì)于催化劑層壓降采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬，同時(shí)采用組分運(yùn)輸模型來模擬反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。

圖1 SCR反應(yīng)塔幾何模型

計(jì)算區(qū)域有兩個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口。進(jìn)口分別為省煤器出口處的SCR煙道入口和噴氨的入口，速度進(jìn)口邊界條件。脫硝后出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。邊界條件的湍流條件選取湍動(dòng)強(qiáng)度和水力直徑進(jìn)行設(shè)置。

表2 計(jì)算邊界條件

3 原始流場(chǎng)

原始流場(chǎng)模擬結(jié)果顯示，在不同特征截面煙氣流動(dòng)在經(jīng)過每個(gè)彎道時(shí)都會(huì)發(fā)生速度偏斜，導(dǎo)致氣流均勻性變差。在彎道拐角內(nèi)側(cè)后面的煙道均會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓和速度的回流現(xiàn)象。這些對(duì)噴氨后氣流均勻混合以及通過整流格柵進(jìn)入催化層前速度分布都有不利的影響。

圖2為中心平面速度分布云圖，大體可以看出煙道內(nèi)的流動(dòng)情況。從該截面可以看到，煙氣入口的彎道處流速升高，主要是因?yàn)檫M(jìn)口處為變截面煙道，流通面積變小。在AIG噴嘴前，煙道截面的速度分布并不均勻，從煙道內(nèi)側(cè)到外側(cè)存在速度梯度。煙氣由于轉(zhuǎn)彎后的離心作用，煙道 外側(cè)流速高，內(nèi)側(cè)流速低甚至有回流出現(xiàn)。這會(huì)對(duì)噴氨后的氨擴(kuò)散和混合有不利影響。

圖2 中心平面速度分布云圖

研究中還選取了從煙道進(jìn)口處對(duì)煙氣的流向進(jìn)行跟蹤，得到煙氣的跡線圖(如圖3所示)。可以看到不同節(jié)點(diǎn)處進(jìn)入的煙氣跡線在經(jīng)過第一個(gè)轉(zhuǎn)彎煙道后相交前進(jìn)，在噴氨面前后，流線相互交錯(cuò)，并且在煙道內(nèi)側(cè)流線密集，說明煙氣的流動(dòng)通量并不均勻。在經(jīng)過整流格柵后依然有旋轉(zhuǎn)偏斜的跡線，并主要從煙道外側(cè)向內(nèi)側(cè)傾斜。說明煙氣在進(jìn)入第一層催化劑前的速度均勻性未達(dá)到最優(yōu)工況，并且存在不可忽視的煙氣橫向沖刷速度。

圖3 SCR煙道內(nèi)跡線圖

經(jīng)過上述對(duì)SCR煙道內(nèi)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬及初步分析，可以得出原有煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)大體特征。煙氣流速在經(jīng)過轉(zhuǎn)彎煙道后速度不均勻性增加，不利于噴氨后的迅速良好混合。在SCR脫硝系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中，可以通過在SCR系統(tǒng)中加裝導(dǎo)流裝置和均流裝置來改善氣流分布的均勻性。

導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)需要結(jié)合不同反應(yīng)塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在兼顧其對(duì)SCR反應(yīng)塔整體氣流分布均勻性和壓降的前提下，尋求最優(yōu)布置方式。加裝導(dǎo)流板不僅可以改善速度場(chǎng)，還可以優(yōu)化煙氣和氨的均勻混合程度。

4 導(dǎo)流擋板加設(shè)方案研究

根據(jù)SCR煙道的流動(dòng)特征、催化層前氣流速度、濃度、溫度分布要求，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了4種導(dǎo)流板安裝方案(如圖4所示)。

圖4 導(dǎo)流板方案示意圖

從圖5可以看到，4種方案的流場(chǎng)特征大體一致，噴氨量引起的煙氣變化較小，因此噴氨對(duì)整個(gè)煙氣的流動(dòng)影響較小，在縱截面的流場(chǎng)特征圖上差別很小。

從4種方案的流線圖上看，煙氣的形成軌跡大同小異，針對(duì)第一層催化層前的流動(dòng)特征要求看，方案3的流線更加與催化層通道相平行，3是比較符合的方案。

通過對(duì)第一層催化層前速度分布特征的考察，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板方案3的流速分布均方根偏差率最小，為6.5%，符合工程上對(duì)流速分布偏差小于15%的要求。導(dǎo)流板方案1和2次之，導(dǎo)流板方案4的流速分布均勻性最差。

圖5 煙道縱截面圖速度分布云圖(m/s)

圖6 煙道縱截面圖流線圖(Pa)

表3 SCR系統(tǒng)第一層催化層前速度分布特性比較

比較各方案的第一層催化層前氨的摩爾分?jǐn)?shù)及濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差，可以得到氨在煙道內(nèi)的擴(kuò)散分布情況。導(dǎo)流板方案3的氨分布標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，說明導(dǎo)流板方案3的噴氨在煙道內(nèi)的擴(kuò)散最好，建議使用導(dǎo)流板方案3。

表4 SCR系統(tǒng)第一層催化層前氨分布特性比較

5 結(jié)論

文中模擬了SCR脫硝反應(yīng)塔系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)布置對(duì)氣流分布均勻性、噴氨后的混合效果、壓力損失的影響，提出4種導(dǎo)流板加裝方案。并通過數(shù)值模擬分析對(duì)比篩選出了備用的較優(yōu)方案。方案在兩個(gè)轉(zhuǎn)彎煙道和楔形反應(yīng)塔入口布置導(dǎo)流板，并在楔形塔進(jìn)口斜面布置導(dǎo)流板，計(jì)算表明第一層催化層前氣流的均勻性得到更多的提升，同時(shí)壓降、速度、氨濃度分布及溫度分布均能滿足工程要求，且方案的壓力分布最均勻，可以作為工程的實(shí)施方案。

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