基于SolidWorks Flow Simulation SCR脫硝裝置流場分析

安徽中杰 王坤

一、前言

隨著我國大氣污染排放標準中NOx排放限值調整為100mg/m3以及脫硝電價的實施，采用選擇催化還原（SCR）技術的脫硝系統已成為多數電站鍋爐的配套設施，脫硝系統可靠運行的重要性也日益凸顯。

二、SCR脫硝原理

選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在催化劑的作用下，利用還原劑（如NH3）“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應并生成無毒無污染的N2和H2O。選擇性是指在煙氣脫硝過程中煙氣脫硝催化劑有選擇性地將NOx還原為氮氣，而煙氣中的SO2極少地被氧化成SO3。這就叫選擇性在不添加催化劑的條件下，氨與氮氧化物的化學反應溫度為900℃，如果加入氨，部分氨會在高溫下分解。如果加入催化劑，反應溫度可以降低到320～400℃。催化劑一般選用TiO2為基體的V2O5和WoO3混合物；具體配方根據煙氣參數確定。

1.SCR脫硝反應

SCR脫硝系統是向催化劑上游的煙氣中噴入氨氣或其它合適的還原劑、利用催化劑將煙氣中的NOX轉化為氮氣和水。在通常的設計中，使用液態無水氨或氨水（氨的水溶液），無論以何種形式使用氨，首先使氨蒸發，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，最后利用噴氨格柵將其噴入SCR反應器上游的煙氣中。在SCR反應器內，NO通過以下反應被還原：

4NO+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

當煙氣中有氧氣時，反應第一式優先進行，因此，氨消耗量與NO還原量有一對一的關系。

在鍋爐的煙氣中，NO2一般約占總的NOX濃度的5%，NO2參與的反應如下：

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

上面兩個反應表明還原NO2比還原NO需要更多的氨。

在絕大多數鍋爐的煙氣中，NO2僅占NOX總量的一小部分，因此NO2的影響并不顯著。

SCR系統NOX脫除效率通常很高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOX反應。有一小部分氨不反應而是作為氨逃逸離開了反應器。一般來說，對于新的催化劑，氨逃逸量很低。但是，隨著催化劑失活或者表面被飛灰覆蓋或堵塞，氨逃逸量就會增加，為了維持需要的NOX脫除率，就必須增加反應器中NH3/NOX摩爾比。當不能保證預先設定的脫硝效率和（或）氨逃逸量的性能標準時，就必須在反應器內添加或更換新的催化劑以恢復催化劑的活性和反應器性能。從新催化劑開始使用到被更換這段時間稱為催化劑壽命。

2.SCR系統組成及反應器布置

SCR反應器在鍋爐煙道中一般有三種不同的安裝位置，即熱段/高灰布置、熱段/低灰和冷段布置。

（1）熱段/高灰布置：反應器布置在空氣預熱器前溫度為350℃左右的位置，此時煙氣中所含有的全部飛灰和SO2均通過催化劑反應器，反應器的工作條件是在“不干凈”的高塵煙氣中。由于這種布置方案的煙氣溫度在300～400℃的范圍內，適合于多數催化劑的反應溫度，因而它被廣泛采用。

（2）熱段/低灰布置：反應器布置在靜電除塵器和空氣預熱器之間，這時，溫度為300～400℃的煙氣先經過電除塵器以后再進入催化劑反應器，這樣可以防止煙氣中的飛灰對催化劑的污染和將反應器磨損或堵塞，但煙氣中的SO3始終存在。采用這一方案的最大問題是，靜電除塵器無法在300～400℃的溫度下正常運行，因此很少采用。

（3）冷段布置：反應器布置在煙氣脫硫裝置（FGD）之后，這樣催化劑將完全工作在無塵、無SO2的“干凈”煙氣中，由于不存在飛灰對反應器的堵塞及腐蝕問題，也不存在催化劑的污染和中毒問題，因此可以采用高活性的催化劑，減少了反應器的體積并使反應器布置緊湊。當催化劑在“干凈”煙氣中工作時，其工作壽命可達3～5年（在“不干凈”的煙氣中的工作壽命為2～3年）。這一布置方式的主要問題是，當將反應器布置在濕式FGD脫硫裝置后，其排煙溫度僅為50～60℃，因此，為使煙氣在進入催化劑反應器之前達到所需要的反應溫度，需要在煙道內加裝燃油或燃燒天然氣的燃燒器，或蒸汽加熱的換熱器以加熱煙氣，從而增加了能源消耗和運行費用。

對于一般燃油或燃煤鍋爐，其SCR反應器多選擇安裝于鍋爐省煤器與空氣預熱器之間，因為此區間的煙氣溫度剛好適合SCR脫硝還原反應，氨被噴射于省煤器與SCR反應器間煙道內的適當位置，使其與煙氣充分混合后在反應器內與氮氧化物反應，SCR系統商業運行業績的脫硝效率約為70%～90%。

三、SCR系統組成

SCR系統的主要設備包括：（1）反應器/催化劑系統，主要設備：反應器、催化劑、吹灰器。（2）煙氣/氨的混合系統，主要設備：稀釋風機、靜態混合器、氨噴射格柵（AIG)、空氣/氨混合器。（3）氨的儲備與供應系統，主要設備：卸料壓縮機、氨蒸發器（電/蒸汽）、氨罐、緩沖罐、稀釋槽。（4）煙道系統，主要設備：擋板（有旁路）、膨脹節、導流板、煙道。（5）SCR的控制系統，主要設備：DCS、PLC、儀表和盤柜等。

四、SCR脫硝裝置流場的數值模擬

SCR裝置中氣流場均勻分布對催化反應有著十分重要的影響，因此需要修改導流板位置，不斷地優化氣流場分布的均勻，為提高工作效率采用SolidWorks Flow Simulation作為分析工具。

煙道口的空氣入口邊界條件為5m/s。為了提高真實性，SCR模型采用1∶1的結構比例。結構圖如圖1所示。

圖1

五、Solidworks Flow Simulation中操作過程

（1）設置分析向導，在向導中設置CFD分析的單位，流體材料的選擇，以及相關流域的設定，如圖2所示。

圖2

（2）邊界條件的設置，可設定速度入口、質量流入口、出口速度等等，可根據需要設定，這里設定速度入口為5m/s，出口定義為壓力出口，默認環境壓力，如圖3所示。

（3）定義收斂目標，如圖4所示。

圖3

圖4

（4）網格劃分，網格可智能劃分，也可以根據需要手動劃分，如圖5所示。

圖5

（5）計算求解，如圖6所示。

圖1

六、SolidWorks Flow Simulation優化結果

經過大量的調整導流板的位置得到最終的優化結果，如下圖所示SCR脫硝裝置的氣流場速度分析分布。如圖7所示為氣流場速度分布圖。

圖7

七、結語

針對SCR脫硝裝置氣流場均勻性分布，SolidWorks Flow Simulation有著高效的工作效率，在較短的時間內可以完成氣流場均勻性的分布。