數值模擬在SCR煙氣脫硝系統流場優化的應用研究

秦翠娟

摘要：利用FLUENT14.0軟件對某330MW燃煤機組SOR脫硝煙氣系統的流場進行數值模擬。結果表明，導流板和整流板的配合布置，可對SOR反應器內速度場進行調整，并達到設計要求。還原劑的濃度場與速度場密切相關，噴氨布置與速度場相匹配，有利于還原性氣體與N0x的混合，噴氨分區控制是實現噴氨與速度場匹配的有效方案之一。數值計算結果為導流板、整流板、噴氨布置等的設計提供參考依據。

關鍵詞：SOR脫硝；數值模擬；流場；噴氨分區

引言

氮氧化物NOx是燃煤機組釋放的主要污染物之一，在NOx處理技術中，選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在催化劑的作用下，以NH₃作為還原劑，“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。

SCR脫硝反應器中煙氣流場、溫度場的分布以及還原劑（NH，）與NOx的混合效果是脫硝效果好壞的決定因素，它不但影響最終的脫硝效率及氨逃逸率，還對脫硝系統的長期安全穩定運行產生影響。要了解一個SCR反應器的設計結構是否滿足實際工程要求，除了采用傳統的物理冷態模型進行驗證外，目前比較流行的是采用流體力學技術（CFD）進行分析、預測。

采用數值模擬方法，對某電廠330MW燃煤機組（一個鍋爐配兩臺反應器）單反應器的SCR系統流場進行優化計算，分析反應器的流場分布情況，提出保證流場均勻性的措施，保證反應器前的NOx和氨氣達到良好的湍流混合，速度分布以及還原劑濃度分布最佳，系統壓力損失最小。

1模擬對象與方法

1.1模擬對象

某電廠330MW燃煤機組每臺鍋爐配置兩臺SCR反應器，以鍋爐中心線鏡像布置，故數值模擬僅以單側反應器作為研究對象，如圖1所示。研究范圍包括：省煤器出口到SCR脫硝裝置的連接煙道系統、煙道導流板、噴氨裝置、整流板、反應器及SCR反應器出口至空氣預熱器的連接煙道系統，SCR反應器中布置三層催化劑。煙氣接省煤器出口進入SCR脫硝反應系統，通過水平煙道，經彎頭進入豎直煙道，其中噴氨格柵布置在豎直煙道段，還原性氣體（氨空氣混合氣）由此進入脫硝系統，煙氣與還原性氣體開始混合，再經過一個彎頭及反應器斜頂，轉彎180進入布置有催化劑層的脫硝反應器，在催化劑作用下，煙氣中的氮氧化物與氨氣反應生成水和氮氣，經過脫硝后的煙氣由出口煙道引出。

1.2模型方法

對SCR脫硝系統進行流場優化模擬是基于N-S流動控制方程的求解。采用標準k-ε模型模擬氣體湍流流動。采用Species物質輸運模型模擬NH3在煙氣中的混合與擴散，但不涉及化學反應。催化劑結構模擬采用多孔介質模型，保證模擬阻力與實際阻力接近。

為方便數值模擬計算，對SCR煙氣脫硝系統模型的邊界條件及流體參數進行了如下簡化和假設：將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；假設煙氣為單相氣體，不考慮粉塵對流場的影響；假設SCR系統進口處煙氣速度分布均勻；在CFD模型中忽略一些對流場影響較小的內部構造（構架、梁等），不考慮SCR系統進口處的灰斗。

1.3擬達到的技術目標

基于在鍋爐BMCR工況、處理100%煙氣量條件下設計方案。SCR部分的催化劑層數按2+1層方案進行設計，以達到下列技術要求：

（1）第一催化劑層上方0.5米截面的速度分布要求：速度相對標準偏差小于15%，角度最大偏差小于10°；

（2）第一催化劑層上方0.5米截面的溫度分布要求：最大絕對偏差±10℃；

（3）第一催化劑層上方0.5米截面的NOx/NH₃比率分布要求：相對標準偏差小于5%。

2計算結果及分析

2.1速度分布特性分析

根據物理模型的外形，速度場調整的難點在于省煤器出口后水平煙道的擴張變化較大，且脫硝反應器中心線嚴重偏離了省煤器（鍋爐）中心線。煙氣經過水平煙道的擴張段時，并不能立刻沿煙道外形擴張開來，且不能立刻將煙氣由省煤器中心線分配至脫硝反應器中心線，如圖2所示，煙氣聚集在Z正方向側的煙道，接著擴張后的煙氣受煙道壁面的作用，沿煙道向Z負方向流動，這就造成了沿z方向的分速度，增加了流場的不均勻性。

為了校正煙氣沿Z向的扭變，沿Z方向分別設計三組導流板，如圖3所示，擴張段設置一組導流板，對煙氣進行分流，并且消除擴張段引動的大渦流（如圖2所示）；擴張段后進入豎直段的彎頭處設置一組導流板，對煙氣沿Z負向的分速度進行校正，調整噴氨前煙氣沿z方向的均勻分配；進入脫硝反應器前水平煙道與反應器斜頂的相接位置設置一組導流板，進一步減弱煙氣沿Z方向的分速度，保證進入催化劑層的角度偏差滿足設計要求。

圖4為SCR反應器中心截面速度分布云圖，可以看出：煙氣經導流板、整流板后，到達首層催化劑層的速度均勻性良好。圖5為第一催化劑層上方0.5m位置處的速度分布云圖，計算數據顯示，第一催化劑層上方0.5m位置處的速度偏差約為4%，滿足煙氣速度分布偏差≤±15%的要求。整流板對進入第一層催化劑的氣流方向有極其重要的作用，導流板與整流板必須配合使用，才能保證速度場滿足設計要求。

2.2濃度分布特性分析

通過擴張段導流板、彎頭處導流板的優化布置，調整噴氨位置速度場如圖6所示。若按噴氨均勻布置，反應器內第一催化劑層上方0.5m處的NH3濃度分布如圖7所示。圖6中噴氨前截面速度高的區域按幾何關系相應地對應著圖7中NH₃濃度較低的區域，圖6中速度低的區域按幾何關系相應地對應著圖7中NH₃濃度高的區域，這說明了速度場與濃度場的密切關系。計算結果分析，NH₃/NOx混合濃度偏差大于5%，不滿足設計要求。

由于擴張段變化較大，且豎直煙道中心線（同脫硝反應器中心線）嚴重偏離了省煤器中心線，因此這段流場調整難度較大，噴氨截面速度場的調整存在著很大的局限性，進而考慮對噴氨格柵布置進行優化改進。這里提出噴氨分區布置的方案，即噴氨格柵（噴孔）仍然保持均勻布置，但噴氨管分區控制，將整個噴氨格柵區域分成若干噴氨分區，各噴氨分區單獨控制氨流量，由此對各分區位置的流場進行單獨匹配，流速高的區域，匹配大于1的噴氨量系數，流速低的區域，匹配小于1的噴氨量系統。但各噴氨分區的噴氨系數盡量要求控制在0.9～1.1之間。通過噴氨的分區控制后，第一催化劑層上方0.5米處NH₃濃度分布如圖8所示，計算數據顯示，NH₃/NOx混合濃度偏差小于5%。

2.3溫度分布特性分析

省煤器出口煙氣溫度386℃，在噴氨格柵處，氨空氣混合氣溫度約為400℃，開始產生溫度梯度，但氨空氣混合氣占煙氣量的1%都不足，可認為噴氨后，氨空氣混合氣迅速被冷卻或加熱，整個煙氣的溫度梯度很快變小至可以忽略。第一催化劑層上方0.5米截面溫度分布如圖9所示。與圖8對比，兩圖的形狀基本一致，這是因為當煙氣自身無溫度梯度、氨空氣混合氣自身無溫度梯度時，而兩者溫度不同，僅當兩者開始混合時才存在熱交換，溫度場的熱交換狀況取決于兩股氣的混合隋況，因此，溫度場與濃度場的分布云圖具有相似性。

3結論

通過對上述脫硝項目的數值模擬，并對脫硝系統的速度場、濃度場、溫度場進行分析，提出了一套可滿足工程設計要求的流場設計方案，其中包括導流板、整流板、噴氨格柵的設計，為SCR脫硝系統的設計提供參考依據。

（1）導流板的加裝可以有效提高煙氣速度場和還原劑濃度場的均勻性，整流板與導流板協同設計，才能使得進入催化劑層的煙氣速度場滿足設計要求。

（2）濃度場與速度場緊密關聯，噴氨布置與速度場的良好匹配，有利于實現還原性氣體與NOx的均勻混合。噴氨分區控制是一種有效實現濃度場與速度場匹配的手段。

（3）一般電廠脫硝工程中，還原性氣體（氨空氣混合氣）量不足煙氣量的1%，如果省煤器入口溫度場均勻，那么脫硝反應器內溫度場很容易滿足設計要求。

（作者單位：中建中環工程有限公司）