基于FLUENT模擬的SCR反應器流場優化

李 朋，陳紅兵，余 冰，高燕武

(華能國際電力股份有限公司長興電廠，浙江 長興 313105)

SCR技術是燃煤電廠NOx控制的主流技術。脫硝效率以及氨的逃逸是衡量脫硝系統性能的兩個非常重要的指標。SCR反應器中空氣動力場的分布是影響兩個指標的重要因素。如何更加合理地設計反應器入口煙道和導流板的布置成為影響脫硝效率的關鍵[1-2]。

在設計SCR脫硝系統時，需要考慮催化劑的選擇，SCR反應器的結構、煙道布置以及導流板的設置情況進行綜合的評定。對于催化劑的選擇，一般只需考慮脫硝效率、使用壽命等，而對于SCR反應器則需要進行針對性的設計和調整。反應器結構的改變會極大影響內部空氣動力場的變化，會對反應器內部煙氣流速、濃度等參數產生影響，從而影響到催化劑層的使用年限、磨損等[3-4]。因此，在設計SCR反應器時，在采用冷態實驗進行模擬以外，還可以采用CFD模擬技術。

本文針對某電廠660 MW機組的SCR反應器進行模擬試驗研究，為煙道更加合理布置、優化反應器流暢、提高脫硝效率提供指導。

1 模型簡介

圖1為該機組的反應器模型。反應器本體，長9 650 mm，寬13 940 mm，高24 990 mm。該模型的數值計算，采用非結構化四面體網格，網格數量300萬。煙氣流量700 kg/s，煙氣溫度370℃。由于僅模擬冷態工況、反應器內部流場的情況，因此入口邊界條件選擇質量流量入邊界，出口為自由流出邊界，反應器壁面和導流板均為壁面邊界。

2 SCR煙道設計模擬

為了使反應器內部能夠具有一個良好的空氣動力場，利用CFD模擬軟件對煙道內部結構的改變進行一系列的模擬研究，從而能夠通過簡單的方式獲得較為理想的方案。SCR反應器模型整體視圖如圖1所示。

圖1 SCR反應器模型整體視圖

對內部導流板的布置，分別制訂以下方案。

2.1 方案A(不加導流板)

不加導流板的模擬結果如圖2所示。從圖2中可以看到，反應器內部的流場極其不均勻，由于煙氣流動的慣性作用，反應器內煙氣的高速區域集中在入口上升煙道的右側，水平煙道的拐角及上側，以及反應區域的右側，并且集中區域很窄。在塔內形成較大的回流區，造成了極不理想的空氣動力場分布，必將導致氨與煙氣的混合不均勻，導致脫硝效率的降低。

圖2 方案A模擬結果

2.2 方案B(在NO.2和NO.3轉角處加入弧形導流板)

方案B的模擬結果如圖3所示。在NO.2轉角處加入了4塊圓形導流板，水平煙道流場得到有效改觀，但并不是非常理想。在NO.3轉角處均勻加入了七塊弧形導流板，可以清晰地看到高流速區在向左側轉移，但是整體反應區域的流場仍不均勻。這可能是由于NO.1轉角處未設置導流板，導致上升煙道的流場分布不均勻，使得水平煙道后部出現速度滯止區。

圖3 方案B模擬結果

2.3 方案C(在NO.1轉角處加裝弧形導流板)

方案C模擬結果見圖4。

在1號轉彎處，為了盡量避免由于導流板的設置而增加煙氣的壓力損失，只加裝了4塊弧形的導流板，使左側上升煙道煙速分布更加均勻，可以有效優化氨與煙氣前期的混合，再進入反應器后能達到良好的均勻度。從圖4中可以看出，加裝導流板后，不管是上升煙道，水平煙道以及反應器中的流速分布都較前兩種布置方式有明顯的改觀。

圖4 方案C模擬結果

通過圖2至圖4的對比可知，方案1和方案2沒有在1號轉角處添加導流板，不管2號和3號轉角如何設置導流板，都沒法在反應器內部達到良好的空氣動力場，在上升煙道流速右偏，接而導致水平煙道和反應器內部流速分布的不均勻。因此，1號轉角的導流板是必須添加的，這在實際的運行設備中并沒有加裝。在1號轉角處加裝導流板之后，流場的分布得到了明顯改善，這對反應器內部的催化還原反應是十分有利的，不僅對反應本身，也對催化劑的使用壽命，催化劑層的積灰等都是有重要意義的。因此，方案3的導流板設置較為合理，可以作為原廠反應器改造的設計參考。

3 結語

(1)通過對煙道導流板設置的模擬結果分析可知，方案3的結果最為合理，可以作為工程實際參考。

(2)通過模擬能夠直觀看到反應器內部流場的分布，流速與導流板設置的相互關系，從而利用FLUENT模擬軟件對這種工程應用問題的實際可操作性。

(3)與現場試驗相比，利用FLUENT模擬軟件進行煙氣流場的分布設計，能夠快速有效地得到理想的設計方案，相較于傳統的試驗具有成本低、周期短等有利因素。