流體模擬試驗(yàn)技術(shù)在鍋爐SCR反應(yīng)器設(shè)備優(yōu)化中的應(yīng)用

張峰

（華電新疆發(fā)電有限公司昌吉熱電廠，新疆 昌吉 831100）

1 SCR反應(yīng)器內(nèi)流體模擬系統(tǒng)

昌吉熱電廠1、2號(hào)機(jī)組原脫硝裝置采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)，單臺(tái)機(jī)組脫硝催化劑分為“2+1”層設(shè)計(jì)，初裝兩層，脫硝裝置入口NOx濃度按450mg/Nm3(標(biāo)干，6%O2)，出口NOx濃度不高于100mg/m3（標(biāo)態(tài)，干基，6%O2）設(shè)計(jì)。CFD模型的建立主要是從省煤器下部到空預(yù)器入口法蘭，如下圖1所示為初步設(shè)計(jì)階段的SCR系統(tǒng)形狀示意圖。如圖2所示氨氣及空氣混合其他主要通過(guò)噴氨格柵噴入SCR脫硝系統(tǒng)煙道并與其內(nèi)部的煙氣混合，最后進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi)，在催化劑的作用下NH3與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)水和氮?dú)猓瑹煔饷撓鹾蠼?jīng)SCR出口煙道排出，然后進(jìn)入空氣預(yù)熱器等下游各級(jí)輔機(jī)設(shè)備。

圖1 CFD模型圖

通過(guò)利用加裝導(dǎo)流板的形式可以將煙氣進(jìn)入催化劑層前盡可能分布均勻，為確保氣流的均勻性需要在每一個(gè)煙氣流向改變處及變徑段設(shè)置相應(yīng)的導(dǎo)流板。如圖1所示，導(dǎo)流板統(tǒng)一安裝在調(diào)整管道的頂部及反應(yīng)器入口位置。另外為了確保脫硝的效率，通常需要在噴氨格柵前加裝導(dǎo)流板來(lái)使氨和煙氣能夠充分混合，如圖2，同時(shí)導(dǎo)流板的安置還要充分考慮到系統(tǒng)阻力的影響情況。

圖2 噴氨格柵、上升煙道頂部導(dǎo)流板

2 工況模擬分析

（1）數(shù)學(xué)模型。在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)合理地選取數(shù)學(xué)模型對(duì)后期的計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。本次模擬對(duì)象主要針對(duì)流場(chǎng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，所以在確保高精度的條件下，為了減少計(jì)算量，主要應(yīng)用氣相湍流模型。依據(jù)SCR裝置內(nèi)煙氣流動(dòng)時(shí)湍流的情況，主要采取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來(lái)模擬系統(tǒng)內(nèi)煙氣的湍流運(yùn)動(dòng)。在正交直角坐標(biāo)系下，k-ε湍流模型基本控制方程可以表示：

其中，φ為因變量，Γφ為因變量φ的擴(kuò)散系數(shù)，Sφ為因變量守恒方程中所對(duì)應(yīng)的源項(xiàng)。

（2）多孔介質(zhì)模型。對(duì)于SCR反應(yīng)器內(nèi)的催化劑層壓降，通過(guò)將催化劑層看作多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬。其壓降損失模擬公式如下：

式中：Si——i方向上動(dòng)量源項(xiàng)，Pa/m；μ——流動(dòng)動(dòng)力粘度，Pa·s；α——介質(zhì)滲透性；vi——i向速度分量，m/s；ρ——密度，kg/m3；C2——內(nèi)部阻力因子，1/m。

（3）物質(zhì)運(yùn)輸模型。由于在進(jìn)行催化還原過(guò)程中的流動(dòng)介質(zhì)存在混合情況，因此選用混合物物質(zhì)輸運(yùn)模型進(jìn)行模擬。通過(guò)求解描述每種組成物質(zhì)的對(duì)流、擴(kuò)散和反應(yīng)源的守恒方程來(lái)模擬混合和輸運(yùn)，可以模擬多種同時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)選擇解化學(xué)物質(zhì)的守恒方程時(shí)，通過(guò)第i種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程預(yù)估每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yi守恒方程采用以下的通用形式：

3 模擬結(jié)果分析

（1）標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算分析。隨著對(duì)氮氧化合物排放的控制及人們對(duì)SCR系統(tǒng)性能要求的不斷提高，目前我們主要通過(guò)偏差系數(shù)的大小來(lái)衡量SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能。偏差系數(shù)的計(jì)算公式如下式：

式中：Cv——標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)；σ——標(biāo)準(zhǔn)偏差；x——平均值。

在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，一般常用鍋爐最大連續(xù)運(yùn)行工況時(shí)，SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑上面的速度及NH3濃度分布等偏差(Cv值)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考核系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果分析。根據(jù)SCR脫硝裝置的幾何尺寸及運(yùn)行參數(shù)等，對(duì)初步設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行模擬及分析，經(jīng)過(guò)反復(fù)的模擬和調(diào)整，得到優(yōu)化后的導(dǎo)流板布置方式和技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)校驗(yàn)和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)原有煙道導(dǎo)流板流場(chǎng)分布基本合理，建議改進(jìn)方案如下：將導(dǎo)流板3間距減少一半，進(jìn)行加密；調(diào)整導(dǎo)流板4角度；調(diào)整導(dǎo)流板5兩側(cè)各五塊導(dǎo)流板長(zhǎng)度；加密導(dǎo)流板6，間隔減少一倍，并減少噴氨側(cè)前五塊導(dǎo)流板長(zhǎng)度。其余原有導(dǎo)流板及整流格柵可以利舊，保持不變。研究結(jié)果表明，該建議設(shè)計(jì)方案能取得很好地?zé)煔饬鲃?dòng)分布和維持系統(tǒng)較低的壓降。實(shí)驗(yàn)在100%BMCR工況下測(cè)定，圖3為優(yōu)化方案100%BMCR工況下第一層催化劑入口截面速度分布，將該截面的各點(diǎn)速度大小導(dǎo)出代入公式（4），計(jì)算速度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為9.08%，滿足技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“速度最大偏差為±10%”的要求。

圖4為優(yōu)化方案100%BMCR工況下SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入處的氨濃度分布圖，將該截面的各點(diǎn)氨濃度分布大小導(dǎo)出代入公式（4），求得標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為4.81%，符合技術(shù)指標(biāo)要求。

圖3 100%BMCR工況下第一催化劑床層速度云圖

圖4 100%BMCR工況下催化劑第一床層氨濃度云圖

圖5 為建議優(yōu)化方案100%BMCR第一層催化劑上游速度偏角余弦值分布云圖，將該截面的各點(diǎn)余弦值分布大小導(dǎo)出代入公式（4），求得標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為0.20%，速度偏角平均值為3.51o（即cos（θ）平均值為0.99813，θ=3.51o），滿足技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“速度偏角小于±5°”的要求。

圖5 100%BMCR工況下第一層催化劑入口速度偏角

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)華電新疆發(fā)電有限公司昌吉熱電廠1、2號(hào)機(jī)組煙氣脫硝超低排放改造工程的CFD研究分析發(fā)現(xiàn)，原始方案模擬結(jié)果顯示流場(chǎng)分布中速度場(chǎng)大小和方向基本合理，能夠達(dá)到第一層催化劑入口處關(guān)于煙氣速度和煙氣入射角度不滿足相關(guān)要求。改造方案模擬結(jié)果顯示第一層催化劑入口處的速度分布更加均勻，速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)降至9.08%；氨濃度分布更均勻，氨濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)下降至4.81%，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)關(guān)于“氨濃度偏差小于±5%”的要求。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)與物理模擬測(cè)試的結(jié)果相吻合，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求。該項(xiàng)目導(dǎo)流板方案的成功設(shè)計(jì)對(duì)于其他機(jī)組脫硝SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。