SCR脫硝反應器數值模擬及導流板結構優化

秦玉波

摘? ?要：選擇性催化還原脫硝（ SCR）反應器入口段導流板的形狀和布置方式是保證脫硝效率的關鍵，使煙氣流速均勻，盡可能地分配合理通過催化劑的煙氣流量。采用 FLU EN T 軟件，采用數字模擬的方法對結構不同的導流板下面的反應器流場進行分析，并對采用的多種方案進行分析對比，最終計算出最優的導流板結構及反應器內流場、系統阻力分布，有助于設計更為合理的煙氣脫硝系統。

關鍵詞：CFD模擬? 導流板? SCR脫硝

中圖分類號：TK22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（c）-0086-06

SCR選擇性催化還原脫銷技術在大型的燃煤電廠生產中得到廣泛的應用，主要是具有脫硝率高、技術比較成熟以及對環境沒有二次污染等特點。SCR脫硝裝置中對脫硝效率具有決定性影響的因素，包括煙氣流場、還原劑的混合效果以及分布的溫度場等因素，這些因素還對脫硝裝置的長期安全穩定運行產生影響。所以對導流板進行合理的布置和設計，可以有效地對SCR反應器設備的入口流場的均勻性進行改善，并且從科學的手段提高了脫硝系統的運行效率。

本文的研究是基于兗州煤業榆林能化3×260t/h鍋爐煙氣脫硝裝置CFD流場模擬分析和研究的基礎之上，有效的改進了SCR反應器和前部煙道的導流板布置，采用流動力學計算軟件的數學模擬的方式，對不同的方案進行計算分析，對流場均勻性的影響因素進行了比較，研究得出導流板的最佳布置方案。

1? 模型建立

1.1 工況條件及設計參數

兗州煤業榆林能化有限公司甲醇廠熱電車間配有3×260t/h高溫、高壓煤粉鍋爐，NOX超低排放改造采用SCR工藝，反應器截面10×6m，設置方式為“2+1”，采用板式催化劑，脫硝劑采用尿素。設計煙氣量52萬m3/h，NOX初始濃度≤300mg/Nm3，設計脫硝效率>85%，達到煙氣超低排放指標的要求。

1.2 CFD數值模擬

根據以上SCR脫硝裝置反應器設計的數值參數，通過CFD前處理工具Gambit，對三維數值模型進行1：1的建立，并對網格進行劃分。在三維數值模型中，采用平行通道結構的多孔介質來表示平板式催化劑，對導流板和整流格柵隔板的厚度可以進行忽略。采用Tet/Hybrid或者TGrid的四面體和六面體的網格法對模型進行網格劃分，然后對模型的網格進行加密，加密網絡的位置選擇在導流板和首層催化入口處，這樣會得出更加準確的計算結果，CFD數值模型網格圖見圖1。

2? 研究方法

在對SCR脫硝裝置進行設計的時候，首先要通過數值模擬的方法，對反應器進行科學設計，對導流裝置進行合理安裝，并對實際脫硝裝置采用數值模擬的方式進行設計。在研究過程中，本文主要采用k-ε湍流模型以及多孔介質模型等。

2.1 k-ε湍流模型

SCR脫硝裝置中煙氣在流動過程中的方式是三維湍流流動方式，如果要對煙氣流動的方式進行模擬，就要解決對湍流的問題。在工程應用中，SCR脫硝裝置流場的數值模擬方法，是在質量守恒和能量守恒的基礎之上，采用Reynolds時均化方程的模擬方法進行的一種模擬方法。為了對數值模型進行更好的計算分析，本文采用雷諾平均的方法對方程進行計算，如下列方程所示：

在k-ε湍流模型的計算公式中，k表示湍流脈動動能，ε表示湍流動能耗散率，在衡量湍流強度及尺度的時候采用k和ε作為兩個必要的湍流統計量。k和ε作為空間坐標函數，可以通過N-S方程對k和ε的輸運方程進行推導并計算出結果，SCR脫硝裝置煙氣流場的控制方程式可表示為：

式中φ為因變量，Γ為擴散系數，S為廣義源項，u為速度矢量。對控制方程求解采用壓力耦合方程的全隱算法SIMPLE，計算步驟如下所示：

（1）u0、v0、w0為給定的初始速度分布，對各系數和常數項的動量方程進行計算。

（2）p*是給定的初始壓力。

（3）依次求解動量方程，得到與p*相應的速度u*、v*、w*;

（4）求解壓力修正方程，得到p，由p進一步改進速度值;

（5）φ變量可以通過改進后的速度進行計算

（6）動量離散方程系數可以通過改進后的速度場進行計算分析，下一層次迭代計算的初始值可以通過改進后的壓力進行計算分析得出，對步驟3、4、5、6進行重復計算分析，一直到收斂為止。

2.2 物質輸運模型

在SCR反應器中，流動介質的成分組成包含NH3和煙氣，其中煙氣的組成包含多種物質。本文在對SCR反應器的脫硝過程進行研究中，主要是對流動的物質混合情況進行研究，并對多種物質成分發生化學反應的情況進行模擬計算，在模擬計算中采用混合物質輸運模型進行分析。通過化學物質守恒方式對無反應成分的混合選擇進行精確計算分析。守恒方程如下所示，

在方程公式中，ρ表示流體密度，t表示時間，表示流體的速度，表示物質擴散通量，Ri表示凈產生化學反應的速度，Sj表示額外產生的速度。在SCR的生產工藝中，NH3和NOx兩者相混合時不發生化學反應，所以Ri的值等于零，Si的值等于零。對于不發生化學反應的混合物，只對i物質的湍流擴散通量Ji進行考慮就可以了。

其中Sct是湍流施密特數，（缺省設置值為0.7）。

2.3 多孔介質模型

多孔介質是一種物質結構，主要是由固體物質構成的骨架，以及結構中被骨架分隔后形成的微小空隙所構成。在數值模型的計算中，把多孔介質模型劃分成大量的網格體。壓降損失的公式模型如下面公式所示。

在模型公式中，Si表示動量源項，α表示介質滲透因子，vi表示速度值，ρ表示介質的密度，C2表示阻力因子。

3? 導流板優化的目的

確保催化劑入口的條件：

（1）速度的最大偏差值在平均值的15%范圍內。

（2）溫度的偏差值在平均值的±10℃范圍內。

（3）氨氮摩爾比偏差值在平均值的5%內。

（4） 確定初始和預留催化劑壓降，煙道系統最佳布置，減小由于SCR脫硝裝置壓降導致鍋爐煙風系統壓降增大的影響。

4? 結果分析

SCR系統的流動氣體主要是空氣，流動速度值是12m/s。

4.1 優化前數值模擬結果

優化前SCR三維數值模擬、BMCR工況下縱向剖面、催化劑上方流場分布情況見圖2、圖3。

從圖2、圖3可以看到煙氣在反應器本體中不均勻分布，首層催化劑上方最大流速12.5m/s，最小流速0.5m/s。煙氣分布的不均勻，會發生NH3與NOx不充分混合的情況，并且造成脫硝效率低導致脫硝裝置不能穩定運行。

4.2 導流板的設計方案

SCR反應器入口煙道為楔形頂結構的導流板形式，本文著重對以下三種設計方案進行模擬、對比。

以方案三為例，氣流均布板布置如圖4所示。

4.3 導流板設計方案數值模擬結果

在圖8和圖9中，反應器中氣體流動速度分布均勻，化劑上方煙氣流速最大4.0m/s。NH3與NOx混合的充分原因，主要是煙氣分布比較均勻，這樣可以提高脫硝的效率，保證了脫硝裝置的安全可靠運行。根據CFD數值模擬結果，數據統計如表2所示。

對3種方案數值模擬的結果進行分析，第三種方案滿足SCR反應器中對煙氣速度的基本要求。另外SCR反應器催化劑的煙氣速度控制在3-5.5以內，在整個反應器截面上所占的比例達到90%以上，詳見圖10（導流板優化后催化劑入口（3～5.5）m/s速度分布）。

由圖11可以看出，煙氣在經氣流均布板進入反應器后，除在入口煙道對側存在小范圍的回流區域外，煙氣方向垂直于催化劑表面，也降低了催化劑孔堵塞的風險。系統內流場分布情況的改善，可以通過增加導流板和對導流板進行合理設置進行。

4.3 導流板方案對鍋爐負荷變化的適應性

鍋爐負荷變動時，反應器入口煙氣流速相應變化，對入口煙氣流速分別為8m/s、12m/s、15m/s條件下的速度場進行分析，如下表所示：

由上表數據分析，現有導流板設計可以滿足鍋爐負荷50%-100%變化時，煙氣均布要求。

5? 結論

本文結合我公司生產的實際情況，通過數值模擬方法對新建的SCR反應器進行了多種方案的設計，最終得出直流導流板和弧形導流板兩種相結合的方案，提高了煙氣在反應器內的均勻分布程度，并且滿足煙氣在催化劑入口的速度要求。

采用數值模擬計算分析方法對方案進行設計，不僅降低了成本，而且設計周期時間短，并且對流場分布要求高的煙道，可以把實際運行的情況通過數值模擬來如實的反應出來，更加體現出了數值模擬方法的優勢。

參考文獻

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