某化工廢氣焚燒廠SCR脫銷系統煙道仿真優化設計研究

劉上光

摘要：以某化工廢氣焚燒廠兩臺SCR 脫硝系統為研究對象，分別研究了導流板、混合器、整流器等裝置對SCR脫硝系統中溫度場、氨濃度場、速度場的影響，經過分析比較兩種負荷運行條件下的各個要求指標，可以看出PROJIECT1方案中，采用一二三級靜態混合器、彎管導流板、擴口導流板結合整流器的方案最優，額定工況下速度偏差降低至2.01%，氨濃度偏差降低至2.33%，溫度偏差為±3K，整個煙道阻力為1393K，整個優化設計均遠優于技術指標要求;而PROJIECT2方案中，采用相同的方案，額定工況下能夠使得速度偏差降低至1.76%，氨濃度偏差降低至4.31%，溫度偏差為±2K，整個煙道阻力為1183K，整個優化設計均遠優于技術指標要求。

關鍵詞：廢氣焚燒;SCR;煙道設計;仿真優化

Abstract ?Two SCR denitrification systems of a waste gas incineration plant are analyzed by CFD，and the effects of the devices such as deflectors，mixers and rectifiers on the temperature field，ammonia concentration field and speed field in SCR denitrification system were studied respectively. The requirements indicators under the two load operating conditions are analyzed，and the results show that it can be seen that the scheme of using one-two-three static mixers，elbow guide plates，expanded vent guide plates combined with rectifiers is optimal in the PROJIECT1 scheme. Under rated operating conditions in the PROJIECT1，the speed deviation can be reduce to 2.01%，and ammonia concentration deviation can be reduced to 2.33%. The temperature deviation is only ±3K，and the entire flue resistance is 1393K.The entire optimization design is far better than the technical specifications. Under rated operating conditions in the PROJIECT2，the speed deviation can be reduce to 1.76%，and ammonia concentration deviation can be reduced to4.31%. The temperature deviation is only ±2K，and the entire flue resistance is 1183K.The entire optimization design is far better than the technical specifications.

Keywords ? Waste gas incineration，SCR，flue design，simulation optimization.

前言

隨著 “碳達峰”“碳中和”發展路線的提出，對環境要求也越來越提高。其中垃圾分類也在上海等地區實施，為廢氣焚燒廠提供了更加優秀的焚燒垃圾，同時各界對廢氣焚燒廠的要求也越來越嚴。目前，廢氣焚燒處理具有技術可靠、容量大、對垃圾適應性強、運行維護方便等優點，具有較高的推廣價值[1]。但是，其會排放大量的污染煙氣，如NOx、Sox以及二惡英等。因此，需采用過不同治理方法對其污染煙氣進行處理，其中選擇性催化還原法（SCR）脫硝工藝是目前我國使用較為廣泛的脫硝技術，該技術具有脫硝效率高、控制方便、運行可靠等特點[2，3]。

Liu 等[4]針對低揮發分燃煤鍋爐系統中 SCR系統煙道和導流板布置進行了優化設計仿真，有效降低了 NOx 排放，并減少了氨耗量。陶正新等[5]采用 CFD 仿真技術對 SCR脫硝裝置進行優化改造，對彎道內側弧形導流板和整流格柵結構進行優化設計，大幅消減了催化劑層上方低速區，改進了煙氣速度分布的不均勻性。除此之外，國內陳太平[6]、董陳[7]、張波[8]、張彥軍[9]等都對SCR煙道系統進行了優化設計，證明了采用CFD仿真優化設計后，能夠有效提升脫硝效率，減少NOx的排放量。

本文針對某化工廢氣焚燒廠中兩臺SCR 脫硝系統為研究對象，分別研究了導流板、靜態混合器、整流器等裝置對SCR脫硝系統中溫度場、氨濃度場、速度場的影響，并分析比較各種裝置的作用，提出了優化設計方案。

1 SCR煙道及仿真模型介紹

1.1 SCR煙道介紹及仿真要求

某廢氣焚燒電廠的兩臺廢氣焚燒爐分為PROJIECT1和PROJIECT2，煙道系統如圖 1所示。PROJIECT1煙道系統總長15米，為L型設計，兩層催化劑層，PROJIECT2煙道系統總長12米，一層催化劑層。兩者均要求通過煙道設計使得進入催化劑前速度偏差10%以內，濃度偏差5%以內，溫度偏差±10K，其中PROJIECT1速度偏差為20%，氨濃度偏差為15%，溫度偏差為±25K;PROJIECT2速度偏差從16%，氨濃度偏差為18%降低，溫度偏差為±20K。

PROJIECT1和PROJIECT2的入口煙氣條件及噴氨量如表1所示。

1.2 數值仿真模型介紹

SCR煙道系統數值仿真模型主要涉及到流場模型（標準k-?模型[10]）及催化劑模型（多孔介質模型[11]）。SCR 煙道系統數值仿真過程中數學模型的基本控制方程包括連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，這些為基礎方程不做詳細介紹。

1.2.1 標準k-?模型

SCR 煙道系統內煙氣呈湍流流動，本文選擇標準k-?模型模擬煙道系統中煙氣流動過程。湍動能 k與耗散率?對應的輸運方程[10]如下：

1.3數值仿真網格介紹

網格采用六面體和四面體網格相結合的方式，其中PROJIECT1網格950萬，PROJIECT2網格910萬，并進行網格無關性驗證，保證結果與網格數量無關。具體網格如圖 2和圖 3所示。

1.4評價指標

本文采用相對標準偏差描述 SCR煙道系統中特定截面的速度及濃度等參數偏離其平均值的程度。相對標準偏差定義如下[12]：

1.5模擬工況

表 1給出了PROJIECT1及PROJIECT2的模擬工況。

2 模擬結果與分析

2.1 PROJIECT1模擬結果與分析

2.1.1 PROJIECT1額定工況下速度場

圖4給出了PROJIECT1中4個案例在額定運行工況下的速度場，經過計算發現，四個案例經過各種裝置的聯合作用下，各個速度場分布都較均勻。但是不難發現，一級靜態混合器的作用效果明顯，其能夠形成擾流使得氨氣噴入后快速混合。而一級靜態混合的形式也有著明顯的不同，星型靜態混合器的結構更有利于氨氣噴入后的快速混合。整流器的存在起到的作用相對較弱。表 2給出了第一層催化劑前0.1m處的速度分布的相對偏差結果，不難發現，四個案例的相對速度偏差均小于15%的要求。其中，案例四的方案效果最好，僅2.01%，遠遠低于要求。

2.1.2 PROJIECT1額定工況下PROJIECT1濃度場

圖5給出了PROJIECT1中4個案例在額定運行工況下的速度場，經過計算發現，四個案例經過各種裝置的聯合作用下，各個濃度場分布都明顯改善。但是不難發現，一級靜態混合器的作用效果明顯，其能夠形成擾流使得氨氣噴入后快速混合。而一級靜態混合的形式的作用相對較弱。整流器的存在起到的作用也相對較弱。表 3給出了第一層催化劑前0.1m處的氨濃度分布的相對偏差結果，不難發現，四個案例中，沒有一級靜態混合器的案例1中的氨濃度排查大于目標5%的要求，其它三個案例的相對濃度偏差均小于5%的要求。其中，案例四的方案效果最好，僅2.33%，遠遠低于要求。

2.1.3 PROJIECT1額定工況下PROJIECT1溫度場

圖 6給出了PROJIECT1中4個案例在額定運行工況下的溫度場，經過計算發現，四個案例經過各種裝置的聯合作用下，各個速溫度分布都較均勻。但是不難發現，一級靜態混合器的作用效果明顯，其能夠形成擾流使得氨氣噴入后快速混合。而一級靜態混合的形式的影響相對較弱。整流器的存在起到的作用相對較弱，且存在偏斜。表 4給出了第一層催化劑前0.1m處的溫度分布的相對偏差結果，不難發現，四個案例的平均溫度相對偏差均小于10K。其中，案例四的方案效果最好，僅±3K，遠遠低于要求。

2.1.4 PROJIECT1額定工況下壓力降

圖 7給出了PROJIECT1中4個案例在額定運行工況下的壓力場，經過計算發現，四個案例經過各種裝置的聯合作用下，總壓力降均符合要求。但是不難發現，一級靜態混合器的作用效果明顯，其存在壓力降顯著增大。而一級靜態混合的形式也有著明顯的不同，星型靜態混合器的結構相對面積較小，因此壓降較小。整流器的存在起到的作用相對較弱。表 5給出了經過不同裝置處的壓力降，不難發現，四個案例的壓力降均為超過2000Pa。其中，案例三的方案效果最好，僅1383Pa。

2.1.5 二級及三級靜態混合器的作用

二級及三級靜態混合器的作用是分別通過強制上下和左右流動，使得速度場和濃度場溫度場快速混合，從而削減彎管帶來的影響。為了更清晰的說明二級及三級靜態混合器的作用，對二級及三級靜態混合器的前后界面進行監測，三個截面ABC如圖 8所示。

通過監測ABC三個截面的速度場、濃度場以及溫度場，結果如圖 9所示。不難發現，增加了二級和三級混合氣器后，無論是速度場、濃度場以及溫度場在C截面后達到了相對均勻的結果，經過二級混合器后氨氣濃度場以及溫度場明顯改善，但是速度場存在著較大差距。不過再經過三級混合器后，三個指標均明顯改善，這也說明了二級及三級混合器需要聯合使用才能夠有效的起作用。經過計算發現，A截面的氨氣濃度相對偏差為13.3%，B截面的氨氣濃度相對偏差為7.1%，C截面的氨氣濃度相對偏差為3.3%，由此可見，二級及三級混合器在對氨濃度場均勻分布的作用顯著，是無法取消的。

2.1.6 PROJIECT1低負荷工況下模擬結果與分析

采用案例四中裝置設置方式，并用相同的方法模擬分析了PROJIECT1低負荷運行性條件下的工況分析，結果如圖 10所示，PROJIECT1低負荷運行性條件下的速度場、濃度場、溫度場及壓力場分布均符合設計要求，經計算得到，平均速度0.75m/s，速度相對偏差為3.33%;平均氨氣濃度3.37e-3，速度相對偏差為2.80%;平均溫度為582.9K，最高溫度為581.3K，最低溫度為583.9K，平均偏差不超過±2K;整個煙道壓力降為1010Pa。

2.2 PROJIECT2模擬結果與分析

2.2.1 PROJIECT2額定工況下

采用PROJIECT1的分析方式，并用相同的方法模擬分析了PROJIECT2的工況，對一二三級靜態混合器、導流板、整流器等裝置進行分析比較，最后發現采用一二三級混合器、導流板和整流器的結果最好，其結果如圖 11所示，PROJIECT2額定工況運行性條件下的速度場、濃度場、溫度場及壓力場分布均符合設計要求，經計算得到，平均速度4.03m/s，速度相對偏差為1.76%;平均氨氣濃度8.45e-05，速度相對偏差為4.30%;平均溫度為622.36K，最高溫度為 623.47K，最低溫度為 620.42K，平均偏差不超過±2K;整個煙道壓力降為1183Pa。

2.2.2 PROJIECT2低負荷運行工況下

采用相同的方法模擬分析了PROJIECT2低負荷運行工況，其結果如錯誤！未找到引用源。所示，PROJIECT2額定工況運行性條件下的速度場、濃度場、溫度場及壓力場分布均符合設計要求，經計算得到，平均速度3.6m/s，速度相對偏差為2.58%;平均氨氣濃度9.46e-5，速度相對偏差為4.31%;平均溫度為622.35 K，最高溫度為621.41K，最低溫度為623.2K，平均偏差不超過±2K;整個煙道壓力降為1143Pa。

3 結 ?論

針對某化工廢氣焚燒廠中兩臺鍋爐的SCR煙道系統優化設計，采用湍流和多孔介質模型，分析比較了各種工況，最后給出了最優的方案設計，具體結果如下：

（1）PROJIECT1案例中，采用一二三級靜態混合器、彎管導流板、擴口導流板結合整流器的方案最優，額定工況運行下其結果能夠使得速度偏差從20%降低2.01%，氨濃度偏差從15%降低至2.33%，溫度偏差為±3K，整個煙道阻力為1393K，整個優化設計均遠優于技術指標要求。其中一二三級靜態混合器的作用是使得氨氣濃度分布均勻，而導流板主要是幫助速度場分布均勻。

（2）PROJIECT2案例中，采用相同的方案，額定工況運行下其結果能夠使得速度偏差從16%降低1.76%，氨濃度偏差從18%降低至4.31%，溫度偏差為±2K，整個煙道阻力為1186K，整個優化設計均遠優于技術指標要求。

參考文獻：

[1]揭濤. 某生活化工廢氣焚燒廠SCR脫硝系統數值模擬研究[J]. 廣州化工，2020，48（17）：94-96，133.

[2]錢成緒.火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程配套計算方法 [M]. 北京：中國電力出版社，2004：104-106.

[3]陳海文，肖旭，黃加昀.煉鐵廠燒結機SCR脫硝系統煙道優化設計[J].能源環境保護，2021，35（02）：69-74.

[4]Xing Liu，Houzhang Tan，Yibin Wang，et al.Low NO Combustion and SCR Flow Field Optimization in a Low Volatile Coal Fired Boiler[J]. Journal of Environmental Management，2018，220（5）：30-35.

[5]陶正新，韋紅旗，李文霞，等.基于 CFD 模擬的 SCR脫硝裝置優化改造[J].發電設備，2019，33（3）：178-181.

[6]陳太平.300MW煤粉鍋爐SCR煙氣脫硝裝置數值模擬及結構優 化[D]：哈爾濱工業大學，2015.

[7]董陳，喬海勇，牛國平，等.某600MW機組SCR煙氣脫硝裝置優 化設計[J].熱力發電，2014，43（12）：99-104.

[8]張波，張偉，牛國平.300MW機組鍋爐SCR裝置流場研究[J].熱 力發電，2012，41（7）：22-24，48.

[9]張彥軍，高翔，駱仲泱，等.SCR脫硝系統入口煙道設計模擬研究 [J].熱力發電，2007，36（1）：15-17，23.

[10]王福軍.計算流體動力學分析-CFD 軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：1-121.

[11]江帆，徐勇程，黃鸝.FLUENT 高級應用與實例分析[M].北京：清華大學出版社，2018：382-383.

[12]周智健，王信，常劍，陳宏剛，牛玉廣.660 MW 燃煤電廠 SCR 脫硝系統 CFD模擬優化研究.中國電機工程學報.https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.202015.

上海漢卓科技能源有限公司 ?上海 ?200235