某600MW 機組SCR 脫硝系統煙氣流場的優化研究

董娟 余杰

（1、銀川能源學院電力學院，寧夏 銀川 750105 2、中建安裝集團有限公司華西分公司，陜西 西安 710000）

我國作為以燃煤為主要能源的發展中國家，火電機組每年的煤炭的使用量和我國總的燃煤量都位居全球第一[1]。火電機組雖然在經濟性和安全性上占有優勢，但也有缺點和不足。焚燒煤炭生成了大量一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害氣體，造成嚴重的環境污染[2]。并且隨著火電機組的增加，對煤炭的需求增大的同時污染也進一步增加。據不完全統計，大約67%的NOX來源于燃煤電廠[3]，所以控制NOX排放量必須先從火電廠抓起，火電廠的治理問題是重中之重。目前國內機組在脫硝系統改造方面取得了良好的成效，但部分機組仍存在脫硝效率低、NOX排放及氨逃逸超標等問題。因此有必要對煙氣脫硝系統進行優化研究，實現燃煤電廠超超低氮排放以及脫硝系統的高效經濟運行。

1 SCR 系統建模

1.1 機組系統介紹

某國內電廠的600MW 超臨界機組采用SCR 脫硝技術，且通過煙氣與稀釋后的氨充分混合達到脫硝效果。經對該電廠脫硝裝置的資料收集可知，機組BMCR 工況下脫硝系統入口處煙氣的NOX含量為550mg·Nm-3。

1.2 幾何模型的建立

該模型長為28.23m，寬為14.14m，高為20.76m。主要組成包括導流板、噴氨格柵及催化劑層。為方便快捷的對該脫硝系統進行數值模擬計算，本文對該機組的實際脫硝裝置進行了合理簡化，即忽略煙道內某些影響作用小的復雜結構，忽略導流板與均流板厚度的影響等。

1.3 邊界條件的設定

在本文數值模擬計算中采用標準壁面函數，壓力- 速度耦合采用SIMPLE 算法，流場計算的各控制方程按有限體積法進行離散求解，且采用二階迎風的離散格式，多次迭代進行計算，設置模擬結果收斂殘差為10-6。

SCR 系統內的主要流動介質為煙氣。將煙氣入口設置為速度入口條件，入口速度為8.35m·s-1，流體湍流參量設置指定湍流強度為2.55%，水力直徑為12.7m；將煙氣出口設置為自由出流條件；將SCR 脫硝系統內部的全部壁面和導流板設置為wall，且均設置為無滑移絕熱邊界條件。

1.4 網格劃分

采用gambit 軟件對本文SCR 系統繪制網格，并為得到較好的網格質量在直線段煙道繪制為結構化網格。為了較高的計算精度和減少計算誤差，在布置導流板（均流板）及噴氨格柵的區域進行局部加密操作。網格劃分如圖1 所示。繼續增加網格數量，模擬結果的變化趨勢不大，綜合考慮到計算機耗時與模擬結果，確定網格數量為150 萬時計算合理。

圖1 原始SCR 系統網格劃分圖

2 Fluent 模擬具體過程

2.1 數值計算過程

本文利用Fluent 軟件，對選定的脫硝系統進行方案優化的步驟如下所述：

2.1.1 根據600MW 機組的SCR 系統圖紙及有關資料進行模型建立。

2.1.2 先調節優化SCR 反應器的煙道結構后，對布置的導流板進一步優化。

2.1.3 對已經建立的模型繪制良好的網格，并設定合理、準確的邊界條件。

2.1.4 設計不同優化方案，模擬計算不同工況，收集有關數據并進行處理，依據評價指標對結果進行評定，選定最優的煙道布置方案。

2.1.5 對模擬計算后的數據進行分析，最終得出最優的脫硝反應器的結構。

2.2 模擬結果評價標準

對于SCR 系統的評價標準有兩個：一是對系統內流場的分布均勻性進行評價，系統內的流場滿足要求；二是對發生化學反應的均勻性進行評價，即氣體NH3與N2混合均勻，氨氣的濃度場需要滿足要求。本文選擇使用相對均方根法，評價首層催化劑速度和濃度分布的均勻性[5]，表達式如下：

式中：CV- 相對標準偏差系數；σ- 測量面的標準偏差；x- 測量面的速度或濃度的平均值；xi- 測量面任意點的速度或濃度；n- 測量面選定測點的數量。

3 原始SCR 系統流場分析

如圖2 所示為煙氣流經原始SCR 系統的速度云圖。從圖2（a）的剖面速度場可以看出，當煙氣從入口流經第二個彎頭處，因為煙氣具有向左的流動慣性，在該豎直煙道靠左側區域的煙氣流速較高，且發生左側貼壁流動現象，而煙道右側的煙氣流速較低。這種現象沿煙氣流動方向愈來愈嚴重，在第三個彎頭遠離拐角處區域的煙氣流速達到最小值，形成流動死區。由圖中第二個彎頭后的豎直煙道與第三個彎頭處的水平煙道的流場云圖可以看出，豎直煙道處煙氣流場的均勻性顯著影響到進入水平煙道的煙氣流場的均勻性，最終影響到催化劑層上方的流場均勻性。為使催化劑層上方1m 處的截面速度偏差系數低于15%，必須考慮到脫硝系統內整體流場的均勻性，為此本文先對入口煙道處的速度場均勻性進行研究，即對Y=10.25m 處豎直煙道截面處的流場進行分析研究，模擬結果如圖2（b）所示。

圖2 原始SCR 系統速度云圖

由Y=10.25m 截面處的速度云圖可以看出，煙道內的煙氣流場分布顯著不均勻，呈現出左高右低的狀態。經過水平煙道后進入布置催化劑層的上方區域，形成煙氣流速右高左低的狀態。在右側的煙氣高速區，由于煙速較高，使煙氣在該區域的停留時間不足，使噴入的氨與煙氣中的氮氧化物無法進行充分良好的還原反應，脫硝率降低的同時造成氨逃逸的后果，會對下游空氣預熱器的正常工作造成一定的危害。速度場的不均勻性也會導致煙氣對催化劑骨架沖刷的效果不同，最終造成高速區的催化劑層磨損比較嚴重。

4 煙道結構優化的SCR 系統流場分析

根據上文可知，催化劑上層1m 處速度偏差值不滿足要求的主要影響因素為上游豎直煙道進口煙氣流場不均勻。為了對流場進行較大幅度的改善，本文首先選擇通過對第二個彎頭處的煙道結構改造進行速度場優化，主要設計了兩種優化方案，具體如下文所述。

4.1 方案一優化設計及流場分析

方案一將位于下方U 型拐角的第二個彎頭處的單側漸擴煙道+直角煙道，改造為雙側漸擴煙道，漸擴度數與原系統保持一致為45°。

為了對方案一進行更廣范圍的探索，并得出與原SCR 系統更好的流場狀態，本文對方案一進行了導流板一的布置數量依次為4 塊、5 塊與6 塊的數值模擬計算，流場圖如圖3 所示。從圖3（a）、（b）與（c）可以看出，三種不同導流板一數量下的流場圖變化比較類似，可以導流板一數量為4 塊為例進行分析。由圖3（a）可以看出，與原SCR 系統流場相比，方案一煙氣高速區明顯減小，各彎頭處流動死區也減小，流場均勻性顯著提高，但豎直煙道依舊一定程度的存在左高右低的速度分布趨勢。比較圖3（a）、（b）與（c）可以看出，不同導流板一數量對流場均勻性影響相對較小。

圖3 方案一導流板一不同數量下的流場圖

4.2 方案二優化設計及流場分析

方案二將位于下方U 型拐角的第二個彎頭處的單側漸擴煙道+直角煙道，改造為雙側對稱直角煙道，對該方案下的模型進行數值模擬計算。

與方案一的優化設計相對應，同樣對方案二中不同數量的導流板一進行了模擬計算，處理后的各流場圖如圖4（a）、（b）與（c）所示。由圖4 可以發現，與原SCR 系統相比，方案二布置下第二個彎頭處的流場均勻性得到顯著改善，進入催化劑層的煙氣流速分布均勻性也得到優化。與原系統的截面速度云圖相比可以看出，方案二的高速區減小，等速度區增大。流場均勻性的提高，減小了流動死區，可以進一步提高脫硝效率，減少氨逃逸，有利于煙道下游設備的安全運行。

4.3 方案一與方案二的結果對比及分析

由上文分析可知，進行優化改造后的方案一與方案二與原SCR 系統相比，均達到了提高速度場均勻性的效果。由圖3 與圖4 的流場圖進行對比分析可知，方案二比方案一截面云圖的等速區域更大，且高速中心有向中部偏移的趨勢，流場均勻程度更好。流場均勻性好的催化劑上層區域，能保證脫硝反應更均勻的進行。

圖4 方案二下不同導流板一數量的流場圖

因入口煙道處的截面比較窄，結合實際的導流裝置安裝必需空間與安裝難度，導流板一數量的合理安裝數量分別為4 塊、5 塊與6 塊。可以明顯看出，對原SCR 脫硝系統進行煙道結構改造后，Y=10.25m 處豎直煙道截面處的速度偏差系數降低幅值較大，流場均勻性得到顯著改善。方案二較方案一的流場均勻性得到一定程度的改善。在本文研究范圍內，方案二的導流板一數量為6 塊時為最優改造方案，此時Y=10.25m 截面處的速度偏差系數為20.4%。

在本文的SCR 系統優化過程中，主要優化目標為煙氣流場。在對方案一與方案二的性能進行對比時，可將速度偏差系數設置為主要指標。兩個方案的壓降均低于系統設計壓降1000Pa，且兩者壓降差值不超過50Pa，考慮方案二下導流板一數量為6 塊時的速度偏差系數最低，確定其為此時的優化方案。

5 結論

本文對某600MW 機組SCR 脫硝系統煙氣流場進行優化研究，結果如下：

5.1 對原SCR 系統進行結構介紹并進行數值模擬計算，由模擬流場結果可知，煙氣流經第二個彎頭處的豎直煙道存在高速區與流動死區，使原系統不滿足催化劑層上方1m 處速度偏差系數小于15%的要求，需進行改造。

5.2 將原SCR 脫硝系統第二個彎頭處的單側漸擴煙道+直角煙道，改造為雙側對稱漸擴煙道與雙側對稱直角煙道，并對兩個改造方案中導流板一的導流板數量分別為4 塊、5 塊與6塊進行數值計算。由模擬得出的流場圖與速度偏差系數值可知，改造后的流場均勻性均優于原系統，相同導流板數量下方案二的流場均勻性均高于方案一，且在導流板數量為6 塊時達到最高值。