SCR煙氣脫硝裝置煙氣流場數值模擬

楊 超，張杰群，郭婷婷

(北京國電龍源環保工程有限公司，北京100039)

隨著我國對氮氧化物(NOx)排放標準的提高，以燃煤為主的火電廠如何減少氮氧化物的排放越來越受到重視。在眾多的脫硝方法中，選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術具有脫硝效率高、運行可靠、無副產物、裝置結構簡單等優點，在世界上得到了廣泛的應用。近年來，對SCR脫硝技術的研究主要集中在脫硝反應器流場優化和催化劑的研發上，如何提高脫硝效率，延長催化劑的壽命等相關問題是研究的熱點。隨著計算流體力學和計算機技術的發展，利用高效、便捷的計算流體力學軟件對SCR脫硝系統進行數值模擬仿真，可以為脫硝反應器煙道、導流板及噴射系統的設計和改進提供重要參數［1-2］。

文獻［3］進行了SCR脫硝小型試驗、中間試驗、反應器混合與均流冷態實驗、以及SCR脫硝數值模擬?；赟CR數學模型并采用概率分布描述反應物的不均勻性，提出了一種對反應物不均勻性對脫硝性能的影響的模擬分析方法。文獻［4，5］以600 MW電廠選擇性催化還原反應器為研究對象，采用Fluent軟件，進行反應器內流場的數值模擬，得出較合適的導流板形態及流場，研究結果對脫硝系統內導流裝置和噴氨格柵的設計和改進提供參考。文獻［6］對SCR預分布器系統進行數值模擬，結果表明，導流板的位置對催化劑入口截面上的速度分布影響較大;噴氨格柵的結構與催化劑入口截面上的濃度場分布有密切的關系。文獻［8，9］采用數值模擬與物理模型試驗相結合的方法研究1 000 MW級SCR反應器內部流動與摻混特性，給出了渦流混合器的布置方案和噴氨流量調節方案。

本文以某600 MW燃煤機組SCR脫硝系統為原型進行數值模擬，針對雙SCR反應器、渦流混合器等具體方案進行優化設計，獲得BMCR工況下的流場。

1 幾何模型與網格劃分

對于實際燃煤電廠的脫硝裝置的設計，采取措施保證脫硝反應器中催化劑入口截面氣體速度和反應物分布的均勻性是主要技術關鍵。本文根據設計要求確定計算方案，確定SCR反應器、導流葉柵、整流板、渦流混合器等主要流動部件的幾何模型，提高第一層催化劑入口前氣流均勻性，使氨氣和氮氧化物充分混合，提高脫硝效率。此模型的幾何尺寸是按SCR系統的實際尺寸構造，幾何模型如圖1所示。

本工程氨噴射系統采用渦流混合器，它具有煙氣適應性強、混合效果好、噴射孔數量少、不需要維護等特點，稀釋后的氨氣通過管道噴射到駐渦區內，在渦流的強制作用下充分混合，達到催化劑入口混合度均勻的技術要求。

網格的生成采用FLUENT軟件的前處理軟件GAMBIT，根據SCR脫硝反應器模型的構造，對反應器進行了分區劃分，結構規則直線段煙道區域采用結構化六面體網格劃分，在結構相對復雜、流場變化大的區域(比如煙道拐角處與催化劑部分的連接煙道處等)則采用非結構化的網格或混合網格劃分?？紤]到計算精度及計算機的運算能力，在設置導流板的煙道拐角處和噴射格柵所在的噴氨煙道部分，進行網格加密，如圖2，網格數量約為150萬。

圖1 SCR系統幾何模型

圖2 網格劃分

2 數學模型與數值計算方法

大型電站鍋爐中，選擇性催化還原煙氣脫硝過程是十分復雜的，它涉及到反應器結構的設計，煙氣與還原劑在煙道和反應器里面的湍流流動，傳熱傳質，多組分輸運，化學反應等過程。由于條件所限，在建立模型之前需對實際過程作如下一些近似假設:

實際系統進出口溫差較小，系統絕熱;實際系統漏風較小，因此不考慮系統的漏風;煙氣中灰分對本文研究內容影響較小，因此不考慮灰分的影響;在反應器上游煙道中，煙氣各組分不發生化學反應;流動是定常流動;流體物性參數為常數。

2.1 通用控制方程

本文選取煙氣為流動介質，設流動為不可壓流動。方程的通用形式如下，文獻［6］給出了在三維直角坐標系下基本控制方程中各項的表達式。

2.2 紊流模型

標準雙方程模型:

2.3 數值方法

控制方程的離散采用控制容積法，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流項差分格式采用二階迎風格式。利用Gambit軟件對反應器模型進行網格劃分，網格采用非結構化四面體網格，在湍流變化復雜的區域進行局部加密。

根據煙道入口尺寸計算得到在BMCR工況下，系統煙氣入射速度為12 m/s。煙氣入口選擇速度入口邊界，湍流參數通過湍流強度和水利直徑來定義。出口為自由出流邊界，反應器壁面和導流板設置為壁面邊界，近壁區采用加強的壁面函數法。整流格柵采用多孔介質邊界條件。渦流混合器5個氨氣噴管設置為速度邊界條件。

3 數值模擬計算方案及結果分析

本節計算包括以下幾個部分:

1.模擬煙氣在SCR系統內的流動，系統中轉彎處不布置導流葉片、整流格柵等部件，考察煙道轉彎處的流動特征，為導流葉片、整流格柵等部件的設計提供參考;

2.確定導流葉片形狀、數量和位置，確定整流格柵的形式，對SCR系統進行流動模擬，分析系統中速度和壓力分布;

3.確定渦流混合器尺寸、定位和流量等參數，模擬反應器流動特性。

具體計算方案如表1所示:

表1 數值計算模擬方案

(1)方案1結果

圖3 方案1，SCR系統Z=0截面速度和壓力分布

圖3給出了方案1的SCR反應器對稱面(Z=0截面)的速度和壓力分布。

從得到的速度場以及壓力場分布圖可以看出，煙氣在經過彎道進入催化劑之前速度場分布不均勻。在慣性力和離心力的作用下，煙氣向SCR反應器外側偏斜，經過彎道以后，在SCR反應器催化劑入口前，煙氣速度變化較大，形成回流區，此現象將直接影響氨氣混合效果。因此，應改善整個煙道的速度場，必須在各個彎道處安裝導流裝置。

(2)方案2結果

為了改善SCR系統內部煙氣流動的均勻性，圖4給出了加裝導流葉片和整流格柵的速度和壓力分布。從圖4中可以看出，加裝導流板和整流格柵可以改善煙道內的速度場，煙氣在SCR系統內部流動均勻，流體流經彎道時的分離現象消失，催化劑入口速度分布均勻。催化劑入口處速度大小主要分布在4～6m/s之間。導流葉片有效地改善了兩個轉彎煙道的流動，該處的速度分布較均勻。整流格柵位置處的速度分布也得到了改善，速度分布不均勻區域主要集中在遠離省煤器側，根據以往的實驗結果，在整流格柵上方加裝擾流管，可實現整流格柵位置處的流場均勻分布。

圖4 方案2(導流葉片+整流格柵)，Z=0截面速度和壓力分布

(3)方案3結果

圖5給出了加裝渦流混合器后的速度場和壓力場，結果表明，渦流混合器具有雙重作用，一方面增強煙氣與氨氣的摻混，另一方面，可增加流場的均勻程度。從圖中可以看出，由于入口煙道結構上的偏斜，導致渦流混合器入口截面速度分布不均勻，對后續的渦流混合器位置及噴氨管流量的調節提供了設計指導。

從壓力結果可以看出，煙氣和氨氣的混合氣體在經過垂直煙道、轉彎導流葉片的作用下，在靠近省煤器側、整流格柵上方壓力低，在遠離省煤器側傾斜頂板上方壓力值高，試驗過程中，根據壓力和速度計算結果，指導擾流管的布置，擾流管可以有效改善催化劑入口截面的流場分布。

圖5 方案3(渦流混合器)，Z=0截面速度和壓力分布

4 結 論

通過對上述3種方案SCR脫硝系統流動和摻混的數值模擬，獲得了合理的SCR脫硝系統結構和尺寸，數值計算有效的指導了SCR脫硝系統的設計。

(1)通過加裝導流葉柵和整流格柵等方案，獲得了均勻的流場，實現了反應器內第一層催化劑入口斷面煙氣速度不均勻性小于15%的目標;

(2)在最佳流場布置前提下，優化渦流混合器的圓盤直徑和布置位置、角度，氨與煙氣在反應器中得到了充分的摻混，實現了NH3/NOx充分混合的目的。

［1］Nischt W，Wooldridge B，Bigalbal J.Recent SCR retrofit experience on coal-fired boilers［C］.New Orleans:Power-Gen International:1999(30):1-11.

［2］王志軒，潘荔，張晶杰，楊帆.我國燃煤電廠“十二五”大氣污染物控制規劃的思考［J］.環境工程技術學報，2011，1(1):63-71

［3］董建勛.燃煤電廠SCR煙氣脫硝試驗研究及數學模型建立［D］.保定:華北電力大學，2007.

［4］沈丹，仲兆平，過小玲.600 MW電廠SCR煙氣脫硝反應器內不同導流板的流場數值模擬［J］.電力環境保護，2007，23(1):42-45.

［5］俞逾，楊晨，范莉.電廠SCR系統的設計與數值模擬［J］.現代電力，2007，3(24):59-61.

［6］周麗麗，劉輝，雷志剛.選擇性催化還原反應器氣體預分布器內速度場和濃度場模擬［J］.化工進展，2009，28(增):194-198.

［7］郭婷婷，劉漢強，楊勇平，路光杰.基于數值模擬的1000 MW燃煤機組SCR脫硝系統設計［J］.電站系統工程，2010，26(5):61-64.

［8］Hanqiang Liu，Tingting Guo，Yongping Yang，Guangjie Lu.Optimization and Numerical Simulation of the Flow Characteristics in SCR System［C］.ESSG 2010.