引入化學反應的600MW機組SCR脫硝系統模擬

引入化學反應的600MW機組SCR脫硝系統模擬

以600MW火電機組SCR脫硝裝置為研究對象，應用CFD軟件完成建立模型、劃分網格、選擇數學模型、設置邊界條件、模擬計算等工作，最終得出SCR脫硝系統流速分布及Cv值、壓力損失、NH3分布及逃逸濃度等結果。結果表明，SCR脫硝系統流速分布均勻、偏差符合設計要求，NH3與煙氣混合均勻，氨逃逸濃度低。

SCR脫硝;有限速率化學反應;流速分布;氨逃逸

0 引言

2012-01-01起實施的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223－2011)規定，2012年新建火力發電鍋爐及燃氣輪機機組大氣污染物中NOx排放限值為100mg/m3，現有火電機組也要在2014-07-01起執行該限值。隨著國家在“十二五”期間對火電廠NOx排放標準的大幅提高，現有常用的鍋爐低氮燃燒技術和SNCR選擇性非催化還原脫硝技術已不能滿足標準的要求，標準的實施意味著現有和新建火電機組都必須加裝SCR選擇性催化還原脫硝設備［1］。在常規SCR脫硝系統設計前期，利用CFD軟件對脫硝反應器內部流場及脫硝效果進行模擬分析是非常重要的技術手段之一［2－6］。

1 SCR脫硝反應器模擬

1.1 建立脫硝反應器三維模型

參照600MW火電機組SCR反應器的結構建立了三維模型，用于模擬反應器內流場分布、分析流速偏差率、計算系統壓降等。脫硝反應器外形依據現場及省煤器出口、鍋爐預熱器入口尺寸設計，且在反應器內部出入口設置了導流板、催化劑反應區前端設置了整流格柵、反應器底部設置了低位出灰斗。為進一步分析該反應器氨逃逸率等參數需要在入口處設置噴氨格柵，并在模擬過程中引入化學反應，選用了原模型中最具代表性的中間部分作為后續模擬的三維模型。脫硝反應器入口尺寸為2.84×12m，催化劑層數為2層，出口尺寸為3.8×12m。

1.2 三維模型劃分網格

圖1 SCR反應器模型分區及網格截面

由于SCR脫硝裝置結構復雜且導流板和整流格柵非常多，因此在劃分網格的過程中首先要對模型進行分區，針對不同的區域應用不同類型的網格單元對模型進行劃分。SCR脫硝反應器模型共分為9個區:入口不含導流板部分和催化分為6個區，選用六面體單元結構網格;入口含導流板、整流格柵與出口含導流板分別設置1個區，采用非結構性網格;灰斗部分單獨設1個區，采用四面體網格。

1.3 數學模型的選擇

1.3.1 氣相湍流模型

從雷諾時均N－S方程組出發、選用標準k－ε湍流模型對氣相湍流進行模擬。氣體流動模型包括三維連續性方程、動量方程和k－ε兩個輸運方程。

1.3.2 化學反應模型

模擬過程涉及到化學反應、混合和輸運過程，因此選用有限速率化學反應模型Laminar Finite－Rate的體積反應Volumetric Reactions作為氣相反應的化學反應模型。化學反應組分中忽略了煙氣中含量較低且對脫硝影響較小的成分，共設置了6種化學組分:H2O、N2、O2、NO、NH3、CO2，其中5種物質參與了脫硝化學反應。

1.4 設置邊界條件

(1)SCR脫硝裝置入口邊界條件。模擬過程中選擇了標準k－ε流模型，因此在煙氣入口位置定義邊界條件時首先將煙氣入口定義為速度入口形式，還要設置入口流速、水力直徑、湍流強度等參數。由于有限速率化學反應模型的引入需要設置入口煙氣各組分的質量百分比。

(2)噴氨格柵入口邊界條件。為達到最佳模擬效果，在噴氨格柵位置均勻布置了多點氨噴射噴嘴。在噴氨入口邊界條件設置過程中首先將噴氨入口設置為質量流入口并根據入口煙氣設計NOx濃度、脫硝效率、NH3/NOx摩爾比計算出氨實際噴射量。噴氨入口NH3噴射量不含空氣用量。

(3)催化劑層邊界條件。與常規SCR脫硝系統模擬相同本模擬過程同樣將催化劑層設置為多孔介質。由于原煙氣含塵量適中，所以選用常見18孔蜂窩式催化劑。SCR脫硝反應器邊界詳見表1。

表1 SCR脫硝反應器邊界條件

1.5 模擬結果分析

通過反復對網格文件的完善和模擬過程參數的調整完成殘差曲線的收斂，最終得出催化劑層流速分布、催化劑層速度偏差、系統流速分布、系統阻力、系統氨濃度分布等模擬結果。

1.5.1 催化劑層流速分布云圖及偏差分析

第一層催化劑出口流速分布云圖及催化劑出口流速x方向變化趨勢Plot曲線見圖2(a)、2(b);第二層催化劑出口流速分布云圖及催化劑出口流速x方向變化趨勢Plot曲線見圖3(a)、3(b)。

圖2 第一層催化劑出口流速分布及x方向變化趨勢Plot曲線

從圖2(a)、2(b)可知，當煙氣通過第一層催化劑從出口離開催化劑時流速范圍4～4.28m/s，平均流速4.14m/s，速度偏差Cv為3.4%。從上述結果可以看出，當煙氣進入催化劑層時催化劑的小孔均布結構使混合煙氣得到了充分的均布。這個位置的速度偏差非常理想，避免了空穴、高速流現象的出現。表明煙氣與氨的混合非常均勻，為氨對NOx的還原提供了非常好的前提條件。

圖3 第二層催化劑出口流速分布及x方向變化趨勢Plot曲線

從圖3(a)、3(b)可以看出，第二層催化劑出口流速范圍3.95～4.35m/s，平均流速4.2m/s，速度偏差Cv為4.8%。由于整個催化劑層對煙氣均布效果十分明顯，因此當煙氣離開第二層催化劑后煙氣流速還是十分穩定。但是由于催化反應區底部結構發生非常大的改變，因此流速偏差開始變大。

1.5.2 SCR脫硝反應器系統壓力損失

從SCR脫硝反應器系統阻力及催化劑層阻力模擬結果可知:整個脫硝反應器阻力1269Pa左右，而消耗在脫硝催化劑層上的阻力有581Pa。由于現場條件所限導致入口、出口流速偏高(18.08m/s、20.77m/s)，進而造成系統阻力略大。常規脫硝系統設計壓降范圍是800～1400Pa，本SCR脫硝系統阻力滿足這個范圍較為合理。

1.5.3 SCR脫硝系統NH3濃度分布及逃逸濃度

從SCR脫硝系統NH3濃度分布及脫硝系統出口NH3逃逸濃度模擬結果可知:還原劑NH3在SCR脫硝系統內濃度分布，很顯然在SCR脫硝反應器入口未噴氨處NH3濃度為零。當煙氣通過噴氨格柵后，NH3濃度迅速增大。由于噴氨格柵采用多點均布方式設計，噴氨格柵出口最高濃度達到了2.2× 10－4kmol/m3。當煙氣中NOx與NH3接觸后發生了還原反應轉換為N2，NH3隨著被消耗而濃度有所降低。在催化反應區內NOx與NH3反應十分充分，因此在模擬結果中也可以明顯看到催化反應區底部NH3濃度降到了7.7×10－5kmol/m3以下。SCR反應器出口NH3濃度，只顯示出2.2×10－7kmol/m3以下的NH3濃度范圍。從中可以看出SCR脫硝反應器出口局部最高濃度也只有5.5×10－8kmol/m3，完全符合現有氨逃逸的控制標準。

2 結語

通過針對600MW火電機組SCR脫硝項目進行了建立模型、劃分網格、選擇數學模型、設置邊界條件、模擬計算等一系列工作，得到了SCR脫硝系統流速分布及偏差、壓力損失、NH3濃度分布及逃逸濃度等模擬結果，得出如下結論:結構及導流板設計合理保證了SCR脫硝系統流速分布均勻、偏差符合設計要求;SCR脫硝系統內部流場穩定無明顯渦流，流速過渡平緩，系統阻力滿足設計要求;有限速率化學反應模型的引入，使CFD完成了對SCR脫硝系統煙氣中各組分出入口濃度的模擬;傳統的矩陣噴氨格柵布置方式可以實現NH3的均勻分配、脫硝系統正常運行及較低氨氮摩爾比;催化反應區內脫硝效果明顯，氨逃逸濃度達到較低水平。

［1］郭剛，李小勤，葉茂.600MW機組SCR煙氣脫硝裝置技術開發［J］.東方電氣評論，2009，23(92):57－61.

［2］張潔，馬駿彪，胡永峰，等.選擇性催化還原法煙氣脫硝關鍵技術分析［J］.華電技術，2010，32(12):71－74.

［3］劉小波，陳東林，姜昌偉，等.燃煤鍋爐選擇性催化還原脫硝反應器結構的模擬優化［J］.動力工程學報，2010，30(5):384－389.

［4］蔣新偉，施平平，鐘毅，等.電站鍋爐SCR系統流場的冷態試驗與數值模擬的研究［J］.能源與環境，2010，(3):51－55.

［5］溫正，石良臣，任毅如.FLUENT流體計算應用教程［M］.北京:清華大學出版社，2009.

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

Performance simulation of chemical reaction of 600 MW units SCR deNOxsystem in thermal power plant

王鍵，朱彤，王倆，楊劍，宋寶華，王中原，周欣，王瑾
(中節能六合天融環保科技有限公司，北京100084)

X701.7

B

1674－8069(2012)04－031－03

2012-03-26;

2012-06-07

王鍵(1980-)，男，漢族，本科，助理工程師，主要從事煙氣脫硫及脫硫副產物綜合利用方面的研究。E－mail:jian.wang @talroad.com.cn

Abstract:Taking the SCR deNOxsystem of 600MW units in a thermal power plant as an example，the study of the building models，division of grid，choosing the mathematical model，setting boundary conditions，and simulation work are completed with CFD software.The data of velocity distribution and Cvvalue，pressure loss，distribution and escaping concentration of NH3of the SCR deNOxsystem are obtained.Results indicate that velocity distribution of SCR deNOxsystem is uniformity，the deviations is in line with design requirements，NH3and flue gas mixed，the ammonia escaping concentration is low.

Key words:SCR denitrification;laminar finite－rate reactions;velocity distribution;ammonia escaping