CFD技術在SCR脫硝系統中的應用

張文志，曾毅夫

（凱天環保科技股份有限公司工業生產環境技術湖南省重點實驗室，長沙 410100）

CFD技術在SCR脫硝系統中的應用

張文志，曾毅夫

（凱天環保科技股份有限公司工業生產環境技術湖南省重點實驗室，長沙 410100）

SCR脫硝技術是當前大型燃煤電廠煙氣脫硝的主導技術。針對某2×300MW電廠脫硝系統，應用CFD仿真分析方法對不同導流板結構進行了優化，得到了最優導流板結構；分析了不同噴氨速度、整流格柵結構以及靜態混合器結構對整個系統流場及濃度場的影響，說明了CFD模擬結果能有效地指導脫硝系統設計。

SCR脫硝系統；CFD；優化

1 前言

選擇性催化還原法（SCR）是當前大型燃煤電廠煙氣脫硝的主導技術，因其具有脫硝效率高、技術成熟、工作可靠、氨逃逸率低等特點而受到業內同行的認可。隨著氮氧化物排放污染的日趨嚴重，國家在“十二五”期間加大了對氮氧化物排放的控制力度，各大電廠、玻璃廠等都紛紛安裝了脫硝設備，脫硝市場不容忽視。

氨氣在催化劑前的混合均勻性程度直接影響著催化劑的壽命以及其在催化劑層反應情況的好壞，是考察SCR反應器設計的重要因素[1]，合理的布置靜態混合器、導流裝置以及整流格柵對脫硝效率有著重要的影響。目前，對于這方面的研究，主要還是基于CFD仿真技術，其以

節約成本和縮短項目周期而得到廣泛使用[2-5]。本文從不同導流板結構、靜態混合器結構、整流格柵位置以及噴氨速度幾個方面對流場、濃度場進行了分析研究，結果表明了CFD技術在SCR煙氣脫硝煙道設計中的重要作用。

2 CFD模擬計算條件

2.1 煙氣條件

本文為某臺300MW機組的SCR脫硝項目，主要參數計算見表1。

2.2 計算模型

本文的SCR脫硝系統主體大小為30×10×33（m）結構，噴氨方式采用噴氨格柵方式，反應器進口設置整流格柵，催化劑采用蜂窩催化劑。整個分析對象包括從反應器進口到空預器進口的整個煙道部分，具體模型如圖1所示。

表1 煙氣模擬參數

圖1 SCR脫硝系統示意

2.3 基本原理和假設

基于CFD理論[5]，求解連續性方程、動量方程、組分擴散方程以及湍流方程。采用速度入口，自由流出口邊界條件，壁面采用無滑移壁面邊界條件，對于催化劑層的模擬采用多孔介質模型。對本模型進行如下基本假設：

（1）在入口處為均一的氣體速度和濃度；（2）出口處氣體的速度和濃度充分發展；（3）忽略化學反應對流場的影響；

（4）系統運行穩定條件下，可認為其為穩態。

3 結果與討論

對SCR脫硝系統煙道內不同影響因素對流場以及氨氣濃度分布的影響進行研究，主要包括不同導流板結構、不同噴氨速度以及不同整流格柵結構和靜態混合器結構對催化劑上游速度分布、氨濃度分布以及速度偏差影響的數值模擬。

3.1 導流板的影響

不同結構導流板下SCR脫硝系統煙道性能參數對比情況見表2。

從表2可看出：AIG上游速度分布標準偏差比較穩定，維持在6%～7%之間，說明AIG上游導流板設計較為合理。而對于催化劑上游濃度分布情況，標準偏差也主要集中在5%～6%之間，說明導流板結構對其影響不大，這是因為氨濃度的分布均勻性主要取決于噴氨下游的擾動情況和混合距離長度的大小，對于現有的結構來說，混合距離是一定的，下游靜態混合器的結構也是一定的，這說明主要決定氨濃度分布的因素在導流板的設計過程中是一定的，導流板對的擾動相對較小，所以氨濃度分布的變化不會很大。但對于催化劑上游速度和角度偏差，導流板的影響是很大的，這也是設計導流板的目的。從表2中可明顯看出，只有CASE2、CASE4、CASE8速度標準偏差滿足設計要求，同時考慮催化劑上游角度偏差，CASE8是優選方案。最終優化CASE8如圖2～圖8所示，在整個煙道內部，已經不存在大的漩渦。煙道進出口壓降332.655Pa，催化劑層壓降維持在235.94Pa，可滿足性能指標要求。

圖2 導流板最終優化方案

圖3 壓力分布（Pa）

圖4 速度分布圖

圖5 速度矢量圖

圖6 催化劑上游速度分布（m/s）

圖7 催化劑上游氨濃度分布（kmol/m3）

圖8 催化劑上游角度偏差 (°)

3.2 整流格柵的影響

不同整流器結構圖如圖9；三種不同整流器結構或布置的結果對比見表3。

圖9 不同整流器結構圖

從表3中可以看出，整流格柵高度越高其整流效果越好，但所需的鋼材也越多；整流格柵距離催化劑越近，催化劑上游的速度和角度偏差越差，這是由于整流后的氣體處于未充分發展或穩定階段，距離催化劑層越遠，氣體發展的越充分，分布也越均勻。

3.3 噴氨速度的影響

不同噴氨速度對結果的影響見表4。

由表4可知，噴氨速度對催化劑上游速度分布及角度偏差影響較小，但是對于氨濃度分布有較大影響，CASE15就是通過調整每根管子的流量來匹配煙氣中NOx含量的一種方法，這也是線性控制式噴射格柵的調節方法，最終使其滿足設計要求。

3.4 靜態混合器的影響

不同靜態混合器結構對催化劑上游速度及濃度分布影響的分析結果見表5。不同結構靜態混合器平面圖如圖10。

圖10 不同結構靜態混合器平面圖

結合圖10的靜態混合器結構和表5的數據，從CASE16～CASE18可以看出，靜態混合器距離噴氨口越近，雖然對氨濃度分布有一定改善，但催化劑上游速度分布和角度偏差都變得很差，這是由于靜態混合器的位置在對氨濃度分布影響較大的同時，對于原有流場的影響也不小。因此要合理安放靜態混合器，使其既滿足氨濃度分布要求，也符合速度分布及角度分布要求。對于噴氨格柵來說，結合CASE16、CASE17、CASE19和CASE20可以看出，圓管型靜態混合器要好于現有弧形板混合器，同時，當前設計的弧形板混合器不僅沒起到加強氨混合的作用，反而使其混合效果變差。

4 結論

應用CFD仿真技術對SCR脫硝系統內不同導流板、靜態混合器、整流器結構以及噴氨速度大小進行了對比分析，得到如下結論：

（1）通過CFD仿真技術，可以很清晰地了解到不同導流板結構下，SCR脫硝系統煙道內的流場、濃度場變化情況，為設計合理的導流裝置提供了有效依據；

（2）整流格柵結構越高，整流效果越明顯，但消耗的鋼材也越多；合理的整流格柵位置有利于催化劑上游氣流的均勻性分布；

（3）靜態混合器的結構要根據具體的煙道結構來設

計，在加強氨氣與煙氣混合的同時，需要考慮其對煙氣流場的影響，以此來最終確定合理的靜態混合器結構；

（4）分區或者分塊來噴射不同速度的氨氣，有利于催化劑上游氨濃度的分布，但對煙道流場的影響相對較小。

表2 不同導流板對比

表3 整流格柵優化分析

表4 噴氨速度優化分析

表5 靜態混合器優化分析

[1]董建勛，李辰飛，王松嶺，等.還原劑分布不均對SCR脫硝性能影響的模擬分析[J].電站系統工程，2007，23（1）：21-24.

[2]ADAMS B，CREMER M，VALENTINE J，et al. Use of CFD modeling for design of NOx reduction systems in utility boilers[J].Proceedings of IJPGC02.Phoenix∶ ASME Digital Library，2002∶695-702.

[3]毛劍宏，宋浩，吳衛紅，等.電站鍋爐SCR脫硝系統導流板的設計與優化[J].浙江大學學報（工學版），2011，45（6）：1124-1129.

[4]WANG Zhihua，ZHOU Junhu，ZHANG Yanwei，et al. Experiment and mechanism investigation on advanced reburning for NOx reduction：influence of CO and temperature. Journal of Zhejiang University（Science），2005，6B（3）：187-194.

[5]郭婷婷，劉漢強，楊勇平.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.

[6]王福軍.CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：7-10.

Application of CFD Technology in SCR Denitration System

ZHANG Wen-zhi, ZENG Yi-fu

X701

A

1006-5377（2015）12-0057-04