電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統優化數值模擬

楊競

（中國計量學院浙江杭州310000）

電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統優化數值模擬

楊競

（中國計量學院浙江杭州310000）

本文以某電廠300MW鍋爐的選擇性催化還原（SCR）反應系統為研究對象，利用計算流體力學軟件對不同機構下SCR反應器的脫硝性能進行了數值模擬，并對數據模擬結果進行了分析。

煙氣脫硝；導流板；數值模擬

我國能源結構呈現出“富煤、缺油、少氣”的特征，因此在未來一段時期內，我國內動力能源消耗都仍然以煤炭為主。煤炭燃燒中會產生NOx、NOx以及煙塵等污染物，這些污染物會給環境帶來極大的負面影響，同時隨著低碳經濟、綠色經濟等發展理念得到人們廣泛認同，對NOX排放的控制工作已經成為了社會發展的重要問題。目前，在國際中應用最為廣泛的煙氣脫硝技術主要為SCR脫硝法，這一技術具有顯著的應用優點：（1）由于SCR脫硝法在實際操作過程中應用了催化劑，因此其對反應溫度的要求則相對較低；（2）SCR脫硝法在所有煙氣凈化技術中能夠獲得較高的凈化率，通常能夠達到90%以上，這是SCR脫硝法得到國際上廣泛認同的一個重要原因[1]；（3）具有較高的運行穩定性，SCR脫硝法的工藝設備使用較為緊湊，且具有較高的運行穩定性與安全性；（4）經過SCR脫硝法技術處理后的氮氣能夠直接釋放到大氣環境中，且不會對環境造成二次污染。雖然SCR脫硝法在實際應用中具有較多優點，但其在污染物排放方面仍然存在一定的不足，需要對其展開進一步的研究[2]。

國內學者在研究脫硝系統硫場分布情況、煙氣與氨混合均勻程度對催化劑的壽命影響、混合煙氣在催化劑作用下的反應情況時，多采用數值模擬的研究方法進行研究，毛劍宏等利用數值模擬以及冷態試驗對脫硫系統硫場進行了進一步優化；凌忠錢等雪珍針對300MW鍋爐SCR系統導流板進行了多冊的優化，最終得到了能夠符合設計需求的具體方案；楊超等學者則對渦流混合器進行了深入的探究，并對其煙道設置的優化進行了數值模擬，從而得到而來渦流混合器煙道設置的最佳方案[3]。本文也以某電廠300MW燃煤鍋爐的SCR反應系統為研究對象，展開了對系統優化的數值模擬工作，希望能夠通過本文的研究，得到該電廠300MW燃煤鍋爐SCR脫硝系統的最佳設置。

1 計算模型與數值模擬方案

1.1 計算模型

某電廠300MW燃煤鍋爐的SCR煙道設計要求達到：噴氨格柵上游煙氣速度偏差≤15%，煙氣進入SCR反應器的流速偏差< 15%，入口煙氣流向偏差≤±10°；氨氮比相對標準偏差≤5%，入口溫度分布偏差≤±10K，3層催化劑全部安裝后裝置的總壓降不超過1000Pa。

1.2 數值模擬方案

在數值模擬方案過程中，由于SCR反應器的煙道存在多個面積較大的擴口段，因此為了更好的確定不同擴口段對系統脫硫率的影響，需要進行多次建模處理，從而根據結果獲得最佳的導流板布置方案。

2 數值模擬與結果分析

2.1 無導流板時SCR反應器的數值模擬

計算結果表明，第一層催化劑入口處的速度偏差系數為31.9%，氨氮比分布偏差達到11.0%，速度和NH3體積分數分布存在嚴重不均問題，這些問題直接導致SCR反應器的脫硝效率無法達到預期，僅為72.5%，氨逃逸率也較高，達到了2.4×10-5，無法滿足設計需求。

2.2 初始方案SCR反應器的數值模擬

2.2.1 初始方案一

初始方案是在電站鍋爐SCR脫硝系統的煙道入口、流動調整氣之間以及煙氣流速變化較大的增加了導流板，從而希望能夠達到對SCR脫硝系統的優化目的。但初始方案并沒有獲得預期的優化效果。

2.2.2 初始方案二

為了解決煙道內氣流的偏斜問題，初始方案二在方案一的基礎上將導流板2的長度進行了加長，并優化設計了導流板2的出口間隙，經實驗操作發現，這種方案仍然無法解決煙道內的流速分布不均問題，且仍然存在氣流傾斜問題。

2.2.3 初始方案三

初始方案三是在方案二的基礎上，在導流板3之前增加了一段直板引導段，其目的是為了更好的優化在上升煙道內部的煙氣流速分布情況。經過實踐操作，發現初始方案3能夠顯著改善上升煙道內的煙氣流速分布情況，且其NH3體積分數的偏差也有了較大的降低，但其也存在一定的不足：第一層催化劑入口處的氨氮分布偏差仍然無法降低到所要求的數值之下。

2.3 最終方案SCR反應器的數值模擬

在之前模擬的三種初始方案的基礎上，最終方案采取了在SCR脫硝系統導流板2出的擴口段后方、導流板3的前方再加入一塊導流板。經過實踐操作，最終方案能夠有效消除前述三種方案存在的速度分布不均勻等情況，使得煙道內流場得到更好的優化，并使得NH3體積分數分布數值也更加合理，該方案的相關實驗參數都符合設計要求，這表明最終方案已經實現了對電場SCR脫硝系統的最佳優化。

3 結語

本文針對某電廠300MW鍋爐的選擇性催化還原（SCR）反應系統進行了數值模擬研究，經過方案一、二、三的嘗試，最終方案最終使系統各項參數達到了設計要求。

[1]凌忠錢,曾憲陽,胡善濤,周昊,岑可法.電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統優化數值模擬[J].動力工程學報,2014,01:50-56.

[2]旋繼新,馬素紅.燃煤電廠SCR脫硝系統控制及優化[A].中國節能協會熱電產業聯盟.2016燃煤電廠超低排放形勢下SCR(SNCR)脫硝系統運行管理及氨逃逸與空預器堵塞技術交流研討會論文集[C].中國節能協會熱電產業聯盟,2016:8.

[3]李德波,徐齊勝,廖永進,曾庭華,沈躍良,劉亞明,溫智勇.中國電站鍋爐SCR脫硝系統服役過程中運行規律研究[A].中國節能協會熱電產業聯盟.2016燃煤電廠超低排放形勢下SCR(SNCR)脫硝系統運行管理及氨逃逸與空預器堵塞技術交流研討會論文集[C].中國節能協會熱電產業聯盟,2016:7.