基于CFD示蹤模擬的SCR系統噴氨優化調整研究

陸偉

摘 要：該文以某660 MW超超臨界燃煤電站SCR系統為研究對象，對24路噴氨支管子單元劃分為A、B、C、D4組，分別以SO2、CH4、NH3、SO3為示蹤氣體研究噴射入口與系統出口的對應關系。研究表明，噴射入口與系統出口截面總體上具有良好的對應性，靠近反應器中心線的位置兩者對應關系較好，靠近煙道壁面位置兩者對應關系相對較差，這與煙道的結構型式有著較大關聯。基于噴射入口與系統出口的映射關系可以有效地指導噴氨支管閥門的針對性調整，有利于超低排放形勢下機組的高效運行。

關鍵詞：SCR 示蹤氣體 映射關系 噴氨優化

中圖分類號：X701.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（c）-0029-02

目前，我國燃煤電站處于超低排放改造的攻堅階段，國家嚴格要求到2020年全面實現超低排放改造，即實現SCR脫硝系統出口NOx濃度排放小于50 mg/Nm3，這對SCR系統的優化運行調整帶來了嚴峻的挑戰[1]。根據文獻[2-3]研究表明，要實現SCR系統的高效運行，必須保證系統內良好的氨氮混合匹配度，而在實際運行過程中，SCR系統煙道任意截面內NOx濃度的分布是非常不均勻的，因此必須對噴氨格柵各路支管閥門的開度進行針對性調整，以全面提升系統的脫硝性能。

長期以來，國內外科研單位在進行噴氨優化調整時，很大程度上是通過測量SCR系統出口截面內的NOx濃度分布、NH3逃逸特性[4]，然而，由于SCR系統本體結構相對復雜，很難直觀地找到噴氨支管閥門與出口截面區域煙氣特性的對應關系，實際調整中存在很大的經驗性、盲目性，調整工作耗時長、精度差、效率低，因此，有必要尋找一種較為先進的方法以指導SCR系統的噴氨優化調整。

該文提出了基于CFD示蹤模擬的SCR系統噴氨優化調整指導方法，通過建立SCR系統三維全尺寸幾何模型，采用不同的示蹤氣體分別定義噴氨格柵AIG入口噴射參數，通過示蹤氣體入口噴射特性與出口分布特性的映射關系，實現精確指導噴氨支管閥門與出口截面區域煙氣特性的對應關系，對超低排放形勢下SCR系統的噴氨優化調整具有重要意義。

1 研究對象與方法

該文以某660 MW超超臨界燃煤電站SCR系統為研究對象，其選取液氨作為還原劑。該機組共有A、B兩個SCR反應器，煙氣從省煤器出口進入SCR系統，依次經過多組導流板、噴氨格柵、AIG混合管、整流格柵等進入SCR反應器發生脫硝反應，隨后“潔凈”的煙氣進入下游空預器。超低排放形勢下，SCR反應器采用了三層催化劑滿布置的改造方案，該SCR系統采用分區控制式噴氨格柵，單側各有24個手動蝶閥分別調控24個“H型”噴氨格柵子單元，同時AIG下游布置AIG混合管以加強氨氮混合強度。

該文基于Gambit建立SCR系統全尺寸幾何模型（單側），包括內部導流板、噴氨格柵、AIG混合管、整流格柵、催化劑層等；對AIG及混合管、整流格柵、導流板附近流域進行網格加密處理，近壁處采用壁面函數法近似處理，規則流域采用六面體網格，復雜流域采用四面體網格，經獨立性檢驗最終確定網格劃分總數約350萬。

2 結果與討論

開展滿負荷工況下的數值模擬研究，對噴氨格柵AIG 24個“H型”噴氨格柵子單元入口邊界分組自定義，具體為：子單元1～6噴射示蹤氣體為SO2，子單元7～12噴射示蹤氣體為CH4，子單元13～18噴射示蹤氣體為NH3，子單元19～24噴射示蹤氣體為SO3。定義各示蹤氣體的物性參數保持一致，入口噴射速度亦保持一致，由此獲得的AIG截面示蹤氣體分布特性。通過AIG截面可以很清晰看出，不同煙道流域內對應噴入了不同的示蹤氣體。

基于上述實驗工況，該文截取分析了對象機組SCR系統出口煙道截面內示蹤氣體的分布特性，如圖1所示，可發現，對應示蹤氣體入口噴射位置與出口分布位置總體上具有較好的空間對應性，但是隨著煙氣的流動過程，示蹤氣體不可避免地產生了擴散作用。

進一步分析靠近SCR系統煙道中心線的AIG單元噴射與擴散特性，盡管存在擴散作用，但核心濃度區的對應性良好，這說明對于靠近反應器中心側位置的煙氣流域范圍內，噴氨格柵噴射位置與對應出口位置的空間對應性較好，而分析遠離SCR系統煙道中心線的AIG單元噴射與擴散特性可以看出，該區域內示蹤氣體核心濃度區均偏向兩側的煙道壁面，噴射入口及出口的空間對應性相對較差，該文猜測，這與對象機組SCR系統出口煙道位置的漸縮口有著較大關聯。對此，在進行SCR系統噴氨優化調整時，根據兩者的對應關系進行關鍵噴氨閥門的針對性精準鎖定，從而對應的調整噴氨支管以提升系統運行性能。

3 結論與建議

（1）SCR系統噴氨格柵AIG噴射入口與系統出口截面總體上具有良好的對應性，SCR系統優化運行調整中，可基于兩者的映射關系對噴氨支管閥門進行針對性調整。

（2）靠近反應器中心線的位置兩者對應關系較好，靠近煙道壁面位置兩者對應關系相對較差，這與煙道的結構型式有較大關聯。

參考文獻

[1] 環境保護部，國家發展和改革委員會，國家能源局.關于印發《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》的通知[R].（2015-12-11）[2016-04-10].

[2] 西安熱工研究院.火電廠SCR煙氣脫硝技術[M].北京：中國電力出版社，2013：13-19.

[3] Yao Jie，Zhong Zhaoping，Zhu Lin.Porous medium model in Computational fluid Dynamics Simulation of a HonEycombed SCR DeNOx Catalyst[J].Chemical Engineering & Technology，2015，38（2）：283-290.

[4] 方朝君，金理鵬，宋玉寶，等.SCR脫硝系統噴氨優化及最大脫硝效率試驗研究[J].熱力發電，2014（7）：157-160.