發電廠SCR脫硝系統數值模擬研究進展

陳元金，李德波，殷立寶，高建強

（1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080）

0 引言

隨著工業不斷發展、NOX排放量的不斷增加，酸雨已由硫酸型向硫酸、硝酸復合型轉變[1]，NOX逐漸成為主要的氣態污染源。對于燃燒煤粉的電站鍋爐，其污染物氮氧化物排放主要是NO和NO2，其中NO約占90%以上，因此通常將NO和NO2總稱為 NOX。

近年來，政府及科研單位在對NOX污染的控制方面做了大量的研究工作，并且開發出了許多實用高效的新技術。按照氮氧化物在燃燒時控制階段的不同，其減排技術一般分為燃燒前、燃燒中和燃燒后的煙氣脫硝。燃燒中控制的手段主要為采用低NOX燃燒器、燃料混合、分級燃燒等。燃燒后脫硝的措施包括SCR（選擇性催化還原）法、SNCR（選擇性非催化還原）法、熾熱碳還原法、濕式絡合吸收法、電子束照射法和等離子體法以及微生物法等[2]，當下最主流的是SCR法和SNCR法。對于SNCR技術，當反應溫度低于900℃時會造成氨穿透的現象，所以對反應溫度控制要求比較高。SCR法是目前國際上應用最為廣泛的高效煙氣脫硝技術，技術成熟、不形成二次污染，且運行可靠、便于維護，最適合大力推廣[3]。

1 SCR脫硝系統數值模擬

SCR煙氣脫硝系統的效率不僅與所選催化劑的活性有關[4]，而且與整個脫硝系統流場、溫度場、煙氣組分分布及噴氨調整有關。由于數值模擬技術的飛速發展所帶來的便捷性和經濟性，數值模擬在SCR脫硝系統方面的研究得以深入開展。目前，數值模擬技術在SCR煙氣脫硝技術中的應用主要包括：SCR系統部件布置模擬研究，SCR脫硝系統內組分分布及反應模擬研究。通過模擬SCR系統內部件（如導流板、整流器及催化劑）布置，可以在最短的時間內得到大量關于流場、飛灰沖刷及磨損等數據，從而獲得最優的部件布置方式；而對于煙氣組分及反應的數值模擬可以得到實驗短時間內無法得到的大量信息，為催化劑的運行監測提供數據支撐。目前關于SCR脫硝系統模擬最大的困難在于：催化劑表面及內部的反應復雜性以及組分反應與流動傳熱的耦合，電廠實際運行時流場的多變性。因此，更加全面綜合的數值模擬方法有待進一步的研究。

2 反應動力學模型研究

SCR脫硝催化反應是較為復雜的氣固非均相反應，包括表面反應和內部反應。整個反應過程通常包括3部分：參與反應的各組分擴散到催化劑表面；各反應組分吸附在催化劑表面并發生反應；反應生成物脫附[5]。目前學術界普遍認可的SCR脫硝催化反應的機理主要為以下2種：

（1）Langmuir-Hinshelwood（L-H）機理， 認為主反應發生在溫度低于200℃，且在反應發生時，NH3和NO同時擴散到催化劑表面，然后同時吸附在催化劑表面相鄰的活性反應位上進行反應。

（2）Eley-Rideal（E-R）機理， 認為主反應發生溫度高于200℃，且反應時NH3先擴散到催化劑表面并被吸附，然后再與NO發生反應。

也有人認為隨著溫度窗口的擴大，2種機理可能同時存在[6]。對于目前火電廠普遍應用的蜂窩式釩基催化劑，研究認為E-R模型機理更符合實際情況。

在L-H機理和E-R機理的基礎上，有學者做了進一步的研究分析。文獻[7]中以E-R機理為動力學基礎，建立了SCR催化劑單孔道一維數學模型，用于模擬SCR催化劑孔道內的反應進程。模型同時還考慮了氨氧化的副反應以及孔道內反應的熱效應。利用模型計算了孔道內的組分濃度和溫度分布、不同運行參數對NO轉化率的影響，以及催化劑孔通道大小與孔形狀對脫硝效率的影響。廖永進等[8]采用E-R機理建立的速率方程對實驗數據進行回歸，得到了典型催化劑服役前后的表觀動力學參數，并分析了催化劑失活的原因。研究結果表明：催化劑服役前的NH3均衡速率常數的表觀活化能和表觀指前因子均比服役后增大。Tronconi等[9]以常用的釩鈦基催化劑為研究對象，通過研究反應溫度窗口發現：溫度在200℃以上時催化反應主要為E-R反應機理，在200℃以下時催化反應主要為L-H反應機理。

3 SCR系統部件模擬

在SCR脫硝系統實際運行中，噴氨合理性以及脫硝效率達標在很大程度上依賴于反應系統的流場及溫度場的均勻性[10]，而這又取決于系統內裝置（如導流板、整流器及催化劑）的布置形式，如圖1所示。

圖1 SCR系統結構

3.1 導流板優化數值模擬

脫硝煙道內構件的合理布置有利于煙道內流場的均勻化。對于SCR脫硝系統來說，其流場的均勻性等都有賴于煙道內導流板的布置，將導流板合理地布置在煙道擴口處、煙道上升拐彎部位以及整流器上部，可以很好地保證流場均勻性，減少脫硝系統由于煙道不均導致的磨損、積灰等。

在導流板優化設計布置方面，李德波在現場運行優化[11]的基礎上，采用三維穩態計算和SIMPLE算法，進行數值模擬研究[12-13]，對某燃煤機組SCR脫硝系統進行煙氣流場均勻性和飛灰沉積的綜合數值模擬。在加入飛灰顆粒離散相后，開展煙道內導流板結構以及導流板布置形式對SCR反應器內流場以及飛灰沉積的影響研究，結果表明：在導流板的弧形板后加裝一段豎直直板可進一步引導煙氣流動，減小回流作用，使煙氣進入上層催化劑層時速度更加均勻。同時經過多工況綜合分析考慮，給出了常規運行下優化布置的方案。LiMao等[14]以某600 MW超臨界鍋爐為研究對象，利用數值模擬研究導流板布置方式。在模擬過程中，通過在脫硝系統煙氣入口（圖1中1處）加裝2塊導流板，在脫硝系統上升彎道（圖1中2處）加裝5塊導流板，在整流器（圖1中3處）上方加裝9塊導流板，達到了優化煙道流場的目的。在完成導流板布置位置模擬研究后，還對導流板間距進行優化設計，保證了最佳的煙氣分布。

徐妍、李文彥[15]以某發電廠300 MW機組SCR脫硝反應器中導流板為研究對象，采用Fluent軟件，應用k-ε雙方程模型計算氣體的湍流運動，采用物質輸運方程預測煙氣組分的混合，研究反應器原設計方案下的速度場和濃度場信息，通過模擬5種不同的煙氣流速及4種不同結構的導流板下反應器內流場分布數據，得出最優的導流板結構及反應器內流場分布。文獻[16]采用Fluent軟件對SCR脫硝系統煙道彎道處4種導流板設置方案進行了模擬，通過對煙道內速度分布圖和煙道進出口壓力下降的分析，探討了導流板布置方式對脫硝煙道出口速度分布、進出口壓差及流動過程能量損耗的影響，得出以下結論：在脫硝煙道中設置導流板，可以顯著改善煙道內流場的分布；合理的導流板設計不僅能使流速變得均勻，還可以降低煙道的能量損失和壓降；但是，當導流板設計結構尺寸過大時，雖能很好地改善流場，卻因其本身影響使流體阻力增大，將導致煙道的能量損失和壓降增大。而文獻[17]認為脫硝反應器內流場均勻性取決于催化劑床層頂部導流板的性能，可通過改變導流板間距、導流板長度、與Z軸（垂直軸）的夾角以及第1塊導流板與反應器邊壁的距離，對煙氣整流格柵進行模擬，從而分析煙氣整流格柵結構參數對反應器流場分布的影響。

3.2 導流板及噴氨系統綜合模擬

通過合理設置煙道內導流板的位置可以改善煙道內流場的分布，但是由于實際運行中SCR煙道流場的復雜性，需要對導流板以外的噴氨格柵、混合器等進行綜合優化，才能達到實際運行需要的準確度[18-19]。

由SCR脫硝機理可知，NH3在脫硝中起到重要的作用[20-21]，噴氨量、噴氨均勻性及氨氮摩爾比的變化將直接影響到脫硝效率的高低。文獻[22]選取實際的脫硝反應器為研究對象，以分析脫硝系統中煙氣反應物組分濃度分布不均勻性對SCR脫硝性能影響為目的，進行了數值模擬分析。數值模擬結果表明，煙氣中噴氨分布的不均勻性對脫硝裝置的脫硝效率和氨逃逸有顯著影響。孫虹以某1 000 MW電站鍋爐SCR脫硝系統為研究對象，對脫硝反應器內的多組分分布、湍流流動及化學反應進行數值計算研究[23]。利用數值模擬多次試算獲得最優噴氨策略，并對該最優噴氨策略進行現場驗證，驗證結果表明：數值模擬分析所得的數據可有效指導噴氨優化調整，降低調整盲目性，提高現場工作效率。周麗麗考察了未加靜態混合器、多孔板以及導流板的空白模型和優化模型的數值模擬[24]，結果表明：加入靜態混合器、多孔板以及導流板的優化模型中，混合氣體的速度變化幅度明顯減小，在一定的區域內速度分布均勻；有效改善SCR系統中混合氣體的流動方向，減小回流區域。

3.3 催化劑相關模擬

催化劑作為SCR煙氣脫硝技術的核心工藝，是保證發電廠脫硝效率的關鍵所在，但是由于其工藝布置位置和煤質的影響，容易造成催化劑中毒、磨損的問題，造成催化劑活性下降。而數值模擬作為一種重要工具，對研究催化劑運行有重要的意義。

徐秀林等[25]采用Ansys Workbench對催化劑端面和孔壁磨損進行了數值模擬研究，分別討論了催化劑孔徑、布置間距及孔洞堵塞對催化劑運行中磨損的影響，揭示了催化劑磨損的規律；安敬學[26]以國內某600 MW超超臨界鍋爐脫硝系統催化劑為研究對象，利用數值模擬研究了飛灰顆粒場的不均勻分布對催化劑磨損的影響，同時提出了包括加裝導流撞擊裝置在內的6種不同的改造方案，顯著提高了脫硝系統運行的可靠性。在催化劑種類方面，東南大學的劉濤[27]采用Fluent模擬軟件，利用實驗數據得出的化學動力學參數，模擬蜂窩式、板式及波紋式催化劑阻力特性，結果表明使用蜂窩式催化劑脫硝效果最好。Kenji Tanno[28]以蜂窩式催化劑為研究對象，采用直接數值模擬對3種不同的流入條件（1個層流和2個湍流）進行計算，結果顯示：以湍流方式進入流動區域時，脫硝效率明顯高于層流方式，且隨著流動向下游移動時，流動方式由湍流轉變為層流，所以在催化劑通道下游處脫硝效率降低。

4 實驗研究與數值模擬耦合研究

作為處于負荷變化運行中的SCR脫硝系統，單靠CFD數值模擬不能很好地滿足實際運行和設計的需要，為了達到更好的數值模擬效果，需要將數值模擬和冷態物理實驗臺進行對比優化，才能更好地優化工程設計。

Hanqiang Liu[29]結合多孔介質模型和組分輸運方程，對1 000 MW發電廠的SCR系統進行數值模擬，得到了不同情況下的速度場和濃度場，結果表明：安裝了角葉片葉柵和整流格柵，在反應器內催化劑入口處的煙氣速度不均勻性小于15%。在最佳流場的前提下，渦流混合器可以確保反應器中氨和煙道氣的充分混合。通過冷態模型試驗驗證數值模擬的可靠性，有效指導SCR系統的設計。Yanhong Gao[30]以600 MW發電廠的SCR系統為研究對象，通過改變導板的位置和數量以及混合器的形狀進行數值模擬研究，研究結果表明：使用板式導板和盤式環形混合器，其流場均勻性效果更好。同時，隨著氨氮比的增加，NOX的轉化率從67%增加到96%，但隨著速度的增加從98%降低到82%。催化劑床入口處的速度分布和NH3泄漏的減小，可以滿足工程需求。上海海事大學徐圓圓等人[31]使用Fluent6.3軟件進行了300 MW燃煤發電廠SCR脫硝系統3種不同導流板、整流格柵布置方式的模擬，得出改進后的SCR脫硝系統布置方式，確保催化劑入口速度均勻分布，得出混合器厚度為350 mm，并通過1/12比例設計的冷態試驗結果定性驗證了數值模擬結果。

5 結語

通過綜述分析，認為反應動力學模型是SCR數值模擬的基礎所在，根據催化劑的類型和發電廠實際運行狀況選擇合適的機理進行模擬是數值模擬準確性的關鍵所在。而在實際運行中，SCR系統流場的模擬具有積極的意義，通過對SCR脫硝系統煙道內導流板、混合器等裝置進行數值模擬，可以優化脫硝系統流場設計。因此，在常規SCR脫硝系統設計前期以及運行中，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優化工程設計越來越重要的技術手段之一。

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