流體模擬試驗技術在鍋爐SCR反應器設備優化中的應用

張峰

（華電新疆發電有限公司昌吉熱電廠，新疆 昌吉 831100）

1 SCR反應器內流體模擬系統

昌吉熱電廠1、2號機組原脫硝裝置采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術，單臺機組脫硝催化劑分為“2+1”層設計，初裝兩層，脫硝裝置入口NOx濃度按450mg/Nm3(標干，6%O2)，出口NOx濃度不高于100mg/m3（標態，干基，6%O2）設計。CFD模型的建立主要是從省煤器下部到空預器入口法蘭，如下圖1所示為初步設計階段的SCR系統形狀示意圖。如圖2所示氨氣及空氣混合其他主要通過噴氨格柵噴入SCR脫硝系統煙道并與其內部的煙氣混合，最后進入SCR反應器內，在催化劑的作用下NH3與NOx發生化學反應生產水和氮氣，煙氣脫硝后經SCR出口煙道排出，然后進入空氣預熱器等下游各級輔機設備。

圖1 CFD模型圖

通過利用加裝導流板的形式可以將煙氣進入催化劑層前盡可能分布均勻，為確保氣流的均勻性需要在每一個煙氣流向改變處及變徑段設置相應的導流板。如圖1所示，導流板統一安裝在調整管道的頂部及反應器入口位置。另外為了確保脫硝的效率，通常需要在噴氨格柵前加裝導流板來使氨和煙氣能夠充分混合，如圖2，同時導流板的安置還要充分考慮到系統阻力的影響情況。

圖2 噴氨格柵、上升煙道頂部導流板

2 工況模擬分析

（1）數學模型。在數值模擬實驗中，科學合理地選取數學模型對后期的計算結果至關重要。本次模擬對象主要針對流場的改進設計，所以在確保高精度的條件下，為了減少計算量，主要應用氣相湍流模型。依據SCR裝置內煙氣流動時湍流的情況，主要采取標準k-ε湍流模型來模擬系統內煙氣的湍流運動。在正交直角坐標系下，k-ε湍流模型基本控制方程可以表示：

其中，φ為因變量，Γφ為因變量φ的擴散系數，Sφ為因變量守恒方程中所對應的源項。

（2）多孔介質模型。對于SCR反應器內的催化劑層壓降，通過將催化劑層看作多孔介質進行模擬。其壓降損失模擬公式如下：

式中：Si——i方向上動量源項，Pa/m；μ——流動動力粘度，Pa·s；α——介質滲透性；vi——i向速度分量，m/s；ρ——密度，kg/m3；C2——內部阻力因子，1/m。

（3）物質運輸模型。由于在進行催化還原過程中的流動介質存在混合情況，因此選用混合物物質輸運模型進行模擬。通過求解描述每種組成物質的對流、擴散和反應源的守恒方程來模擬混合和輸運，可以模擬多種同時發生的化學反應。當選擇解化學物質的守恒方程時，通過第i種物質的對流擴散方程預估每種物質的質量分數Yi守恒方程采用以下的通用形式：

3 模擬結果分析

（1）標準偏差計算分析。隨著對氮氧化合物排放的控制及人們對SCR系統性能要求的不斷提高，目前我們主要通過偏差系數的大小來衡量SCR系統的設計性能。偏差系數的計算公式如下式：

式中：Cv——標準偏差系數；σ——標準偏差；x——平均值。

在進行數值模擬計算時，一般常用鍋爐最大連續運行工況時，SCR反應器內第一層催化劑上面的速度及NH3濃度分布等偏差(Cv值)是否達到標準來考核系統性能的優劣。

（2）數值模擬結果分析。根據SCR脫硝裝置的幾何尺寸及運行參數等，對初步設計的方案進行模擬及分析，經過反復的模擬和調整，得到優化后的導流板布置方式和技術指標。經過校驗和對比，發現原有煙道導流板流場分布基本合理，建議改進方案如下：將導流板3間距減少一半，進行加密；調整導流板4角度；調整導流板5兩側各五塊導流板長度；加密導流板6，間隔減少一倍，并減少噴氨側前五塊導流板長度。其余原有導流板及整流格柵可以利舊，保持不變。研究結果表明，該建議設計方案能取得很好地煙氣流動分布和維持系統較低的壓降。實驗在100%BMCR工況下測定，圖3為優化方案100%BMCR工況下第一層催化劑入口截面速度分布，將該截面的各點速度大小導出代入公式（4），計算速度分布的標準偏差系數為9.08%，滿足技術指標關于“速度最大偏差為±10%”的要求。

圖4為優化方案100%BMCR工況下SCR反應器內第一層催化劑入處的氨濃度分布圖，將該截面的各點氨濃度分布大小導出代入公式（4），求得標準偏差系數為4.81%，符合技術指標要求。

圖3 100%BMCR工況下第一催化劑床層速度云圖

圖4 100%BMCR工況下催化劑第一床層氨濃度云圖

圖5 為建議優化方案100%BMCR第一層催化劑上游速度偏角余弦值分布云圖，將該截面的各點余弦值分布大小導出代入公式（4），求得標準偏差系數為0.20%，速度偏角平均值為3.51o（即cos（θ）平均值為0.99813，θ=3.51o），滿足技術指標關于“速度偏角小于±5°”的要求。

圖5 100%BMCR工況下第一層催化劑入口速度偏角

4 結語

通過對華電新疆發電有限公司昌吉熱電廠1、2號機組煙氣脫硝超低排放改造工程的CFD研究分析發現，原始方案模擬結果顯示流場分布中速度場大小和方向基本合理，能夠達到第一層催化劑入口處關于煙氣速度和煙氣入射角度不滿足相關要求。改造方案模擬結果顯示第一層催化劑入口處的速度分布更加均勻，速度標準偏差系數降至9.08%；氨濃度分布更均勻，氨濃度標準偏差系數下降至4.81%，達到了技術指標關于“氨濃度偏差小于±5%”的要求。通過優化設計后系統計算數據與物理模擬測試的結果相吻合，實現了優化設計的目標要求。該項目導流板方案的成功設計對于其他機組脫硝SCR反應器的設計具有很好的應用價值。