流場模擬在脫硝系統超低排放中的應用

韓娟娟，沈雷

（秦皇島市清青環保設備有限公司，河北 秦皇島 066000）

1 CFD簡介

CFD（Computational Fluid Dynamics的簡稱，中文全稱為：計算流體動力學）模擬是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理化學現象的系統所做的分析。CFD的基本思想可歸納為：把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場, 如速度場和壓力場, 用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替, 通過一定的原則和方式建立關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組, 然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。

CFD軟件主要是指Fluent軟件。Fluent自1983年問世以來，已廣泛應用于航空航天、旋轉機械、航海、石油化工、汽車、能源、計算機/電子、材料、冶金、生物、醫藥、環保等領域。本文主要從工程應用的角度，介紹CFD技術在SCR脫硝流場優化上的應用，并結合實際案例，對脫硝系統的優化設計提出建議。

2 CFD技術在SCR脫硝系統的應用

2.1 優化分析的目的

在SCR系統設計中使用CFD軟件，能實現下述設計目的：1）研究煙氣流動情況優化煙氣流場，確定最佳設計外形、最佳內容布置方式；2）確定噴氨格柵及混合裝置的形式、位置，保證氨的混合均勻性；3）檢驗和預測系統壓力損失，保證壓降最小化；4）優化煙氣溫度場、速度場分布。

2.2 模擬范圍的選取原則

常規情況下，火電廠燃煤鍋爐的SCR脫硝裝置大多布置在省煤器與空預器之間，在這個位置布置居多的原因是：這段煙溫處于脫硝催化劑的活性溫度范圍。

在進行CFD模擬的時候，所選型的模型范圍也是自省煤器出口至空預器進口。省煤器出口作為模型入口邊界，空預器進口作為模型出口邊界。

2.3 模擬分析的大致過程

選取模型后，通過三維建模、網格劃分、邊界條件設置和計算模型選取，最后經數值求解得到需要的可視化的圖像結果。大致過程見圖1。

圖1 SCR脫硝系統流場計算的過程

計算結束后可獲取整個計算模型內部任何位置的煙氣流速、煙氣方向、氨氣濃度、溫度、壓力等數據。在所有的位置里，最關鍵的是催化劑表層，因為此處的煙氣流速均勻性、氨氣濃度均勻性對脫硝效率、催化劑磨損、控制氨逃逸起決定性作用。SCR脫硝的化學原理見圖2。

圖2 SCR脫硝的化學原理

速度均勻意味著通過催化劑層每個孔道的煙氣流經時間是一致的，不會出現個別孔道通過的時間較快未反應完全且催化劑磨損嚴重的情況。濃度均勻意味著通過催化劑每個孔道的氨氮比是一致的，否則會出現氨氮比高的孔未反應掉的氨氣逃逸，氨氮比低的孔NOx未被脫除完全。

2.4 SCR脫硝優化的定量分析目標

CFD研究最低規范標準見下表。其中，速度相對標準偏差，對于超低排放來說建議設定更低（〈10%）。如計算結果的數據不能滿足上述要求，可以通過調整煙道的布置方式及修改導流板整流格柵來對煙氣流場進行優化。對流場的優化主要是導流板、整流格柵這些內部結構，尤其對于改造項目很多煙道的布置方式只能由現場情況決定。但是好的煙道外形設計是流場優化的先天優勢。

CFD研究最低規范標準表

2.5 從流場優化的角度，SCR煙道反應器設計應注意的事項

（1）避免噴氨格柵上游與傾斜的煙道出口過于臨近，過于臨近會造成噴氨格柵上游流速偏差過大，難以控制氨的混合均勻性。對于條件受限不得不采用這種設計的項目，建議在煙道轉彎段的進出口均布置導流板，降低煙氣流速的偏差，見圖3。

圖3 SCR脫硝工程（A）導流板布置圖

（2）避免豎直煙道與反應器設計的距離過近。煙氣從豎直煙道到反應器最好通過兩個90°彎頭過渡，煙道與反應器過于靠近，就相當于一個180°轉彎，流場難以均布；對于條件受限不得不采用這種設計的項目，建議采用改變煙道上部走勢的特殊處理，見圖4。

（3）反應器后側的頂板與整流格柵不要留有空間，以避免反應器后側的煙氣流速過高，見圖5。對于此處已設計留有空間的項目，建議停爐改造期間檢查頂層催化劑磨損情況。如發現反應器后側的催化劑磨損嚴重，可通過在反應器上部布置導流板對流場進行優化調整。

圖4 SCR脫硝工程（B）導流板布置圖

（4）催化劑備用層不要預留在最上層。因為這種布置方式，會導致上層支撐梁出現積灰問題，大塊的積灰落下時，對下面的催化劑來說是致命的。對于已采用催化劑預留在上層的項目，建議停爐檢修期檢查上層支撐梁兩側是否有積灰，檢查支撐梁下方的催化劑有無堵灰，強烈建議對預留層支撐梁的兩側進行密封。

圖5 SCR脫硝工程（C）導流板及整流格柵布置圖

（5）模型盡量建立完全。反應器出口之后的優化雖對脫硝效率沒影響，但對下游的空預器會產生影響，空預器進口的煙氣流速偏差過大，將對空預器的換熱效果造成影響。

3 結論

CFD模擬結果為脫硝流場設計提供了保證，但煙氣工況多變，建議在調試階段對所有的SCR項目都進行噴氨優化調整試驗，這對于保證脫硝效率和控制氨逃逸有重要意義。從目前脫硝行業的技術發展狀況看，將來一段時間內SCR脫硝仍將是燃煤鍋爐脫硝的主流技術。對于越來越嚴的排放標準，科學合理的流場設計對于工業領域的節能減排仍將發揮著重要作用。