某生活垃圾焚燒發(fā)電廠SCR脫硝系統(tǒng)數值模擬研究

揭 濤

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

隨著我國國民經濟的發(fā)展，人民的經濟生活水平提高，生活垃圾圍城的問題日益突出，成為影響人民生活環(huán)境的重要制約因素。目前，生活垃圾處理方式還是以焚燒處理為主，垃圾焚燒處理具有技術可靠、容量大、對垃圾適應性強、運行維護方便等優(yōu)點，具有較高的推廣價值[1]。但是，垃圾焚燒處理也有較大的弊端，相比于填埋法、堆肥法等處理手段，其燃燒需耗費較多的能源，且會排放大量的污染煙氣。因此，針對垃圾焚燒工藝，均需設置煙氣治理系統(tǒng)，以滿足嚴格的環(huán)保要求。

選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝是垃圾焚燒工藝中常用的煙氣脫硝治理手段，具有脫除效率高、控制方便、運行可靠等特點[2-3]。在SCR系統(tǒng)設計時，對于催化劑的選擇，一般只要根據所要求的脫硝效率及其他相關要求，通過充分論證與比較進行合理選擇即可。但對SCR反應器的外形結構、煙道尺寸、導流板的設置情況及煙道轉彎直徑等方面的設計需針對具體工程進行個性化設計，否則，會影響反應器內煙氣的速度場、溫度場、氨氮摩爾比分布，從而影響到脫硝效率、運行費用和投資額的高低。從以往工程情況來看，如SCR反應器設計不當，使反應器內的煙氣速度等分布不均，極易引起催化劑中毒、磨損以及導致較高氨逃逸等問題。

隨著計算機技術的發(fā)展，所有涉及流體流動、熱交換、分子輸運等現象的問題，現在都可以借助計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)得到解決。目前為止，采用計算機數值模擬技術已經是國內外能源領域研究者普遍采用的手段，隨著CFD技術的不斷進步，國內外很多SCR系統(tǒng)供應商都在反應器設計工作中運用CFD技術對反應器進行優(yōu)化設計[4-5]。

1 項目簡述

本數值模擬對象為某生活垃圾焚燒發(fā)電工程SCR脫硝系統(tǒng)。針對SCR反應器的導流板設計，通過數值模擬，對比分析了無導流板結構、導流板結構I、導流板結構II的三種反應器內部煙氣、氨氣的流動形態(tài)，判斷其結構的合理性，提出最終SCR系統(tǒng)定型方案并研究其流場特性。

(1)設計圖紙如圖1所示。

圖1 SCR反應器結構

(2)煙氣參數見表1。

表1 脫硝裝置入口煙氣參數

(3)噴氨格柵處氨氣參數如表2所示。

表2 氨氣參數

2 數學模型

流動的計算采用標準的k-ε方程模型，k為湍流動能，ε為湍流耗散率。k與ε的輸運方程如下式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中，Gk代表由速度梯度產生的湍動能；Gb代表由浮力產生的湍動能；YM則是壓縮作用的修正項。σk和σε則分別為k和ε的普朗特數。

湍流粘度μt通過k和ε由下式(3)計算：

(3)

催化劑部分的流動計算采用多孔介質模型。計算時主要考慮其阻力系數，阻力系數C2t計算如下式(4)：

(4)

式中，ρ為煙氣密度，vt為煙氣流速，Δp為通過該催化劑的壓降。同時催化劑內部流動采用層流模型計算。

3 物理建模和網格劃分

圖2是有導流板設計方案的SCR反應器三維建模示意， 部分結構在不影響流場分布的基礎上進行適當簡化，以方便網格劃分。

圖2 導流板結構

如圖2所示，待處理含氮煙氣經煙氣進口進入SCR系統(tǒng)，經煙道轉向進入垂直向上煙道，氨氣/空氣混合氣由噴氨格柵噴射進入SCR脫硝系統(tǒng)煙道，與入口煙氣充分混合后，經過蒸汽加熱器后，通過導流板與整流器整流，以均勻速度進入催化劑層，進行脫硝反應，生成H2O和N2，最后，脫除NOx的煙氣由SCR出口煙道排除，進入下游設備。

根據該系統(tǒng)的實際運行情況，在滿足實際要求的情況下，為了便于流場分析和CFD計算，建模過程中對該反應器做如下簡化[6-7]：

(1)假設煙氣進口速度場分布均勻；

(2)建模過程中增加導流板、整流器用于改變流場；

(3)建模過程中忽略對流場較小的支撐構造；

(4)導流板和壁面在模擬過程中假設厚度為0。

根據以上假設，利用CFD計算前處理軟件GAMBIT2.4.6對SCR反應器進行三維建模，在噴氨格柵處、蒸汽加熱器等處，采用三角形網格TGRID進行鋪設，在正常直段處，采用cooper網格進行鋪設。針對噴氨孔較小位置，將其局部增加網格數量用于反應實際流場。模型網格計算總數量為216萬，模型壁面為標準壁面函數。

4 邊界條件設置

數值模擬邊界條件設置為：

煙氣入口：流速7.8 m/s，溫度423 K，O2體積分數0.0666，CO2體積分數0.0799，H2O體積分數0.2315，NO體積分數0.00015。

噴氨入口：溫度403 K，氨氣/空氣混合氣速度12.6 m/s, O2體積分數0.2086，NH3體積分數0.0064。

5 計算結果分析

5.1 無導流板結構SCR反應器的流場特點(100%BMCR工況)

圖3為無導流板結構SCR反應器的壓力降云圖，可以看出無導流板結構，其整體壓力損失較小，但由于沒有導流板，在煙氣流經頂部彎頭后，分布不均勻，導致壓力場也不均勻。

圖3 無導流板結構SCR反應器壓損

圖4，圖5是無導流板情況下的SCR反應器平均截面速度場，NH3濃度場和催化劑上游0.5 m處速度云圖。從計算結果可以看出，第一層催化劑上游0.5 m處速度偏差很大，達到47.8%，其平均截面煙氣速度場也不均勻，明顯存在回流區(qū)，完全達不到煙氣流場均勻穩(wěn)定的設計前提，需進行優(yōu)化設計，以滿足催化劑的技術要求。

圖4 SCR反應器混合煙氣速度云圖

圖5 催化劑上游0.5 m處速度云圖

5.2 有導流板結構SCR反應器的流場特性(100% BMCR工況)

圖6為煙氣在通過導流板SCR反應器過程中的壓力降云圖，由圖6可以看出，煙氣在整個流動過程中，整體壓力降約為1580 Pa，導流板的設置也不會過多增加系統(tǒng)的阻力，完全在設計要求之內。

圖6 有導流板結構SCR反應器壓損

圖7、圖8為BMCR工況下，混合煙氣通過導流板SCR反應器的流場特性，由圖可以看出，導流板的設置，反應器的煙氣流場得到明顯的改善，煙氣流速均勻，無明顯流速偏差發(fā)生，通過數據分析可看出，此處截面流速最大偏差≤14.8%；根據計算，此截面平均流速為3.06 m/s。

圖7 SCR反應器混合煙氣速度云圖

圖8 催化劑上游0.5 m處速度云圖

表3是兩種SCR反應器計算結果匯總，通過對兩種導流方式工況SCR反應器的數值模擬計算可以看出，通過合理的導流板設計，可以使得混合煙氣在通過反應器時速度場(偏差<15%)、濃度場均勻(偏差<10%)。

表3 計算結果匯總

6 結 論

(1)SCR反應器設計時，導流板的有無、型式對煙氣流場有重要影響。對于不同的SCR反應器，應設計合理的導流板型式，以保證煙氣在流動過程中均勻穩(wěn)定通過催化劑模塊，達到設計的脫硝效率。

(2)在SCR反應器的設計過程中，CFD是有效工具手段。CFD技術可以直觀、高效地將煙氣流動過程進行展示，方便設計人員進行不同工況、不同結構的設計，避免了重復搭建冷態(tài)試驗裝置進行流場分析，大大節(jié)約了人力、物力。