SCR脫硝反應器入口優化與仿真模擬

歐文劍*

（大唐湘潭發電有限責任公司）

0 引言

氮氧化物是燃煤電廠鍋爐燃燒后生成的燃燒產物之一，對環境的危害非常大，也是產生酸雨的元兇之一，當前我國的氮氧化物環境容量已經接近飽和[1]，因此，研究和推廣效率更高的燃煤電廠脫硝控制方法十分必要。

在SCR 鍋爐煙氣的脫硝反應過程仿真研究方面，國內的研究人員通過數值計算對入口煙道的流場、溫度分布、濃度分布展開了相關的研究工作。劉清雅等[2]用CFD 計算軟件對某600MW 鍋爐的SCR 脫硝裝置進行了數值計算仿真，結果發現，還原劑氨在雙層噴氨格柵布置情況下比單層噴氨格柵布置分布得更加均勻，煙道導流板數量增加更有助于流場的優化，同時這兩種方法又會導致反應器沿程的阻力增加。

把湖南某電廠600 MW 鍋爐SCR 煙氣反應器裝置作為研究對象，對該裝置投產以來的實際生產情況以及運行中存在的問題進行調查總結和分析，將幾個典型的工況下以及不同的結構參數情況下采用 Fluent軟件對該 SCR 反應器裝置開展模擬實驗， 最終提出該裝置的結構優化。

1 S CR反應器的工藝結構與實際生產中的問題

該廠SCR 工藝布置方式為常用的高塵布置，也就是安裝在省煤器之后與空預器之前的煙道上。而經過過熱器、再熱器以及省煤器之后的煙氣溫度基本為300～420 ℃，無需再對反應器的煙氣進行加熱，常見的SCR 催化劑在該溫度區間的催化活性和效果也是最佳的，同時設備的安全性和經濟性能也能得到保障[3]。其工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 SCR煙道布置及工藝流程圖

煙氣從省煤器出來經過SCR 反應器時，由于導流板噴氨噴嘴結構等設備設計的影響，氨以及氮在各層的催化劑截面處不能很好地混合在一起，從而導致催化劑局部區域氨逃逸值相對過大。氨從截面處逃逸出來后與氧化生成的三氧化硫進一步發生反應，而生成一種極易附著在空預器冷端的液態產物，即硫酸氫銨。當硫酸氫銨附著在空預器冷端的時候，往往會將煙氣中的灰塵吸附在一塊，使空預器的換熱構件處聚集了大量灰垢，這不僅會導致空預器換熱效果變差，更有可能會引起空預器發生堵塞，甚至危害鍋爐安全運行[4]。

2 建立SCR反應器內煙氣流場的模型

針對煙氣在煙道內流動特點，選擇 雙方程模型對連續相的湍流過程進行仿真；針對SCR 反應器中的催化劑結構，選取多孔介質模型來描述和跟蹤流動情況[5]； SCR 脫硝系統中含有煙氣和氨氣以及其他物質等等，且各種成分都混合在煙氣中，因此選擇混合物的組分傳輸模型來模擬[6]；對控制方程組求解時需進行必要的離散化，選擇Fluent 軟件有限體積法進行離散，并通過二階迎風格式求取差分方程組。選擇省煤器的出口到SCR 裝置的出口中間煙道處進行模擬，該系統的幾何模型如圖2 所示。SCR 反應器裝置的接口處的尺寸為3.64 m×12.02 m，噴氨段煙道處的尺寸為3.65 m×l2.02 m，噴氨格柵設定是噴氨段煙道入口處垂直方向4.6 m 處；每層的催化劑尺寸為11.60 m×1.062 m×12.02 m，每相鄰兩層催化劑間凈距離為2.75 m。反應器本體的位置離噴氨格柵處煙道的橫向距離為1.48 m，脫硝裝置的厚度(Z 軸方位)為12.02 m。

圖2 SCR反應器及入口煙道的幾何結構模型

燃燒生成煙氣從豎井煙道經過省煤器出口，流向SCR 的入口煙道，進而通過SCR 反應器中的催化劑，煙氣的成分是由各種其他物質組成，各種物質的體積分數詳見表2，在集中典型的負荷下煙氣進口的流量和溫度如表3 所示。根據表2 及表3 中的參數可以定義材料及邊界條件。

表2 省煤器出口煙氣成分（體積分數） %

表3 鍋爐典型負荷SCR反應器進口煙氣流量和溫度值

3 S CR反應器的仿真計算及流場優化

3.1 未加導流板時的反應器及入口煙道模擬

未加導流裝置的SCR 脫硝裝置中沿寬度中心截面位置的速度云圖可見圖3。由圖3 可以看出，煙道內氣體速率分布很不均勻，反應器的左邊區域煙氣分布較少，速率偏低，而在噴氨格柵的局部區域氣體速率竟然高達23.6 m/s，并且脫硝裝置的進口區域的煙氣流場很不均勻，左側和右側部位的速率差別比較大，而且居中的部位還存在旋渦。

圖3 未加導流裝置的SCR系統速度云圖

3.2 加裝導流板后的反應器及入口煙道模擬

通過研究，在SCR 反應器前面裝設各種形狀和一定數量的導流板，可以使兩側的煙氣流速差減小,煙氣流場更加均勻。經過多次試驗和摸索,選擇在入口煙道的2 個轉角處設定幾塊相同厚度的導流板，使煙氣在噴氨格柵前維持良好的流場效果，裝設導流板后的SCR 反應器結構圖和速度云圖如圖4 所示。

圖4 裝設導流裝置后的SCR反應器及入口煙道速度云圖

裝設合適的導流裝置以后，SCR 反應器中的煙道內的流速已經趨于均勻，流速偏差大大減小，從圖 4 中可以看出，煙氣流動的沿程阻力也下降了不少，這樣可以有效降低磨損的風險。提取速度云圖中的參數計算后可知，在反應器對稱中心的界面上的速率偏差僅僅為5.44%，相較之前未安裝導流裝置時，流場均勻性有了較大提高。由圖 4 還可以看出，反應器催化劑最上部分處的速度流場仍然很不均勻，沿X軸方向的氣體速率呈增大趨勢，通過提取數據，算得最大的速率偏差系數是30.18%，偏差還是比較大，需要進一步優化煙道的結構。

3.3 設置整流格柵后的反應器入口煙道模擬

為了使脫硝反應器的垂直煙道處煙氣流場更加均勻，在該裝置的最上層催化劑上部，也就是垂直煙道的進口部位設置整流格柵結構，合理設置整流格柵能使煙氣流速偏差更小，試驗多次之后，確定相鄰的整流板距離為300 mm，整流板的高度為200 mm 時，煙道優化的效果最好，圖5 為整流后的SCR 反應裝置的速度云圖。

圖5 設置整流裝置后的SCR反應器速度云圖

由圖5 可知，裝設整流裝置以后，垂直煙道沿水平方向的煙氣速度偏差明顯減少，經過計算得出最大的速率偏差系數為Cr=9.03%，跟之前未設置整流格柵的反應器流場相比改善了不少。

3.4 不同負荷下的CSR反應器流場模擬

為了更加深入研究通過進口煙道優化后的流場效果，提取實際運行中設備負荷為450 MW，240 MW的工況參數，對SCR 反應器進口煙道的流場開展模擬研究。機組上述負荷時反應器的參數如表4 和表5所示。

表4 集中典型工況下SCR反應器進口介質數據（實際運行測得）

表5 不同負荷時SCR反應器進口介質成分（體積分數） %

3.4.1 SCR反應器及入口煙氣流場仿真研究

由圖6 可以得出3 種不同工況下的SCR 反應器流場參數指標，詳見表6。

圖6 不同負荷情況下催化劑進口處速度云圖

表6 SCR反應器變不同負荷下的流場數據

由3 種不同負荷的流場參數結果可知，由于設備負荷降低，SCR 進口煙道處以及最上部催化劑進口處的速率減小，并且位于噴氨格柵處和反應器最上部的催化劑進口部位的速率偏差系數值相差卻很小，這說明雖然機組的工況變化比較大，但是煙氣速率偏差相差不大。

3.4.2 煙氣與氨混合模擬結果研究

從圖7 和表7 可以看出，由于設備負荷不同，SCR 脫硝裝置催化劑進口出氨的平均質量組分相差并不大，而且速度偏差也差不多。通過模擬結果分析可知，工況改變后，反應器的進口煙道以及催化劑進口煙氣的流速也隨之改變，反應器內煙氣的沿程阻力也會發生改變，但噴氨格柵處及催化劑進口處的速度相差較小，小于10%。因此由額定負荷設計的SCR反應器及入口煙道結構在鍋爐工況不同的情況下也能得到優良的流場和濃度場。

圖7 不同負荷時混合結果

表7 SCR反應器進口截面（X=10 m）處氨的濃度分布

4 結語

（1）經過對SCR 反應器及入口煙道的煙氣進行CFD 數值模擬，提出了具體的結構優化措施，并且驗證了合理布置導流裝置和整流裝置能夠使反應器內部的煙氣流場更加均勻，從而滿足設計要求的速度偏差。

（2）在煙道兩個拐角處設置導流板可以明顯改善催化劑上游的氨濃度場以及煙氣速度場，并且經過優化結構分布后將氨濃度的相對偏差由10%以上降到5%以下。

（3）在SCR 反應器垂直煙道的催化劑最上部設置一定間距的整流裝置對消除左右兩側的煙氣流場偏差具有明顯的作用，雖然加了整個系統的阻力增，但是影響并不大；同時安裝直板的整流格柵工序簡單，安裝成本低且工藝要求不高。

（4）使用CFD 軟件分別對幾種典型負荷下催化劑以及噴氨格柵處煙氣流場的均勻性進行分析，研究結構優化后的SCR 反應器及入口煙道處的系統阻力以及流場均勻性之間的關系。結果表明，雖然煙氣流動阻力有所增加但是仍然能夠滿足設計要求，同時流場均勻性提高顯著，這對于解決下游的空預器堵塞問題具有較大的意義。