SCR系統流場優化改造研究

任百智，谷曉強，楊全福

（國能哈爾濱熱電有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 SCR系統概況

（1）原SCR系統基本概況。原脫硝系統經超低排放改造后噴氨裝置技術為噴氨格柵，單側煙道設置14根內徑為92mm的噴氨管，每個噴射管水平射向一個直徑1235mm，與水平夾角45°。根據原布置方案結構數值模擬出的噴氨點附近流場情況和原脫硝系統中的氨氮摩爾比分布，從圖中可以看出，大部分氨氣被煙氣帶到靠近煙道右側的位置，首層催化劑入口還原劑分布均勻不均勻。在SCR反應區深度方向存在較大的氨氮摩爾比差異，這一差異必然導致脫硝效率降低和氨逃逸率增加。所以對流場進行改造是本工程的核心問題。

（2）原SCR系統流場摸底測試概況。目前，1#鍋爐SCR系統存在流速分布不均和NOx濃度分布不均勻等現象：BMCR工況下，噴氨格柵前截面流速相對標準偏差為25.1%和16%，三個負荷點SCR出口NOx濃度相對標準偏差在100%～170%，出口存在大量NOx濃度為零取樣點，說明煙氣流場不均明顯，為噴氨量調整帶來難度，對煙氣下游的空氣預熱器安全經濟運行帶來嚴重危害，需要進行流場優化改造。

2 流場優化改造

SCR系統內布有各種導流板、擾流板，以及起到支撐作用的內撐桿和加固肋等，速度的均勻分布尤為重要，其不但影響著脫硝效率、氨逃逸率以及煙氣對催化劑的磨損情況，還影響著系統內各種擋板上的積灰情況，若由于擋板布置不當而產生回流區，該區域由于灰塵回旋產生積灰的可能性會增大。在SCR系統內流場分布均勻，首層催化劑入口截面速度分布小于標準要求（＜15%）的前提下，為減少改造成本，盡量在原流場布置的基礎上進行必要的改動，增加了部分擋板，替換了原來部分不合理的擋板，并且在擋板的迎風面均敷設防磨陶瓷，延長使用壽命。

3 改造后效果

本文采用速度入口、壓力出口和壁面條件。速度入口邊界條件指定了進入系統的煙氣和還原劑信息，其中煙氣根據設計煤質特性（見表1）和BMCR負荷下SCR系統實際運行數據（見表2）計算所得，表3為本模擬所設省煤器出口煙氣成分，還原劑為NH3體積分數3.05%的稀釋氣體。計算域出口邊界條件選擇pressure-outlet。

表1 設計煤煤質特性/%

表2 BMCR負荷下SCR運行數據

表3 省煤器出口煙氣成分/%

3.1 流場分布情況分析

圖1為改造后SCR系統流場分布。煙氣經省煤器出口，過第一個90°轉角后，進入豎直上升煙道，由圖1中（a）、（b）可知，煙道內的速度介于10～15m/s，在壁面和導流板附近存在局部低速區，但不存在渦流區，表明導流板和整流格柵的布置位置、尺寸合理，達到預期目標。在擾流板背面存在局部回流區域，這有利于還原劑與煙氣的混合。由圖1中（c）、（d）可知，煙氣在經過兩個90°轉角時，導流板和擾流板均發揮作用，未出現明顯的轉角處內外側速度不均現象。在反應器本體內，速度介于3.5～4.5m/s，速度分布均勻。

圖1 改造后SCR系統流場分布

圖1（e）為噴氨格柵前煙道斷面的煙氣速度分布，該截面煙氣速度平均值值為13.8m/s，煙氣速度分布相對均勻，表明導流板對煙氣的均流效果顯著。而第一層催化劑入口斷面的煙氣速度決定了催化劑的利用率，是影響SCR脫硝系統脫硝效率的重要因素，如圖1（f）所示，該截面的煙氣平均速度為4.09m/s，未出現明顯的高速或低速區域。

另外，煙氣經過第二個90°轉角后，需要在進入催化劑前盡量將煙氣流向調整為豎直向下，因為存在入射偏角的煙氣氣流對催化劑入口表面和和內壁的沖刷會降低催化劑的使用壽命。

圖2為改造前后首層催化劑入口截面流向偏角分布散點圖，由圖可知，改造后入射偏角明顯降低，且均勻性較好。改造前煙氣最大入射偏角約15°，平均入射偏角為10.2°。通過對流場中導流板的調整，首層催化劑入口截面煙氣入射偏角最大約為7.2°，小于10°，滿足技術要求指標，平均入射偏角為5.71°。

圖2 改造前后首層催化劑入口截面流向偏角分布

3.2 流場相對偏差分析

圖3為改造前后SCR系統中速度相對偏差變化。可以看出，經系統流場優化改造后，沿程速度相對偏差水平有所降低。通過新增水平煙道至豎直煙道90°拐彎處的變徑擋板，分析截面1速度相對偏差由27.5%降至15.3%，說明增加變徑擋板是非常有必要的。改造前后，在經過噴氨點，分析截面2速度相對偏差均有所上升，但此后改造前的速度相對偏差開始逐漸下降，而改造后需經過擾流片，速度相對偏差略有上升，但值得注意的是，在分析截面5，即首層催化劑入口截面處，速度相對偏差由改造前21.4%降至7.2%，滿足設計要求。

圖3 改造前后SCR系統中速度相對偏差變化

4 結語

針對本次SCR系統流場改造后系統內氣流分布特性，建立了三維CFD模型，獲得了BMCR負荷下系統內流場分布，主要結論如下：（1）通過流場改造，增設部分導流板，替換或去除部分不合理的導流板，獲得了均勻的流場，實現了首層催化劑入口截面煙氣流速相對標準偏差7.2%（＜15%），滿足技術要求。（2）通過調整導流板位置、角度，實現了首層催化劑入口截面煙氣流向偏角最大值7.2°（＜10°），滿足技術要求。