SCR脫硝分區(qū)噴氨取樣裝置模擬研究及優(yōu)化

摘" 要：近年來，分區(qū)噴氨控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于燃煤電廠，但其可靠性往往依賴于其測量取樣系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。該文采用數(shù)值模擬方法（CFD）對某測量裝置取樣管進(jìn)行模擬，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)取樣管內(nèi)流量的均勻分布，最后分析不同取樣布置方式對均流取樣的影響。

關(guān)鍵詞：CFD;分區(qū)噴氨;流場優(yōu)化;分區(qū)影響因子;取樣管

中圖分類號：TK39" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0068-04

Abstract： In recent years， the partitioned ammonia injection control technology has been widely applied in coal-fired power plants， but its reliability often depends on the accuracy of its measurement and sampling system. This article uses a numerical simulation method CFD to simulate the sampling tube of a measuring device， proposes a structural optimization scheme， and achieves uniform distribution of flow inside the sampling tube after optimization. Finally， the influence of different sampling arrangements on uniform flow sampling is analyzed.

Keywords： CFD; zoning ammonia injection; flow field optimization; zoning influence factor; sampling tube

選擇性催化還原（SCR） 煙氣脫硝技術(shù)以其運(yùn)行可靠、脫硝效率高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)燃煤電廠，目前在運(yùn)火電廠已經(jīng)基本完成了SCR脫硝改造[1-3]。然而，實(shí)際運(yùn)行中由于煙氣不均勻?qū)е聹y量數(shù)據(jù)不具代表性，無法精準(zhǔn)控制噴氨，從而噴氨過量引發(fā)氨逃逸率大、催化劑壽命損耗、空預(yù)器堵塞嚴(yán)重等一系列問題[4-5]。

目前大多數(shù)的SCR脫硝優(yōu)化方式是對噴氨手動閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到提高出口NOX均勻性的目的，但這種方式無法實(shí)現(xiàn)變工況時(shí)的自動控制。有學(xué)者以氨逃逸作為控制指標(biāo)調(diào)整氨氮比，但該種控制方式難以保證出口NOX的均勻分布。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出采用離散取樣法對脫硝出口NOX濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，以保證脫硝出口NOX均勻性為前提，結(jié)合預(yù)測控制技術(shù)，對分區(qū)噴氨調(diào)門的開度進(jìn)行控制，在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)保證出口NOX濃度場均勻性，降低氨逃逸[6-7]。這種方法的精確性非常依賴于SCR出口測量裝置的準(zhǔn)確性，而測量裝置準(zhǔn)確性又受限于取樣裝置的代表性。為了解決這個(gè)問題，本文采用CFD方法對煙道內(nèi)取樣點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到取樣管不同開口直徑對應(yīng)的流量和壓力變化規(guī)律，通過分析不同工況下的計(jì)算結(jié)果，選取最優(yōu)的方法實(shí)現(xiàn)均流取樣。

1" CFD模型與方法

1.1" 數(shù)值模型及邊界條件

CFD（Computational Fluent Dynamics）是一種廣泛應(yīng)用的計(jì)算流體動力學(xué)方法，在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對某測量裝置取樣管建立了1∶1的計(jì)算機(jī)模擬模型，建立的模擬模型如圖1所示，模型網(wǎng)格主要采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總網(wǎng)格數(shù)量約為24萬，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。

模型采用壓力入口邊界條件，通過改變?nèi)肟诳讖椒治銎鋵θ恿髁康挠绊懀{(diào)整各個(gè)入口孔徑實(shí)現(xiàn)均流取樣。

1.2" 數(shù)學(xué)模型

采用Ansysfluent進(jìn)行模擬計(jì)算，綜合對流體性質(zhì)的分析，模型適用性，擁有的計(jì)算資源以及計(jì)算模擬所需要的時(shí)間，最后選取標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型;將煙氣視為不可壓縮流體，可將標(biāo)準(zhǔn)k-ε進(jìn)行簡化

1.3" 組分運(yùn)輸模型

由于本次數(shù)值模擬的取樣裝置所抽取的介質(zhì)為煙氣，需要考慮煙氣中包含SO2、O2、CO2等混合氣體，這就涉及考慮流動中物質(zhì)的混合問題。因此就需采用FLUENT中模擬物質(zhì)混合的物質(zhì)輸運(yùn)模型來模擬這一情況。

物質(zhì)守恒的方程如式（3）所示

當(dāng)流動為層流時(shí)

， （4）

當(dāng)流動為湍流時(shí)

式中：Ri為化學(xué)反應(yīng)的凈生成速率;Si為源項(xiàng)導(dǎo)致的額外生成速率;Ji為物質(zhì)i的擴(kuò)散通量;Di，m為第i種物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù);Sct為湍流施密特?cái)?shù)，默認(rèn)為0.7。

2" 計(jì)算結(jié)果

2.1" 初始工況

圖2是初始模型下取樣裝置煙氣壓力跡線圖，如圖選定入口后Face1—4四個(gè)面作為壓力監(jiān)測面，不同入口流量分布和各個(gè)面壓力見表1和表2，越是遠(yuǎn)離出口，管內(nèi)流體壓力越小，壓差越大，其流量也就越大，為了實(shí)現(xiàn)均流取樣，縮小大流量入口的孔徑，增大其流動阻力。

2.2" 取樣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過改變?nèi)庸苋肟诳讖礁淖儾煌肟跓煔馊恿髁浚M結(jié)果見表3。

可以看出，哪怕是孔徑微小的改變，也可能引起較大的流量偏差，當(dāng)入口孔徑分別為60、43、30和25 mm時(shí)，取樣管流量分配最為均勻，此時(shí)管內(nèi)煙氣流動壓力跡線如圖3所示，各檢測面壓力見表4。

2.3" 取樣方式優(yōu)化

本節(jié)選取反應(yīng)器最下層催化劑下1 m處作為取樣截面，研究了不同方向的取樣管布置對均流取樣的影響。

2.3.1" 方式一：取樣孔在煙道前墻

將2.2節(jié)中優(yōu)化孔徑后的取樣管布置在前墻處，如圖4所示，對其在實(shí)際煙道中的取樣狀況進(jìn)行了模擬，對應(yīng)的流量分布見表5。因此原本在均勻壓力入口條件下可實(shí)現(xiàn)均流取樣的取樣管在實(shí)際煙道中各入口出現(xiàn)了明顯的流量偏差，單純地對取樣管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況中的均流取樣。

2.3.2" 方式二：取樣孔在煙道外側(cè)

將2.2節(jié)中優(yōu)化孔徑后的取樣管布置在煙道外側(cè)處，如圖5所示，對其在實(shí)際煙道中的取樣狀況進(jìn)行了模擬，對應(yīng)的流量分布和檢測面壓力見表6。4個(gè)入口進(jìn)入的煙氣流量分布相對于取樣方式一更為均勻。

取樣管所在煙道截面整體壓力分布如圖6所示，不同取樣方式各個(gè)入口對應(yīng)的壓力明顯不同，取樣方式一各個(gè)入口之間的壓力梯度明顯大于取樣方式二，見表7。壓力梯度的出現(xiàn)是取樣方式一遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離均流取樣的根本原因，因此在選取取樣截面和布置方式時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際煙道流場模擬分布進(jìn)行判斷。

3" 結(jié)論

本文對不同開口直徑對應(yīng)的取樣管進(jìn)行了流場模擬，提出了優(yōu)化方案，并從實(shí)際情況出發(fā)對取樣管在煙道的布置方式進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論。

1）原有取樣裝置設(shè)計(jì)不合理，取樣流量偏差大，對不同入口孔徑進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)開口孔徑分別為60、43、30和25 mm時(shí)，取樣管流量分配最為均勻。

2）單純地對取樣管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況中的均流取樣，對不同的取樣管布置方式進(jìn)行了模擬，取樣管入口壓力梯度小的布置方式更容易實(shí)現(xiàn)均流取樣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林青.SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場分布研究及優(yōu)化控制[J].華電技術(shù)，2019，41（12）：58-62.

[2] 田林林.基于流場優(yōu)化與等流量取樣的脫硝煙氣測量設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

[3] 秦天牧，林道鴻，楊婷婷，等.SCR煙氣脫硝系統(tǒng)動態(tài)建模方法比較[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（10）：2913-2919.

[4] 楊延龍.火電廠氮氧化物減排及SCR煙氣脫硝技術(shù)淺析[J].能源環(huán)境保護(hù)，2017，31（2）：31-35.

[5] 蔣春來，許艷玲，楊金田，等.“十二五”氮氧化物總量減排中期評估與對策探討[J].環(huán)境保護(hù)，2013，41（19）：19-22.

[6] 劉慶，邵旻，盧偉，等.脫硝噴氨精準(zhǔn)控制技術(shù)研究[J].中國儀器儀表，2020（6）：74-78.

[7] CHO M J， CHOI J， HONG H S， et al. Application of computational fluid dynamics analysis for improving performance of commercial scale selective catalytic reduction[J].Korean Journal of Chemical Engineering，2006，23（1）：43-56.

第一作者簡介：周志剛（1984-），男，工程師。研究方向?yàn)殡娏ιa(chǎn)技術(shù)管理。