楊 超，張杰群，郭婷婷

(北京國電龍源環(huán)保工程有限公司，北京100039)

隨著我國對氮氧化物(NOx)排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，以燃煤為主的火電廠如何減少氮氧化物的排放越來越受到重視。在眾多的脫硝方法中，選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術(shù)具有脫硝效率高、運行可靠、無副產(chǎn)物、裝置結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在世界上得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，對SCR脫硝技術(shù)的研究主要集中在脫硝反應(yīng)器流場優(yōu)化和催化劑的研發(fā)上，如何提高脫硝效率，延長催化劑的壽命等相關(guān)問題是研究的熱點。隨著計算流體力學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，利用高效、便捷的計算流體力學(xué)軟件對SCR脫硝系統(tǒng)進行數(shù)值模擬仿真，可以為脫硝反應(yīng)器煙道、導(dǎo)流板及噴射系統(tǒng)的設(shè)計和改進提供重要參數(shù)［1-2］。

文獻［3］進行了SCR脫硝小型試驗、中間試驗、反應(yīng)器混合與均流冷態(tài)實驗、以及SCR脫硝數(shù)值模擬?；赟CR數(shù)學(xué)模型并采用概率分布描述反應(yīng)物的不均勻性，提出了一種對反應(yīng)物不均勻性對脫硝性能的影響的模擬分析方法。文獻［4，5］以600 MW電廠選擇性催化還原反應(yīng)器為研究對象，采用Fluent軟件，進行反應(yīng)器內(nèi)流場的數(shù)值模擬，得出較合適的導(dǎo)流板形態(tài)及流場，研究結(jié)果對脫硝系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)流裝置和噴氨格柵的設(shè)計和改進提供參考。文獻［6］對SCR預(yù)分布器系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，導(dǎo)流板的位置對催化劑入口截面上的速度分布影響較大;噴氨格柵的結(jié)構(gòu)與催化劑入口截面上的濃度場分布有密切的關(guān)系。文獻［8，9］采用數(shù)值模擬與物理模型試驗相結(jié)合的方法研究1 000 MW級SCR反應(yīng)器內(nèi)部流動與摻混特性，給出了渦流混合器的布置方案和噴氨流量調(diào)節(jié)方案。

本文以某600 MW燃煤機組SCR脫硝系統(tǒng)為原型進行數(shù)值模擬，針對雙SCR反應(yīng)器、渦流混合器等具體方案進行優(yōu)化設(shè)計，獲得BMCR工況下的流場。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

對于實際燃煤電廠的脫硝裝置的設(shè)計，采取措施保證脫硝反應(yīng)器中催化劑入口截面氣體速度和反應(yīng)物分布的均勻性是主要技術(shù)關(guān)鍵。本文根據(jù)設(shè)計要求確定計算方案，確定SCR反應(yīng)器、導(dǎo)流葉柵、整流板、渦流混合器等主要流動部件的幾何模型，提高第一層催化劑入口前氣流均勻性，使氨氣和氮氧化物充分混合，提高脫硝效率。此模型的幾何尺寸是按SCR系統(tǒng)的實際尺寸構(gòu)造，幾何模型如圖1所示。

本工程氨噴射系統(tǒng)采用渦流混合器，它具有煙氣適應(yīng)性強、混合效果好、噴射孔數(shù)量少、不需要維護等特點，稀釋后的氨氣通過管道噴射到駐渦區(qū)內(nèi)，在渦流的強制作用下充分混合，達到催化劑入口混合度均勻的技術(shù)要求。

網(wǎng)格的生成采用FLUENT軟件的前處理軟件GAMBIT，根據(jù)SCR脫硝反應(yīng)器模型的構(gòu)造，對反應(yīng)器進行了分區(qū)劃分，結(jié)構(gòu)規(guī)則直線段煙道區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、流場變化大的區(qū)域(比如煙道拐角處與催化劑部分的連接煙道處等)則采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格或混合網(wǎng)格劃分?？紤]到計算精度及計算機的運算能力，在設(shè)置導(dǎo)流板的煙道拐角處和噴射格柵所在的噴氨煙道部分，進行網(wǎng)格加密，如圖2，網(wǎng)格數(shù)量約為150萬。

圖1 SCR系統(tǒng)幾何模型

圖2 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計算方法

大型電站鍋爐中，選擇性催化還原煙氣脫硝過程是十分復(fù)雜的，它涉及到反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，煙氣與還原劑在煙道和反應(yīng)器里面的湍流流動，傳熱傳質(zhì)，多組分輸運，化學(xué)反應(yīng)等過程。由于條件所限，在建立模型之前需對實際過程作如下一些近似假設(shè):

實際系統(tǒng)進出口溫差較小，系統(tǒng)絕熱;實際系統(tǒng)漏風(fēng)較小，因此不考慮系統(tǒng)的漏風(fēng);煙氣中灰分對本文研究內(nèi)容影響較小，因此不考慮灰分的影響;在反應(yīng)器上游煙道中，煙氣各組分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);流動是定常流動;流體物性參數(shù)為常數(shù)。

2.1 通用控制方程

本文選取煙氣為流動介質(zhì)，設(shè)流動為不可壓流動。方程的通用形式如下，文獻［6］給出了在三維直角坐標(biāo)系下基本控制方程中各項的表達式。

2.2 紊流模型

標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型:

2.3 數(shù)值方法

控制方程的離散采用控制容積法，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流項差分格式采用二階迎風(fēng)格式。利用Gambit軟件對反應(yīng)器模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在湍流變化復(fù)雜的區(qū)域進行局部加密。

根據(jù)煙道入口尺寸計算得到在BMCR工況下，系統(tǒng)煙氣入射速度為12 m/s。煙氣入口選擇速度入口邊界，湍流參數(shù)通過湍流強度和水利直徑來定義。出口為自由出流邊界，反應(yīng)器壁面和導(dǎo)流板設(shè)置為壁面邊界，近壁區(qū)采用加強的壁面函數(shù)法。整流格柵采用多孔介質(zhì)邊界條件。渦流混合器5個氨氣噴管設(shè)置為速度邊界條件。

3 數(shù)值模擬計算方案及結(jié)果分析

本節(jié)計算包括以下幾個部分:

1.模擬煙氣在SCR系統(tǒng)內(nèi)的流動，系統(tǒng)中轉(zhuǎn)彎處不布置導(dǎo)流葉片、整流格柵等部件，考察煙道轉(zhuǎn)彎處的流動特征，為導(dǎo)流葉片、整流格柵等部件的設(shè)計提供參考;

2.確定導(dǎo)流葉片形狀、數(shù)量和位置，確定整流格柵的形式，對SCR系統(tǒng)進行流動模擬，分析系統(tǒng)中速度和壓力分布;

3.確定渦流混合器尺寸、定位和流量等參數(shù)，模擬反應(yīng)器流動特性。

具體計算方案如表1所示:

表1 數(shù)值計算模擬方案

(1)方案1結(jié)果

圖3 方案1，SCR系統(tǒng)Z=0截面速度和壓力分布

圖3給出了方案1的SCR反應(yīng)器對稱面(Z=0截面)的速度和壓力分布。

從得到的速度場以及壓力場分布圖可以看出，煙氣在經(jīng)過彎道進入催化劑之前速度場分布不均勻。在慣性力和離心力的作用下，煙氣向SCR反應(yīng)器外側(cè)偏斜，經(jīng)過彎道以后，在SCR反應(yīng)器催化劑入口前，煙氣速度變化較大，形成回流區(qū)，此現(xiàn)象將直接影響氨氣混合效果。因此，應(yīng)改善整個煙道的速度場，必須在各個彎道處安裝導(dǎo)流裝置。

(2)方案2結(jié)果

為了改善SCR系統(tǒng)內(nèi)部煙氣流動的均勻性，圖4給出了加裝導(dǎo)流葉片和整流格柵的速度和壓力分布。從圖4中可以看出，加裝導(dǎo)流板和整流格柵可以改善煙道內(nèi)的速度場，煙氣在SCR系統(tǒng)內(nèi)部流動均勻，流體流經(jīng)彎道時的分離現(xiàn)象消失，催化劑入口速度分布均勻。催化劑入口處速度大小主要分布在4～6m/s之間。導(dǎo)流葉片有效地改善了兩個轉(zhuǎn)彎煙道的流動，該處的速度分布較均勻。整流格柵位置處的速度分布也得到了改善，速度分布不均勻區(qū)域主要集中在遠離省煤器側(cè)，根據(jù)以往的實驗結(jié)果，在整流格柵上方加裝擾流管，可實現(xiàn)整流格柵位置處的流場均勻分布。

圖4 方案2(導(dǎo)流葉片+整流格柵)，Z=0截面速度和壓力分布

(3)方案3結(jié)果

圖5給出了加裝渦流混合器后的速度場和壓力場，結(jié)果表明，渦流混合器具有雙重作用，一方面增強煙氣與氨氣的摻混，另一方面，可增加流場的均勻程度。從圖中可以看出，由于入口煙道結(jié)構(gòu)上的偏斜，導(dǎo)致渦流混合器入口截面速度分布不均勻，對后續(xù)的渦流混合器位置及噴氨管流量的調(diào)節(jié)提供了設(shè)計指導(dǎo)。

從壓力結(jié)果可以看出，煙氣和氨氣的混合氣體在經(jīng)過垂直煙道、轉(zhuǎn)彎導(dǎo)流葉片的作用下，在靠近省煤器側(cè)、整流格柵上方壓力低，在遠離省煤器側(cè)傾斜頂板上方壓力值高，試驗過程中，根據(jù)壓力和速度計算結(jié)果，指導(dǎo)擾流管的布置，擾流管可以有效改善催化劑入口截面的流場分布。

圖5 方案3(渦流混合器)，Z=0截面速度和壓力分布

4 結(jié) 論

通過對上述3種方案SCR脫硝系統(tǒng)流動和摻混的數(shù)值模擬，獲得了合理的SCR脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺寸，數(shù)值計算有效的指導(dǎo)了SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計。

(1)通過加裝導(dǎo)流葉柵和整流格柵等方案，獲得了均勻的流場，實現(xiàn)了反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口斷面煙氣速度不均勻性小于15%的目標(biāo);

(2)在最佳流場布置前提下，優(yōu)化渦流混合器的圓盤直徑和布置位置、角度，氨與煙氣在反應(yīng)器中得到了充分的摻混，實現(xiàn)了NH3/NOx充分混合的目的。

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