趙建忠，李 寶，趙勇東，黃永剛

(華電大同第一熱電廠有限公司，山西 大同 037039)

0 引 言

數(shù)值模擬是近年來SCR改造工程項目中普遍采用的一種優(yōu)化技術，通過數(shù)值模擬可以了解SCR脫硝反應塔煙氣速度場、溫度場和氨氮摩爾比分布情況，在模擬結(jié)果的基礎上，進一步確定煙道中氨噴射系統(tǒng)、導流板和整流器的形狀和位置［1－4］。

文中通過數(shù)值模擬研究了某工程改造項目SCR脫硝反應塔內(nèi)導流板的結(jié)構布置對氣流分布均勻性、噴氨后的混合效果、壓力損失的影響，提出4種導流板加裝方案，并確定了最優(yōu)方案［5－9］。

1 模擬對象

工程改造項目涉及3臺480 t/h煤粉爐，計劃為鍋爐配套建設SCR脫硝系統(tǒng)，該脫硝工程的設計參數(shù)見表1。SCR脫硝系統(tǒng)的模擬范圍是從省煤器出口位置處到空氣預熱器入口(如圖1所示)，通過數(shù)值模擬可以提出模型中加裝導流裝置的可行方案，使SCR脫硝系統(tǒng)流場得到優(yōu)化。

表1 數(shù)設計基礎數(shù)據(jù)(單臺爐、BMCR，6%O2)

2 模擬方法

數(shù)值模擬使用Fluent軟件，在模擬過程中，將SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)的煙氣可視為不可壓縮流體，并假設SCR系統(tǒng)進口處煙氣速度分布均勻。對于催化劑層壓降采用多孔介質(zhì)模型進行模擬，同時采用組分運輸模型來模擬反應器內(nèi)的化學反應。

圖1 SCR反應塔幾何模型

計算區(qū)域有兩個進口和一個出口。進口分別為省煤器出口處的SCR煙道入口和噴氨的入口，速度進口邊界條件。脫硝后出口設置為壓力出口邊界條件。邊界條件的湍流條件選取湍動強度和水力直徑進行設置。

表2 計算邊界條件

3 原始流場

原始流場模擬結(jié)果顯示，在不同特征截面煙氣流動在經(jīng)過每個彎道時都會發(fā)生速度偏斜，導致氣流均勻性變差。在彎道拐角內(nèi)側(cè)后面的煙道均會出現(xiàn)負壓和速度的回流現(xiàn)象。這些對噴氨后氣流均勻混合以及通過整流格柵進入催化層前速度分布都有不利的影響。

圖2為中心平面速度分布云圖，大體可以看出煙道內(nèi)的流動情況。從該截面可以看到，煙氣入口的彎道處流速升高，主要是因為進口處為變截面煙道，流通面積變小。在AIG噴嘴前，煙道截面的速度分布并不均勻，從煙道內(nèi)側(cè)到外側(cè)存在速度梯度。煙氣由于轉(zhuǎn)彎后的離心作用，煙道 外側(cè)流速高，內(nèi)側(cè)流速低甚至有回流出現(xiàn)。這會對噴氨后的氨擴散和混合有不利影響。

圖2 中心平面速度分布云圖

研究中還選取了從煙道進口處對煙氣的流向進行跟蹤，得到煙氣的跡線圖(如圖3所示)?？梢钥吹讲煌?jié)點處進入的煙氣跡線在經(jīng)過第一個轉(zhuǎn)彎煙道后相交前進，在噴氨面前后，流線相互交錯，并且在煙道內(nèi)側(cè)流線密集，說明煙氣的流動通量并不均勻。在經(jīng)過整流格柵后依然有旋轉(zhuǎn)偏斜的跡線，并主要從煙道外側(cè)向內(nèi)側(cè)傾斜。說明煙氣在進入第一層催化劑前的速度均勻性未達到最優(yōu)工況，并且存在不可忽視的煙氣橫向沖刷速度。

圖3 SCR煙道內(nèi)跡線圖

經(jīng)過上述對SCR煙道內(nèi)流動特性的數(shù)值模擬及初步分析，可以得出原有煙道內(nèi)煙氣流動大體特征。煙氣流速在經(jīng)過轉(zhuǎn)彎煙道后速度不均勻性增加，不利于噴氨后的迅速良好混合。在SCR脫硝系統(tǒng)的實際運行過程中，可以通過在SCR系統(tǒng)中加裝導流裝置和均流裝置來改善氣流分布的均勻性。

導流板的設計需要結(jié)合不同反應塔的結(jié)構特點，在兼顧其對SCR反應塔整體氣流分布均勻性和壓降的前提下，尋求最優(yōu)布置方式。加裝導流板不僅可以改善速度場，還可以優(yōu)化煙氣和氨的均勻混合程度。

4 導流擋板加設方案研究

根據(jù)SCR煙道的流動特征、催化層前氣流速度、濃度、溫度分布要求，結(jié)合設計經(jīng)驗，提出了4種導流板安裝方案(如圖4所示)。

圖4 導流板方案示意圖

從圖5可以看到，4種方案的流場特征大體一致，噴氨量引起的煙氣變化較小，因此噴氨對整個煙氣的流動影響較小，在縱截面的流場特征圖上差別很小。

從4種方案的流線圖上看，煙氣的形成軌跡大同小異，針對第一層催化層前的流動特征要求看，方案3的流線更加與催化層通道相平行，3是比較符合的方案。

通過對第一層催化層前速度分布特征的考察，發(fā)現(xiàn)導流板方案3的流速分布均方根偏差率最小，為6.5%，符合工程上對流速分布偏差小于15%的要求。導流板方案1和2次之，導流板方案4的流速分布均勻性最差。

圖5 煙道縱截面圖速度分布云圖(m/s)

圖6 煙道縱截面圖流線圖(Pa)

表3 SCR系統(tǒng)第一層催化層前速度分布特性比較

比較各方案的第一層催化層前氨的摩爾分數(shù)及濃度分布標準偏差，可以得到氨在煙道內(nèi)的擴散分布情況。導流板方案3的氨分布標準偏差最小，說明導流板方案3的噴氨在煙道內(nèi)的擴散最好，建議使用導流板方案3。

表4 SCR系統(tǒng)第一層催化層前氨分布特性比較

5 結(jié)論

文中模擬了SCR脫硝反應塔系統(tǒng)內(nèi)導流板的結(jié)構布置對氣流分布均勻性、噴氨后的混合效果、壓力損失的影響，提出4種導流板加裝方案。并通過數(shù)值模擬分析對比篩選出了備用的較優(yōu)方案。方案在兩個轉(zhuǎn)彎煙道和楔形反應塔入口布置導流板，并在楔形塔進口斜面布置導流板，計算表明第一層催化層前氣流的均勻性得到更多的提升，同時壓降、速度、氨濃度分布及溫度分布均能滿足工程要求，且方案的壓力分布最均勻，可以作為工程的實施方案。

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