張文志，曾毅夫

（凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰竟I(yè)生產(chǎn)環(huán)境技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410100）

CFD技術(shù)在SCR脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用

張文志，曾毅夫

（凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰竟I(yè)生產(chǎn)環(huán)境技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410100）

SCR脫硝技術(shù)是當(dāng)前大型燃煤電廠煙氣脫硝的主導(dǎo)技術(shù)。針對(duì)某2×300MW電廠脫硝系統(tǒng)，應(yīng)用CFD仿真分析方法對(duì)不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最優(yōu)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)；分析了不同噴氨速度、整流格柵結(jié)構(gòu)以及靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)流場(chǎng)及濃度場(chǎng)的影響，說(shuō)明了CFD模擬結(jié)果能有效地指導(dǎo)脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

SCR脫硝系統(tǒng)；CFD；優(yōu)化

1 前言

選擇性催化還原法（SCR）是當(dāng)前大型燃煤電廠煙氣脫硝的主導(dǎo)技術(shù)，因其具有脫硝效率高、技術(shù)成熟、工作可靠、氨逃逸率低等特點(diǎn)而受到業(yè)內(nèi)同行的認(rèn)可。隨著氮氧化物排放污染的日趨嚴(yán)重，國(guó)家在“十二五”期間加大了對(duì)氮氧化物排放的控制力度，各大電廠、玻璃廠等都紛紛安裝了脫硝設(shè)備，脫硝市場(chǎng)不容忽視。

氨氣在催化劑前的混合均勻性程度直接影響著催化劑的壽命以及其在催化劑層反應(yīng)情況的好壞，是考察SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要因素[1]，合理的布置靜態(tài)混合器、導(dǎo)流裝置以及整流格柵對(duì)脫硝效率有著重要的影響。目前，對(duì)于這方面的研究，主要還是基于CFD仿真技術(shù)，其以

節(jié)約成本和縮短項(xiàng)目周期而得到廣泛使用[2-5]。本文從不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)、整流格柵位置以及噴氨速度幾個(gè)方面對(duì)流場(chǎng)、濃度場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明了CFD技術(shù)在SCR煙氣脫硝煙道設(shè)計(jì)中的重要作用。

2 CFD模擬計(jì)算條件

2.1 煙氣條件

本文為某臺(tái)300MW機(jī)組的SCR脫硝項(xiàng)目，主要參數(shù)計(jì)算見(jiàn)表1。

2.2 計(jì)算模型

本文的SCR脫硝系統(tǒng)主體大小為30×10×33（m）結(jié)構(gòu)，噴氨方式采用噴氨格柵方式，反應(yīng)器進(jìn)口設(shè)置整流格柵，催化劑采用蜂窩催化劑。整個(gè)分析對(duì)象包括從反應(yīng)器進(jìn)口到空預(yù)器進(jìn)口的整個(gè)煙道部分，具體模型如圖1所示。

表1 煙氣模擬參數(shù)

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)示意

2.3 基本原理和假設(shè)

基于CFD理論[5]，求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、組分?jǐn)U散方程以及湍流方程。采用速度入口，自由流出口邊界條件，壁面采用無(wú)滑移壁面邊界條件，對(duì)于催化劑層的模擬采用多孔介質(zhì)模型。對(duì)本模型進(jìn)行如下基本假設(shè)：

（1）在入口處為均一的氣體速度和濃度；（2）出口處氣體的速度和濃度充分發(fā)展；（3）忽略化學(xué)反應(yīng)對(duì)流場(chǎng)的影響；

（4）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定條件下，可認(rèn)為其為穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)果與討論

對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)不同影響因素對(duì)流場(chǎng)以及氨氣濃度分布的影響進(jìn)行研究，主要包括不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、不同噴氨速度以及不同整流格柵結(jié)構(gòu)和靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑上游速度分布、氨濃度分布以及速度偏差影響的數(shù)值模擬。

3.1 導(dǎo)流板的影響

不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)流板下SCR脫硝系統(tǒng)煙道性能參數(shù)對(duì)比情況見(jiàn)表2。

從表2可看出：AIG上游速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差比較穩(wěn)定，維持在6%～7%之間，說(shuō)明AIG上游導(dǎo)流板設(shè)計(jì)較為合理。而對(duì)于催化劑上游濃度分布情況，標(biāo)準(zhǔn)偏差也主要集中在5%～6%之間，說(shuō)明導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)對(duì)其影響不大，這是因?yàn)榘睗舛鹊姆植季鶆蛐灾饕Q于噴氨下游的擾動(dòng)情況和混合距離長(zhǎng)度的大小，對(duì)于現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，混合距離是一定的，下游靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)也是一定的，這說(shuō)明主要決定氨濃度分布的因素在導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)過(guò)程中是一定的，導(dǎo)流板對(duì)的擾動(dòng)相對(duì)較小，所以氨濃度分布的變化不會(huì)很大。但對(duì)于催化劑上游速度和角度偏差，導(dǎo)流板的影響是很大的，這也是設(shè)計(jì)導(dǎo)流板的目的。從表2中可明顯看出，只有CASE2、CASE4、CASE8速度標(biāo)準(zhǔn)偏差滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)考慮催化劑上游角度偏差，CASE8是優(yōu)選方案。最終優(yōu)化CASE8如圖2～圖8所示，在整個(gè)煙道內(nèi)部，已經(jīng)不存在大的漩渦。煙道進(jìn)出口壓降332.655Pa，催化劑層壓降維持在235.94Pa，可滿足性能指標(biāo)要求。

圖2 導(dǎo)流板最終優(yōu)化方案

圖3 壓力分布（Pa）

圖4 速度分布圖

圖5 速度矢量圖

圖6 催化劑上游速度分布（m/s）

圖7 催化劑上游氨濃度分布（kmol/m3）

圖8 催化劑上游角度偏差 (°)

3.2 整流格柵的影響

不同整流器結(jié)構(gòu)圖如圖9；三種不同整流器結(jié)構(gòu)或布置的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

圖9 不同整流器結(jié)構(gòu)圖

從表3中可以看出，整流格柵高度越高其整流效果越好，但所需的鋼材也越多；整流格柵距離催化劑越近，催化劑上游的速度和角度偏差越差，這是由于整流后的氣體處于未充分發(fā)展或穩(wěn)定階段，距離催化劑層越遠(yuǎn)，氣體發(fā)展的越充分，分布也越均勻。

3.3 噴氨速度的影響

不同噴氨速度對(duì)結(jié)果的影響見(jiàn)表4。

由表4可知，噴氨速度對(duì)催化劑上游速度分布及角度偏差影響較小，但是對(duì)于氨濃度分布有較大影響，CASE15就是通過(guò)調(diào)整每根管子的流量來(lái)匹配煙氣中NOx含量的一種方法，這也是線性控制式噴射格柵的調(diào)節(jié)方法，最終使其滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 靜態(tài)混合器的影響

不同靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑上游速度及濃度分布影響的分析結(jié)果見(jiàn)表5。不同結(jié)構(gòu)靜態(tài)混合器平面圖如圖10。

圖10 不同結(jié)構(gòu)靜態(tài)混合器平面圖

結(jié)合圖10的靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)和表5的數(shù)據(jù)，從CASE16～CASE18可以看出，靜態(tài)混合器距離噴氨口越近，雖然對(duì)氨濃度分布有一定改善，但催化劑上游速度分布和角度偏差都變得很差，這是由于靜態(tài)混合器的位置在對(duì)氨濃度分布影響較大的同時(shí)，對(duì)于原有流場(chǎng)的影響也不小。因此要合理安放靜態(tài)混合器，使其既滿足氨濃度分布要求，也符合速度分布及角度分布要求。對(duì)于噴氨格柵來(lái)說(shuō)，結(jié)合CASE16、CASE17、CASE19和CASE20可以看出，圓管型靜態(tài)混合器要好于現(xiàn)有弧形板混合器，同時(shí)，當(dāng)前設(shè)計(jì)的弧形板混合器不僅沒(méi)起到加強(qiáng)氨混合的作用，反而使其混合效果變差。

4 結(jié)論

應(yīng)用CFD仿真技術(shù)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)不同導(dǎo)流板、靜態(tài)混合器、整流器結(jié)構(gòu)以及噴氨速度大小進(jìn)行了對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)CFD仿真技術(shù)，可以很清晰地了解到不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)下，SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)的流場(chǎng)、濃度場(chǎng)變化情況，為設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)流裝置提供了有效依據(jù)；

（2）整流格柵結(jié)構(gòu)越高，整流效果越明顯，但消耗的鋼材也越多；合理的整流格柵位置有利于催化劑上游氣流的均勻性分布；

（3）靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)要根據(jù)具體的煙道結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)

計(jì)，在加強(qiáng)氨氣與煙氣混合的同時(shí)，需要考慮其對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響，以此來(lái)最終確定合理的靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)；

（4）分區(qū)或者分塊來(lái)噴射不同速度的氨氣，有利于催化劑上游氨濃度的分布，但對(duì)煙道流場(chǎng)的影響相對(duì)較小。

表2 不同導(dǎo)流板對(duì)比

表3 整流格柵優(yōu)化分析

表4 噴氨速度優(yōu)化分析

表5 靜態(tài)混合器優(yōu)化分析

[1]董建勛，李辰飛，王松嶺，等.還原劑分布不均對(duì)SCR脫硝性能影響的模擬分析[J].電站系統(tǒng)工程，2007，23（1）：21-24.

[2]ADAMS B，CREMER M，VALENTINE J，et al. Use of CFD modeling for design of NOx reduction systems in utility boilers[J].Proceedings of IJPGC02.Phoenix∶ ASME Digital Library，2002∶695-702.

[3]毛劍宏，宋浩，吳衛(wèi)紅，等.電站鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，45（6）：1124-1129.

[4]WANG Zhihua，ZHOU Junhu，ZHANG Yanwei，et al. Experiment and mechanism investigation on advanced reburning for NOx reduction：influence of CO and temperature. Journal of Zhejiang University（Science），2005，6B（3）：187-194.

[5]郭婷婷，劉漢強(qiáng)，楊勇平.基于數(shù)值模擬的1000MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電站系統(tǒng)工程，2010，26（5）：61-64.

[6]王福軍.CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：7-10.

Application of CFD Technology in SCR Denitration System

ZHANG Wen-zhi, ZENG Yi-fu

X701

A

1006-5377（2015）12-0057-04