張鵬，周俊杰

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州，450001）

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火電廠SCR反應(yīng)器脫硝性能數(shù)值模擬研究

張鵬，周俊杰

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州，450001）

摘要：脫硝反應(yīng)器是SCR脫硝技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一，脫硝反應(yīng)器的脫硝性能好壞將直接影響到火電廠煙氣是否能達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。本文利用多物理場(chǎng)耦合軟件對(duì)脫硝反應(yīng)器內(nèi)部的流場(chǎng)以及濃度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，同時(shí)考慮了化學(xué)反應(yīng)的相關(guān)影響。研究結(jié)果表明：脫硝反應(yīng)器的脫硝效率為76.73％，氨逃逸率為22.81％。

關(guān)鍵詞：SCR；化學(xué)反應(yīng)；數(shù)值模擬；多孔介質(zhì)

引言

氮氧化物（NOX）不僅會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生直接的危害，而且還會(huì)與大氣中一些成分反應(yīng)形成酸雨和光化學(xué)煙霧，造成了巨大的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失[1]。近年來，國家加大了對(duì)NOX控制的力度，新修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）進(jìn)一步加強(qiáng)了氮氧化物（NOX）的排放限值。規(guī)定在第三時(shí)間段內(nèi)燃煤鍋爐氮氧化物（NOX）的最低排放標(biāo)準(zhǔn)為50mg ·Nm-3[2]。因此，各大電廠、水泥廠等都開始加大了安裝煙氣脫硝裝備的資金投入。SCR煙氣脫硝技術(shù)——由于具有較高的脫硝效率以及良好的經(jīng)濟(jì)適用性，目前已經(jīng)成為了各大型燃煤電廠煙氣脫硝的首選。

目前，火電廠SCR脫硝反應(yīng)器的研究主要集中于反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)以及催化劑的催化性能。其中，多數(shù)學(xué)者通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法考核脫硝反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)均勻性以及各組分物質(zhì)濃度均勻性，對(duì)脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)流板、整流格柵、噴氨格柵，進(jìn)行優(yōu)化研究，以期得到均勻的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)從而提高反應(yīng)裝置的脫硝效率[3-7]；一部分學(xué)者利用通過實(shí)驗(yàn)研究催化劑對(duì)反應(yīng)的影響得出的化學(xué)反應(yīng)方程參數(shù)，然后進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從理論上對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行闡述[8-12]。影響脫硝裝置脫硝性能的主要因素為煙氣在催化劑層表面的速度均勻性分布和濃度均勻性分布，而考察煙氣脫硝裝置的脫硝性能主要為煙氣脫硝率和氨氣逃逸率[13]。

由于SCR脫硝反應(yīng)裝置涉及到流動(dòng)、傳熱、組分輸運(yùn)以及化學(xué)反應(yīng)，大部分學(xué)者數(shù)值模擬研究脫硝裝置時(shí)沒有考慮化學(xué)反應(yīng)[14]。本文通過多物理場(chǎng)耦合軟件在考慮化學(xué)反應(yīng)條件下，對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并考察了脫硝裝置的脫硝效率和氨逃逸率。

1　物理模型以及邊界條件

1.1物理模型

本文以某廠新建600MW火電機(jī)組配套下沖火焰W型無煙煤燃燒鍋爐為研究對(duì)象，其煙氣密度為0.6098kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為5.91×10-5m2/s。具體SCR煙氣各組分濃度參數(shù)為下表1。脫硝反應(yīng)器以純氨作為還原劑，SCR脫硝反應(yīng)器長12.0m，寬10.0m,高29m，導(dǎo)流板間距為1m，導(dǎo)流板安裝傾角分別為45度和15度，反應(yīng)器中催化劑設(shè)置為2+1層[14]，其中兩層為催化劑層，1層為預(yù)留層。計(jì)算幾何模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1，規(guī)則區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，在噴氨格柵和導(dǎo)流板不規(guī)則區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分效果如圖2所示，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為120萬，考慮實(shí)際物理場(chǎng)分布，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部區(qū)域加密。

SCR煙氣設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1　SCR煙氣設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1　脫硝反應(yīng)器幾何模型

圖2　模型網(wǎng)格劃分

2　數(shù)學(xué)模型

煙氣密度為0.6098kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為5.91 10-5m2/s，煙氣流速8m/s，噴氨速度為10m/s。SCR反應(yīng)器內(nèi)部主要涉及湍流流動(dòng)（Re為3.2×105）、物質(zhì)輸運(yùn)、傳熱以及化學(xué)反應(yīng)，是一種相對(duì)復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合問題。利用多物理場(chǎng)耦合軟件中的k-ε模型模擬煙氣在反應(yīng)器內(nèi)部的流動(dòng)，稀物質(zhì)傳遞描述煙氣中各組分在反應(yīng)器內(nèi)部的流動(dòng)與擴(kuò)散，通過改變物質(zhì)傳輸運(yùn)方程中的源項(xiàng)Sm來描述化學(xué)反應(yīng)對(duì)溫度場(chǎng)以及濃度場(chǎng)的影響。

2.1守恒方程

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：i表示坐標(biāo)軸方向；ρ表示密度；ui表示第i方向上的速度矢量。

（2）動(dòng)量方程

式中：當(dāng)i=j時(shí)，δij=1；當(dāng)i≠j時(shí)，δij=0。μ為動(dòng)力粘度；p表示壓強(qiáng)；

（3）能量方程

式中：T為溫度；cv為定熱比熱容；φ為內(nèi)部熱源。

（4）組分方程

式中：Ym為第m種物質(zhì)的體積濃度；Jm為第m種物質(zhì)的質(zhì)量擴(kuò)散量；Sm為系統(tǒng)內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的該組分的量。

（5）多孔介質(zhì)

催化劑是脫硝裝置的核心部分，本模型采用的是蜂窩狀催化劑，考慮到計(jì)算機(jī)的性能，本研究采用多孔介質(zhì)代替蜂窩狀催化劑以模擬催化劑層所帶來的阻力特性，多孔介質(zhì)的阻力特性為：

式中：i是坐標(biāo)軸方向；a是介質(zhì)滲透系數(shù)；C2為內(nèi)部阻力因子；Δm為介質(zhì)厚度。

2.2湍流方程

2.3反應(yīng)方程

（6）選擇催化還原法脫硝的主要原理：將還原劑（氨，烴類等）噴入煙氣中，使其在反應(yīng)器內(nèi)充分混合，并在催化劑的作用下將氮氧化物還原成氮?dú)夂退?。其主要反?yīng)式為[15]。

依據(jù)Eley-Rideal反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)速率方程為[16]：

2.4邊界條件

研究中考慮到煙氣和氨氣混合的流速遠(yuǎn)小于音速，認(rèn)為煙氣是不可壓縮的，常物性流體[17]。煙氣和氨氣入口采用速度進(jìn)口邊界條件，速度大小分別為8 m/s和10 m/s，溫度分別為550K和325K。出口設(shè)置為壓力出口，相對(duì)壓力設(shè)置為0。其余壁面采用無滑移絕熱壁面邊界條件[18]。

2.5評(píng)價(jià)方法

研究中脫硝反應(yīng)器的脫硝性能主要采用脫硝效率和氨逃逸率來進(jìn)行評(píng)價(jià)[19]。脫硝效率和氨逃逸率公式定義如下：

其中x0為氨氮比，本文中取1.2。

3　模擬結(jié)果及分析

3.1速度分布

圖2所示為脫硝反應(yīng)器內(nèi)部速度場(chǎng)分布云圖；圖3為脫硝反應(yīng)器內(nèi)部速度矢量圖；

圖3　脫硝反應(yīng)器內(nèi)部速度場(chǎng)云圖

圖4　脫硝反應(yīng)器內(nèi)部速度矢量圖

從圖3和圖4中可以看出，煙氣經(jīng)煙道口在導(dǎo)流板的作用下進(jìn)入反應(yīng)器，由于慣性的作用，煙氣在導(dǎo)流板上方由于通道較窄，速度急劇增大，經(jīng)導(dǎo)流板倒流作用進(jìn)入脫硝反應(yīng)器主體內(nèi)部，在靠近反應(yīng)器近壁側(cè)形成了局部漩渦，且脫硝反應(yīng)器主體的遠(yuǎn)壁側(cè)處速度較大，最大煙氣流速為20m/s。煙氣在進(jìn)入催化劑層表面時(shí)由于催化劑層阻力的存在，煙氣的速度逐漸降低，在反應(yīng)器遠(yuǎn)壁側(cè)降低較為明顯。

3.2壓力和溫度分布

反應(yīng)器內(nèi)部壓力損失對(duì)與脫硝反應(yīng)器的整體運(yùn)行以及鍋爐的正常運(yùn)行都至關(guān)重要。較高的壓力損失會(huì)加劇催化劑層的磨損，導(dǎo)致脫硝反應(yīng)器脫硝性能下降。圖4為脫硝反應(yīng)器內(nèi)部壓力分布云圖。

圖5　脫硝反應(yīng)器壓力分布云圖

圖6　脫硝反應(yīng)器溫度分布云圖

由圖5可以看出，脫硝反應(yīng)器內(nèi)部壓力分布較為均勻，脫硝反應(yīng)器整體壓力損失為367Pa，能夠滿足規(guī)范中不超過1000Pa要求，其中催化劑層的壓力損失為主要的壓力損失，約為250Pa。由圖6可知，在噴氨處由于噴入氨的溫度為325K，與煙氣混合后反應(yīng)器內(nèi)部整個(gè)溫度場(chǎng)變化較小，為煙氣的溫度550K，催化劑內(nèi)部靠近遠(yuǎn)壁側(cè)由于反應(yīng)熱的影響低于靠近近壁側(cè)處。

3.3催化劑內(nèi)部分析

脫硝反應(yīng)主要發(fā)生在反應(yīng)器的催化劑層，催化劑內(nèi)部反應(yīng)的好壞直接影響到脫硝反應(yīng)器的脫硝性能。

圖8　催化劑層內(nèi)部NO濃度分布

由圖7中可以看出在剛進(jìn)入催化劑反應(yīng)層的遠(yuǎn)壁側(cè)處NH3的分布濃度較高，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，NH3濃度逐漸降低；圖8中也可以看出隨著反應(yīng)的進(jìn)行NO濃度逐漸降低，在靠近反應(yīng)器近壁側(cè)由于NH3的濃度較低，NO濃度在靠近反應(yīng)器遠(yuǎn)壁側(cè)的降低速率要高于近壁側(cè)。

3.4脫硝性能

脫硝反應(yīng)器的性能主要體現(xiàn)在較高的脫硝效率以及較低的氨逃逸率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果出口NO平均濃度為6.98×10-7mol/m3，NH3出口平均濃度為8.21×10-7mol/m3，計(jì)算出脫硝反應(yīng)器的脫硝效率為76.73％，氨逃逸率為22.81％。

4　結(jié)束語

本文利用多物理場(chǎng)耦合軟件建立了SCR脫硝反應(yīng)器的三維模型，對(duì)其內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了模擬研究。研究結(jié)果表明：（1）速度和濃度在反應(yīng)器遠(yuǎn)壁側(cè)的分布較大，在近壁側(cè)分布的速度較??；（2）脫硝反應(yīng)器的脫硝效率為76.73％，氨逃逸率為22.81％。研究結(jié)果對(duì)實(shí)際工作具有一定參考價(jià)值。

國家自然科學(xué)基金（No.51276173）。

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張鵬，碩士研究生，化工機(jī)械專業(yè)。研究方向：傳熱傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)。

E-mail:zhangpengxing1991@163.com

周俊杰(1974-)，通訊作者，副教授，研究生導(dǎo)師，長期從事計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算流體與數(shù)值傳熱、計(jì)算化學(xué)與節(jié)能減排等方面的教學(xué)與科研工作。

E-mail:zhoujunjie2008@163.com

Numerical Simulation on the Performance of SCR Denitration Reactors in Thermal Power Plant

Peng Zhang,Junjie Zhou
(Chemical and Energy Engineering School of Zhengzhou University,Zhengzhou,450001,China)

Abstract:Denitrification reactor is one of the key equipments of the SCR denitrification technology.The performance of denitrification reactors will directly decidea that the flue gas of the thermal power plant can reach the standard of environmental protection or not.In this paper,the numerical simulation of the flow field and concentration field in the denitrification reactor is carried out by using the multi physical field coupling software.The results showed that the efficiency of denitrification was 76.73％,and the escape rate of ammonia was 22.81％.

Key words:SCR;Chemical reaction;Numerical simulation;Porous

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：

DOI:工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.003

中圖分類號(hào)：TK09

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412(2016)01-644-06