揭 濤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的經(jīng)濟(jì)生活水平提高，生活垃圾圍城的問題日益突出，成為影響人民生活環(huán)境的重要制約因素。目前，生活垃圾處理方式還是以焚燒處理為主，垃圾焚燒處理具有技術(shù)可靠、容量大、對(duì)垃圾適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的推廣價(jià)值[1]。但是，垃圾焚燒處理也有較大的弊端，相比于填埋法、堆肥法等處理手段，其燃燒需耗費(fèi)較多的能源，且會(huì)排放大量的污染煙氣。因此，針對(duì)垃圾焚燒工藝，均需設(shè)置煙氣治理系統(tǒng)，以滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求。

選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝是垃圾焚燒工藝中常用的煙氣脫硝治理手段，具有脫除效率高、控制方便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)[2-3]。在SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于催化劑的選擇，一般只要根據(jù)所要求的脫硝效率及其他相關(guān)要求，通過充分論證與比較進(jìn)行合理選擇即可。但對(duì)SCR反應(yīng)器的外形結(jié)構(gòu)、煙道尺寸、導(dǎo)流板的設(shè)置情況及煙道轉(zhuǎn)彎直徑等方面的設(shè)計(jì)需針對(duì)具體工程進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，否則，會(huì)影響反應(yīng)器內(nèi)煙氣的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、氨氮摩爾比分布，從而影響到脫硝效率、運(yùn)行費(fèi)用和投資額的高低。從以往工程情況來看，如SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)不當(dāng)，使反應(yīng)器內(nèi)的煙氣速度等分布不均，極易引起催化劑中毒、磨損以及導(dǎo)致較高氨逃逸等問題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，所有涉及流體流動(dòng)、熱交換、分子輸運(yùn)等現(xiàn)象的問題，現(xiàn)在都可以借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)得到解決。目前為止，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)是國(guó)內(nèi)外能源領(lǐng)域研究者普遍采用的手段，隨著CFD技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外很多SCR系統(tǒng)供應(yīng)商都在反應(yīng)器設(shè)計(jì)工作中運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-5]。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)述

本數(shù)值模擬對(duì)象為某生活垃圾焚燒發(fā)電工程SCR脫硝系統(tǒng)。針對(duì)SCR反應(yīng)器的導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，通過數(shù)值模擬，對(duì)比分析了無導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)I、導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)II的三種反應(yīng)器內(nèi)部煙氣、氨氣的流動(dòng)形態(tài)，判斷其結(jié)構(gòu)的合理性，提出最終SCR系統(tǒng)定型方案并研究其流場(chǎng)特性。

(1)設(shè)計(jì)圖紙如圖1所示。

圖1 SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

(2)煙氣參數(shù)見表1。

表1 脫硝裝置入口煙氣參數(shù)

(3)噴氨格柵處氨氣參數(shù)如表2所示。

表2 氨氣參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

流動(dòng)的計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程模型，k為湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率。k與ε的輸運(yùn)方程如下式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中，Gk代表由速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能；Gb代表由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；YM則是壓縮作用的修正項(xiàng)。σk和σε則分別為k和ε的普朗特?cái)?shù)。

湍流粘度μt通過k和ε由下式(3)計(jì)算：

(3)

催化劑部分的流動(dòng)計(jì)算采用多孔介質(zhì)模型。計(jì)算時(shí)主要考慮其阻力系數(shù)，阻力系數(shù)C2t計(jì)算如下式(4)：

(4)

式中，ρ為煙氣密度，vt為煙氣流速，Δp為通過該催化劑的壓降。同時(shí)催化劑內(nèi)部流動(dòng)采用層流模型計(jì)算。

3 物理建模和網(wǎng)格劃分

圖2是有導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案的SCR反應(yīng)器三維建模示意， 部分結(jié)構(gòu)在不影響流場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，以方便網(wǎng)格劃分。

圖2 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)

如圖2所示，待處理含氮煙氣經(jīng)煙氣進(jìn)口進(jìn)入SCR系統(tǒng)，經(jīng)煙道轉(zhuǎn)向進(jìn)入垂直向上煙道，氨氣/空氣混合氣由噴氨格柵噴射進(jìn)入SCR脫硝系統(tǒng)煙道，與入口煙氣充分混合后，經(jīng)過蒸汽加熱器后，通過導(dǎo)流板與整流器整流，以均勻速度進(jìn)入催化劑層，進(jìn)行脫硝反應(yīng)，生成H2O和N2，最后，脫除NOx的煙氣由SCR出口煙道排除，進(jìn)入下游設(shè)備。

根據(jù)該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，在滿足實(shí)際要求的情況下，為了便于流場(chǎng)分析和CFD計(jì)算，建模過程中對(duì)該反應(yīng)器做如下簡(jiǎn)化[6-7]：

(1)假設(shè)煙氣進(jìn)口速度場(chǎng)分布均勻；

(2)建模過程中增加導(dǎo)流板、整流器用于改變流場(chǎng)；

(3)建模過程中忽略對(duì)流場(chǎng)較小的支撐構(gòu)造；

(4)導(dǎo)流板和壁面在模擬過程中假設(shè)厚度為0。

根據(jù)以上假設(shè)，利用CFD計(jì)算前處理軟件GAMBIT2.4.6對(duì)SCR反應(yīng)器進(jìn)行三維建模，在噴氨格柵處、蒸汽加熱器等處，采用三角形網(wǎng)格TGRID進(jìn)行鋪設(shè)，在正常直段處，采用cooper網(wǎng)格進(jìn)行鋪設(shè)。針對(duì)噴氨孔較小位置，將其局部增加網(wǎng)格數(shù)量用于反應(yīng)實(shí)際流場(chǎng)。模型網(wǎng)格計(jì)算總數(shù)量為216萬，模型壁面為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

4 邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置為：

煙氣入口：流速7.8 m/s，溫度423 K，O2體積分?jǐn)?shù)0.0666，CO2體積分?jǐn)?shù)0.0799，H2O體積分?jǐn)?shù)0.2315，NO體積分?jǐn)?shù)0.00015。

噴氨入口：溫度403 K，氨氣/空氣混合氣速度12.6 m/s, O2體積分?jǐn)?shù)0.2086，NH3體積分?jǐn)?shù)0.0064。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 無導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)SCR反應(yīng)器的流場(chǎng)特點(diǎn)(100%BMCR工況)

圖3為無導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)SCR反應(yīng)器的壓力降云圖，可以看出無導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，其整體壓力損失較小，但由于沒有導(dǎo)流板，在煙氣流經(jīng)頂部彎頭后，分布不均勻，導(dǎo)致壓力場(chǎng)也不均勻。

圖3 無導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)SCR反應(yīng)器壓損

圖4，圖5是無導(dǎo)流板情況下的SCR反應(yīng)器平均截面速度場(chǎng)，NH3濃度場(chǎng)和催化劑上游0.5 m處速度云圖。從計(jì)算結(jié)果可以看出，第一層催化劑上游0.5 m處速度偏差很大，達(dá)到47.8%，其平均截面煙氣速度場(chǎng)也不均勻，明顯存在回流區(qū)，完全達(dá)不到煙氣流場(chǎng)均勻穩(wěn)定的設(shè)計(jì)前提，需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足催化劑的技術(shù)要求。

圖4 SCR反應(yīng)器混合煙氣速度云圖

圖5 催化劑上游0.5 m處速度云圖

5.2 有導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)SCR反應(yīng)器的流場(chǎng)特性(100% BMCR工況)

圖6為煙氣在通過導(dǎo)流板SCR反應(yīng)器過程中的壓力降云圖，由圖6可以看出，煙氣在整個(gè)流動(dòng)過程中，整體壓力降約為1580 Pa，導(dǎo)流板的設(shè)置也不會(huì)過多增加系統(tǒng)的阻力，完全在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。

圖6 有導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)SCR反應(yīng)器壓損

圖7、圖8為BMCR工況下，混合煙氣通過導(dǎo)流板SCR反應(yīng)器的流場(chǎng)特性，由圖可以看出，導(dǎo)流板的設(shè)置，反應(yīng)器的煙氣流場(chǎng)得到明顯的改善，煙氣流速均勻，無明顯流速偏差發(fā)生，通過數(shù)據(jù)分析可看出，此處截面流速最大偏差≤14.8%；根據(jù)計(jì)算，此截面平均流速為3.06 m/s。

圖7 SCR反應(yīng)器混合煙氣速度云圖

圖8 催化劑上游0.5 m處速度云圖

表3是兩種SCR反應(yīng)器計(jì)算結(jié)果匯總，通過對(duì)兩種導(dǎo)流方式工況SCR反應(yīng)器的數(shù)值模擬計(jì)算可以看出，通過合理的導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，可以使得混合煙氣在通過反應(yīng)器時(shí)速度場(chǎng)(偏差<15%)、濃度場(chǎng)均勻(偏差<10%)。

表3 計(jì)算結(jié)果匯總

6 結(jié) 論

(1)SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)流板的有無、型式對(duì)煙氣流場(chǎng)有重要影響。對(duì)于不同的SCR反應(yīng)器，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)流板型式，以保證煙氣在流動(dòng)過程中均勻穩(wěn)定通過催化劑模塊，達(dá)到設(shè)計(jì)的脫硝效率。

(2)在SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過程中，CFD是有效工具手段。CFD技術(shù)可以直觀、高效地將煙氣流動(dòng)過程進(jìn)行展示，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行不同工況、不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，避免了重復(fù)搭建冷態(tài)試驗(yàn)裝置進(jìn)行流場(chǎng)分析，大大節(jié)約了人力、物力。