SCR法煙氣脫硝裝置流動數值模擬研究

　　摘要：對某電廠SCR裝置煙氣流動系統(tǒng)進行了模擬計算研究，研究結果表明，在SCR反應器的豎直上升煙道下轉彎轉向處設計3塊弧—直形導流板，豎直上升煙道的漸擴段處設計9塊直行板導流，在漸擴段出口設計19塊直行板導流板，豎直上升煙道上轉彎處設計3塊直—弧—直形導流板，反應器入口設計41塊直行導流板，可以得到滿足設計要求的計算結果。模擬計算與實測值相吻合，具有應用價值。

　　關鍵詞：SCR反應器數值模擬導流板

　　在SCR系統(tǒng)設計時，對于催化劑的選擇，一般只要根據所要求的脫硝效率及其他相關要求，通過充分論證與比較進行合理選擇即可。但對SCR反應器的外形結構、入口煙道尺寸、導流板的設置情況及煙道轉彎直徑等方面的設計需針對具體工程進行個性化設計，否則會影響反應器內煙氣的速度場、溫度場、氨氮摩爾比分布，從而導致脫硝效率不達標、催化劑活性下降及磨損報廢，甚至導致機組非計劃停機，影響機組安全穩(wěn)定運行，所以流場組織是SCR法脫硝核心技術。SCR反應器流場特性研究的目的主要是通過SCR系統(tǒng)流場模擬試驗，優(yōu)化反應器內的設計，保證反應器內催化劑入口速度均勻;通過NH3/NOx模擬混合試驗，優(yōu)化噴氨格柵設計，保證催化劑入口斷面混合分布均勻;通過SCR系統(tǒng)積灰模擬試驗，檢驗系統(tǒng)積灰情況，測量煙氣系統(tǒng)阻力，優(yōu)化煙道及反應器設計，降低壓力損失。

　　本文以某電廠200MW機組為例，對其SCR煙氣流動系統(tǒng)進行了研究。為在頂層催化劑入口獲得均勻的煙氣流場，并使整個系統(tǒng)的阻力最小以及減少可能存在的積灰，將脫硝系統(tǒng)包括煙道、氨噴射系統(tǒng)、導流、混合及整流裝置等作為一個整體，采用CFD數值模擬優(yōu)化反應器布置方式、煙道結構及內部導流結構等。通過CFD流場模擬，進一步優(yōu)化設計導流、均流、AIG的布置方式及尺寸，保證SCR煙氣脫硝系統(tǒng)各截面的煙氣流場分布均勻性，達到流動和混合最佳、總體阻力最小及不積灰目的。

　　1SCR反應器系統(tǒng)

　　某電廠200MW機組采用SCR法脫硝。脫硝裝置設計時考慮了煤種、鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量、2+1層催化劑等。SCR反應器本體外形尺寸為5980mm×11920mm×9285mm，入口煙氣量為89萬m3/h。CFD模型建立從省煤器下部到空氣預熱器入口法蘭，圖1a為該工程初步設計階段SCR系統(tǒng)的外形示意圖。氨氣/空氣混合氣由噴氨格柵噴射(如圖1b所示)進入SCR脫硝系統(tǒng)煙道，與煙道中的煙氣進行充分混合后進入SCR反應器，經催化劑作用，噴入的NH3與NOx反應生成H2O和N2，脫除NOx后的煙氣由SCR出口煙道排出，進入空氣預熱器等下游各級輔機設備。

　　采用加裝導流板的方式可使煙氣進入催化劑層前分布盡量均勻，在每一個煙氣流向改變處以及變徑段均需設置導流板來保障氣流的均勻性。導流板一般布置在調整管道的頂部和反應器的入口處，如圖1a所示。此外，為保證脫硝效率，一般需在噴氨格柵前安裝導流板以保證氨和煙氣的充分混合(圖1b)，在催化劑前安裝整流格柵以保證煙氣流經催化劑層的均勻性(圖1a)。另外，導流板設置也需要考慮系統(tǒng)阻力的變化影響。

　　2數值模擬

　　2.1模型簡化及數學模型

　　根據該工程的實際運行環(huán)境，在滿足工程要求條件下，為便于模擬計算，對該SCR系統(tǒng)內煙氣狀況作如下假設和簡化：①將煙氣視為不可壓縮牛頓流體;②假設省煤器進口處煙氣速度分布均勻;③考慮到兩個反應器的對稱性，CFD模型只模擬單側的一個反應器。CFD模型包括氨噴射格柵、催化劑層和煙道系統(tǒng)等;④應用多孔介質模型簡化催化劑層壓降;⑤在CFD模型中安裝改變流場的導流板、整流層等;⑥在CFD模型中忽略一些對流場影響較小的內部構造(構架，梁等);⑦導流板的厚度相對煙道尺寸較小，模擬時假設其厚度為零。

　　在進行數值模擬試驗過程中，數學模型的選取對計算結果起著至關重要的作用。數學模型的選取重點考慮以下幾個方面：①流動現(xiàn)象的分析;②計算模型的使用范圍;③計算結果準確性分析;④計算時間等。此次模擬主要針對流場的優(yōu)化，為了在保證精度的前提下盡量減少計算量，采用氣相湍流模型。

　　圖1SCR反應器的幾何模型

　　SCR裝置煙氣流場的控制方程式可表示為：

　　根據SCR裝置內煙氣流動時湍流的情況，采用標準k—ε湍流模型來模擬系統(tǒng)內煙氣的湍流運動。采用物質輸運模型來模擬煙氣和氨氣的混合情況。