SCR法煙氣脫硝裝置流動(dòng)數(shù)值模擬研究

　　摘要：對(duì)某電廠SCR裝置煙氣流動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算研究，研究結(jié)果表明，在SCR反應(yīng)器的豎直上升煙道下轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)向處設(shè)計(jì)3塊弧—直形導(dǎo)流板，豎直上升煙道的漸擴(kuò)段處設(shè)計(jì)9塊直行板導(dǎo)流，在漸擴(kuò)段出口設(shè)計(jì)19塊直行板導(dǎo)流板，豎直上升煙道上轉(zhuǎn)彎處設(shè)計(jì)3塊直—弧—直形導(dǎo)流板，反應(yīng)器入口設(shè)計(jì)41塊直行導(dǎo)流板，可以得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的計(jì)算結(jié)果。模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)值相吻合，具有應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：SCR反應(yīng)器數(shù)值模擬導(dǎo)流板

　　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(guò)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)、入口煙道尺寸、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，從而導(dǎo)致脫硝效率不達(dá)標(biāo)、催化劑活性下降及磨損報(bào)廢，甚至導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以流場(chǎng)組織是SCR法脫硝核心技術(shù)。SCR反應(yīng)器流場(chǎng)特性研究的目的主要是通過(guò)SCR系統(tǒng)流場(chǎng)模擬試驗(yàn)，優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)的設(shè)計(jì)，保證反應(yīng)器內(nèi)催化劑入口速度均勻;通過(guò)NH3/NOx模擬混合試驗(yàn)，優(yōu)化噴氨格柵設(shè)計(jì)，保證催化劑入口斷面混合分布均勻;通過(guò)SCR系統(tǒng)積灰模擬試驗(yàn)，檢驗(yàn)系統(tǒng)積灰情況，測(cè)量煙氣系統(tǒng)阻力，優(yōu)化煙道及反應(yīng)器設(shè)計(jì)，降低壓力損失。

　　本文以某電廠200MW機(jī)組為例，對(duì)其SCR煙氣流動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。為在頂層催化劑入口獲得均勻的煙氣流場(chǎng)，并使整個(gè)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(dǎo)流、混合及整流裝置等作為一個(gè)整體，采用CFD數(shù)值模擬優(yōu)化反應(yīng)器布置方式、煙道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)等。通過(guò)CFD流場(chǎng)模擬，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)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(chǎng)分布均勻性，達(dá)到流動(dòng)和混合最佳、總體阻力最小及不積灰目的。

　　1SCR反應(yīng)器系統(tǒng)

　　某電廠200MW機(jī)組采用SCR法脫硝。脫硝裝置設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)器本體外形尺寸為5980mm×11920mm×9285mm，入口煙氣量為89萬(wàn)m3/h。CFD模型建立從省煤器下部到空氣預(yù)熱器入口法蘭，圖1a為該工程初步設(shè)計(jì)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(jìn)入SCR脫硝系統(tǒng)煙道，與煙道中的煙氣進(jìn)行充分混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，經(jīng)催化劑作用，噴入的NH3與NOx反應(yīng)生成H2O和N2，脫除NOx后的煙氣由SCR出口煙道排出，進(jìn)入空氣預(yù)熱器等下游各級(jí)輔機(jī)設(shè)備。

　　采用加裝導(dǎo)流板的方式可使煙氣進(jìn)入催化劑層前分布盡量均勻，在每一個(gè)煙氣流向改變處以及變徑段均需設(shè)置導(dǎo)流板來(lái)保障氣流的均勻性。導(dǎo)流板一般布置在調(diào)整管道的頂部和反應(yīng)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(dǎo)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(jīng)催化劑層的均勻性(圖1a)。另外，導(dǎo)流板設(shè)置也需要考慮系統(tǒng)阻力的變化影響。

　　2數(shù)值模擬

　　2.1模型簡(jiǎn)化及數(shù)學(xué)模型

　　根據(jù)該工程的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，在滿(mǎn)足工程要求條件下，為便于模擬計(jì)算，對(duì)該SCR系統(tǒng)內(nèi)煙氣狀況作如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：①將煙氣視為不可壓縮牛頓流體;②假設(shè)省煤器進(jìn)口處煙氣速度分布均勻;③考慮到兩個(gè)反應(yīng)器的對(duì)稱(chēng)性，CFD模型只模擬單側(cè)的一個(gè)反應(yīng)器。CFD模型包括氨噴射格柵、催化劑層和煙道系統(tǒng)等;④應(yīng)用多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化催化劑層壓降;⑤在CFD模型中安裝改變流場(chǎng)的導(dǎo)流板、整流層等;⑥在CFD模型中忽略一些對(duì)流場(chǎng)影響較小的內(nèi)部構(gòu)造(構(gòu)架，梁等);⑦導(dǎo)流板的厚度相對(duì)煙道尺寸較小，模擬時(shí)假設(shè)其厚度為零。

　　在進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)學(xué)模型的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。數(shù)學(xué)模型的選取重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：①流動(dòng)現(xiàn)象的分析;②計(jì)算模型的使用范圍;③計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性分析;④計(jì)算時(shí)間等。此次模擬主要針對(duì)流場(chǎng)的優(yōu)化，為了在保證精度的前提下盡量減少計(jì)算量，采用氣相湍流模型。

　　圖1SCR反應(yīng)器的幾何模型

　　SCR裝置煙氣流場(chǎng)的控制方程式可表示為：

　　根據(jù)SCR裝置內(nèi)煙氣流動(dòng)時(shí)湍流的情況，采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型來(lái)模擬系統(tǒng)內(nèi)煙氣的湍流運(yùn)動(dòng)。采用物質(zhì)輸運(yùn)模型來(lái)模擬煙氣和氨氣的混合情況。