SCR法烟气脱硝装置流动数值模拟研究

摘要：对某电厂SCR装置烟气流动系统进行了模拟计算研究，研究结果表明，在SCR反应器的竖直上升烟道下转弯转向处设计3块弧—直形导流板，竖直上升烟道的渐扩段处设计9块直行板导流，在渐扩段出口设计19块直行板导流板，竖直上升烟道上转弯处设计3块直—弧—直形导流板，反应器入口设计41块直行导流板，可以得到满足设计要求的计算结果。模拟计算与实测值相吻合，具有应用价值。 在SCR系统设计时，对于催化剂的选择，一般只要根据所要求的脱硝效率及其他相关要求，通过充分论证与比较进行合理选择即可。但对SCR反应器的外形结构、入口烟道尺寸、导流板的设置情况及烟道转弯直径等方面的设计需针对具体工程进行个性化设计，否则会影响反应器内烟气的速度场、温度场、氨氮摩尔比分布，从而导致脱硝效率不达标、催化剂活性下降及磨损报废，甚至导致机组非计划停机，影响机组安全稳定运行，所以流场组织是SCR法脱硝核心技术。SCR反应器流场特性研究的目的主要是通过SCR系统流场模拟试验，优化反应器内的设计，保证反应器内催化剂入口速度均匀;通过NH3/NOx模拟混合试验，优化喷氨格栅设计，保证催化剂入口断面混合分布均匀;通过SCR系统积灰模拟试验，检验系统积灰情况，测量烟气系统阻力，优化烟道及反应器设计，降低压力损失。 本文以某电厂200MW机组为例，对其SCR烟气流动系统进行了研究。为在顶层催化剂入口获得均匀的烟气流场，并使整个系统的阻力最小以及减少可能存在的积灰，将脱硝系统包括烟道、氨喷射系统、导流、混合及整流装置等作为一个整体，采用CFD数值模拟优化反应器布置方式、烟道结构及内部导流结构等。通过CFD流场模拟，进一步优化设计导流、均流、AIG的布置方式及尺寸，保证SCR烟气脱硝系统各截面的烟气流场分布均匀性，达到流动和混合最佳、总体阻力最小及不积灰目的。 1SCR反应器系统 某电厂200MW机组采用SCR法脱硝。脱硝装置设计时考虑了煤种、锅炉最大工况(BMCR)、处理100%烟气量、2+1层催化剂等。SCR反应器本体外形尺寸为5980mm×11920mm×9285mm，入口烟气量为89万m3/h。CFD模型建立从省煤器下部到空气预热器入口法兰，图1a为该工程初步设计阶段SCR系统的外形示意图。氨气/空气混合气由喷氨格栅喷射(如图1b所示)进入SCR脱硝系统烟道，与烟道中的烟气进行充分混合后进入SCR反应器，经催化剂作用，喷入的NH3与NOx反应生成H2O和N2，脱除NOx后的烟气由SCR出口烟道排出，进入空气预热器等下游各级辅机设备。 采用加装导流板的方式可使烟气进入催化剂层前分布尽量均匀，在每一个烟气流向改变处以及变径段均需设置导流板来保障气流的均匀性。导流板一般布置在调整管道的顶部和反应器的入口处，如图1a所示。此外，为保证脱硝效率，一般需在喷氨格栅前安装导流板以保证氨和烟气的充分混合(图1b)，在催化剂前安装整流格栅以保证烟气流经催化剂层的均匀性(图1a)。另外，导流板设置也需要考虑系统阻力的变化影响。 2数值模拟 2.1模型简化及数学模型 根据该工程的实际运行环境，在满足工程要求条件下，为便于模拟计算，对该SCR系统内烟气状况作如下假设和简化：①将烟气视为不可压缩牛顿流体;②假设省煤器进口处烟气速度分布均匀;③考虑到两个反应器的对称性，CFD模型只模拟单侧的一个反应器。CFD模型包括氨喷射格栅、催化剂层和烟道系统等;④应用多孔介质模型简化催化剂层压降;⑤在CFD模型中安装改变流场的导流板、整流层等;⑥在CFD模型中忽略一些对流场影响较小的内部构造(构架，梁等);⑦导流板的厚度相对烟道尺寸较小，模拟时假设其厚度为零。 在进行数值模拟试验过程中，数学模型的选取对计算结果起着至关重要的作用。数学模型的选取重点考虑以下几个方面：①流动现象的分析;②计算模型的使用范围;③计算结果准确性分析;④计算时间等。此次模拟主要针对流场的优化，为了在保证精度的前提下尽量减少计算量，采用气相湍流模型。图1SCR反应器的几何模型 SCR装置烟气流场的控制方程式可表示为： 根据SCR装置内烟气流动时湍流的情况，采用标准k—ε湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动。采用物质输运模型来模拟烟气和氨气的混合情况。 2.2模拟过程简介 首先利用前处理软件对SCR系统进行三维建模。采用四面体和六面体网格对三维模型进行分区域网格划分。与模型外形尺寸相比，喷嘴尺寸相对较小，为了精确考察喷嘴喷射情况，将喷嘴出口段烟道的网格进行了加密。 其次进行边界条件设置。该模型的边界条件依据烟气脱硝运行参数设置，烟气和还原剂的入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，出口压力取1个标准大气压，模型壁面采用标准壁面函数。 最后通过后处理软件对计算结果进行分析，输出云图及各类数据。 3模拟结果分析 3.1标准偏差的定义及计算 随着对NOx排放控制要求的提高，对SCR系统的性能要求也越来越高，为了评价SCR系统的设计性能，提出了偏差系数的概念。所谓偏差系数，就是SCR反应器内各截面处速度或浓度的标准偏差占该截面速度或浓度平均值的百分数，温度考察为首层催化剂上面同一横截面上偏差值，偏差系数计算方法如下： 3.2数值模拟结果分析 根据系统工程师设计的SCR脱硝装置的几何尺寸及运行参数等，对设计的方案进行了反复的模拟及分析，得到最优的导流板布置方式。 参考《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》(DL/T5121—2000)的设计原则，模拟研究了多种导流板的几何尺寸和布置位置，经过优化设计在SCR反应器的竖直上升烟道下转弯转向处设计3块弧—直形导流板(即导流板1)，竖直上升烟道的渐扩段处设计9块直形导流板(即导流板2，主要保证烟气在反应器宽度方向的分布均匀性)，在渐扩段出口设计19块直形导流板(即导流板3)，竖直上升烟道上转弯处设计3块直—弧—直形导流板(即导流板4)，反应器入口设计41块直形整流板(即导流板5)(详见图1a);研究结果表明，该设计方案能取得很好的烟气流动分布和维持系统较低的压降。 图2为最优方案的系统流线分布，可见在SCR反应器入口斜向上烟道下部烟气流速相对较大，而进入到SCR反应器内流线分布均匀，无明显涡流，定性分析第一层催化剂来流速度与竖直方向夹角小于10°。 图3为最优方案的反应器断面速度云图分布，反映出SCR反应器及烟道的速度场情况，在SCR反应器入口斜向上烟道下部烟气流速相对较大，而进入到SCR反应器内速度场分布均匀、速度偏差较小，反应器出口进入空预器前两个烟道流场情况类似，定性分析进入空预器的烟气量分配较为均匀。 BMCR工况下，SCR反应器内第一层催化剂入口(催化剂上层面上游0.5m处)的速度分布如图4所示，从图中可以看出在第一层催化剂上游0.5m截面上速度分布均匀。该截面的平均速度为4.26m/s，将该截面的各点速度值导出代入公式(2)，计算速度分布的标准偏差为8.66%，满足工程设计技术指标的要求。 BMCR工况下，SCR反应器内第一层催化剂入口截面的温度分布如图5所示，从图中可以看出在该截面上温度分布均匀，且其平均温度为650.3K，温度变化范围在±3℃以内，最大偏差≤10℃。 图6给出了BMCR工况下SCR反应器内第一层催化剂上游0.5m处的氨浓度分布图，将该截面的各点氨/氮摩尔比值导出代入公式(2)，求得标准偏差为3.86%，满足工程技术指标的要求。 在模拟计算过程中，SCR反应器内的催化剂层压降损失是通过将催化剂层简化成多孔介质进行模拟，其压降损失模拟公式如下： 流体模型内部导流板及整流装置确定后，根据模拟结果分别计算SCR装置入口和出口截面上总压的平均值。压力面积加权平均计算公式： 图7为BMCR工况下，从脱硝系统入口到出口之间的系统压力损失为276Pa(未考虑两层催化剂阻力)，压力损失较小，满足工程技术指标的要求 4结论 某电厂200MW机组装置模型CFD研究分析表明，通过分别在脱硝系统烟道扩张段、弯头处、反应器入口等位置合理设计导流板，可以得到满足SCR设计要求的计算结果。优化设计后主要截面的速度分布、脱硝系统压降、催化剂入口浓度分布及速度偏角分布、空预器入口速度分布等结果见表1。优化设计计算值与物理模型测试值吻合较好，达到了优化设计目的。 该项目的导流板方案特别是反应器整流格栅设计CFD数值模拟优化方法具有广泛的适用性，优化后流线矫正效果好，整流效果佳，保障了催化剂剂床层前流场的均匀性，对于其它机组脱硝SCR反应器设计具有良好的借鉴意义。