發(fā)電廠SCR脫硝系統(tǒng)數(shù)值模擬研究進(jìn)展

陳元金，李德波，殷立寶，高建強(qiáng)

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080）

0 引言

隨著工業(yè)不斷發(fā)展、NOX排放量的不斷增加，酸雨已由硫酸型向硫酸、硝酸復(fù)合型轉(zhuǎn)變[1]，NOX逐漸成為主要的氣態(tài)污染源。對(duì)于燃燒煤粉的電站鍋爐，其污染物氮氧化物排放主要是NO和NO2，其中NO約占90%以上，因此通常將NO和NO2總稱為 NOX。

近年來(lái)，政府及科研單位在對(duì)NOX污染的控制方面做了大量的研究工作，并且開發(fā)出了許多實(shí)用高效的新技術(shù)。按照氮氧化物在燃燒時(shí)控制階段的不同，其減排技術(shù)一般分為燃燒前、燃燒中和燃燒后的煙氣脫硝。燃燒中控制的手段主要為采用低NOX燃燒器、燃料混合、分級(jí)燃燒等。燃燒后脫硝的措施包括SCR（選擇性催化還原）法、SNCR（選擇性非催化還原）法、熾熱碳還原法、濕式絡(luò)合吸收法、電子束照射法和等離子體法以及微生物法等[2]，當(dāng)下最主流的是SCR法和SNCR法。對(duì)于SNCR技術(shù)，當(dāng)反應(yīng)溫度低于900℃時(shí)會(huì)造成氨穿透的現(xiàn)象，所以對(duì)反應(yīng)溫度控制要求比較高。SCR法是目前國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的高效煙氣脫硝技術(shù)，技術(shù)成熟、不形成二次污染，且運(yùn)行可靠、便于維護(hù)，最適合大力推廣[3]。

1 SCR脫硝系統(tǒng)數(shù)值模擬

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的效率不僅與所選催化劑的活性有關(guān)[4]，而且與整個(gè)脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、煙氣組分分布及噴氨調(diào)整有關(guān)。由于數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展所帶來(lái)的便捷性和經(jīng)濟(jì)性，數(shù)值模擬在SCR脫硝系統(tǒng)方面的研究得以深入開展。目前，數(shù)值模擬技術(shù)在SCR煙氣脫硝技術(shù)中的應(yīng)用主要包括：SCR系統(tǒng)部件布置模擬研究，SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)組分分布及反應(yīng)模擬研究。通過(guò)模擬SCR系統(tǒng)內(nèi)部件（如導(dǎo)流板、整流器及催化劑）布置，可以在最短的時(shí)間內(nèi)得到大量關(guān)于流場(chǎng)、飛灰沖刷及磨損等數(shù)據(jù)，從而獲得最優(yōu)的部件布置方式；而對(duì)于煙氣組分及反應(yīng)的數(shù)值模擬可以得到實(shí)驗(yàn)短時(shí)間內(nèi)無(wú)法得到的大量信息，為催化劑的運(yùn)行監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。目前關(guān)于SCR脫硝系統(tǒng)模擬最大的困難在于：催化劑表面及內(nèi)部的反應(yīng)復(fù)雜性以及組分反應(yīng)與流動(dòng)傳熱的耦合，電廠實(shí)際運(yùn)行時(shí)流場(chǎng)的多變性。因此，更加全面綜合的數(shù)值模擬方法有待進(jìn)一步的研究。

2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型研究

SCR脫硝催化反應(yīng)是較為復(fù)雜的氣固非均相反應(yīng)，包括表面反應(yīng)和內(nèi)部反應(yīng)。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程通常包括3部分：參與反應(yīng)的各組分?jǐn)U散到催化劑表面；各反應(yīng)組分吸附在催化劑表面并發(fā)生反應(yīng)；反應(yīng)生成物脫附[5]。目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可的SCR脫硝催化反應(yīng)的機(jī)理主要為以下2種：

（1）Langmuir-Hinshelwood（L-H）機(jī)理， 認(rèn)為主反應(yīng)發(fā)生在溫度低于200℃，且在反應(yīng)發(fā)生時(shí)，NH3和NO同時(shí)擴(kuò)散到催化劑表面，然后同時(shí)吸附在催化劑表面相鄰的活性反應(yīng)位上進(jìn)行反應(yīng)。

（2）Eley-Rideal（E-R）機(jī)理， 認(rèn)為主反應(yīng)發(fā)生溫度高于200℃，且反應(yīng)時(shí)NH3先擴(kuò)散到催化劑表面并被吸附，然后再與NO發(fā)生反應(yīng)。

也有人認(rèn)為隨著溫度窗口的擴(kuò)大，2種機(jī)理可能同時(shí)存在[6]。對(duì)于目前火電廠普遍應(yīng)用的蜂窩式釩基催化劑，研究認(rèn)為E-R模型機(jī)理更符合實(shí)際情況。

在L-H機(jī)理和E-R機(jī)理的基礎(chǔ)上，有學(xué)者做了進(jìn)一步的研究分析。文獻(xiàn)[7]中以E-R機(jī)理為動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，建立了SCR催化劑單孔道一維數(shù)學(xué)模型，用于模擬SCR催化劑孔道內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)程。模型同時(shí)還考慮了氨氧化的副反應(yīng)以及孔道內(nèi)反應(yīng)的熱效應(yīng)。利用模型計(jì)算了孔道內(nèi)的組分濃度和溫度分布、不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)NO轉(zhuǎn)化率的影響，以及催化劑孔通道大小與孔形狀對(duì)脫硝效率的影響。廖永進(jìn)等[8]采用E-R機(jī)理建立的速率方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到了典型催化劑服役前后的表觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并分析了催化劑失活的原因。研究結(jié)果表明：催化劑服役前的NH3均衡速率常數(shù)的表觀活化能和表觀指前因子均比服役后增大。Tronconi等[9]以常用的釩鈦基催化劑為研究對(duì)象，通過(guò)研究反應(yīng)溫度窗口發(fā)現(xiàn)：溫度在200℃以上時(shí)催化反應(yīng)主要為E-R反應(yīng)機(jī)理，在200℃以下時(shí)催化反應(yīng)主要為L(zhǎng)-H反應(yīng)機(jī)理。

3 SCR系統(tǒng)部件模擬

在SCR脫硝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，噴氨合理性以及脫硝效率達(dá)標(biāo)在很大程度上依賴于反應(yīng)系統(tǒng)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的均勻性[10]，而這又取決于系統(tǒng)內(nèi)裝置（如導(dǎo)流板、整流器及催化劑）的布置形式，如圖1所示。

圖1 SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 導(dǎo)流板優(yōu)化數(shù)值模擬

脫硝煙道內(nèi)構(gòu)件的合理布置有利于煙道內(nèi)流場(chǎng)的均勻化。對(duì)于SCR脫硝系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其流場(chǎng)的均勻性等都有賴于煙道內(nèi)導(dǎo)流板的布置，將導(dǎo)流板合理地布置在煙道擴(kuò)口處、煙道上升拐彎部位以及整流器上部，可以很好地保證流場(chǎng)均勻性，減少脫硝系統(tǒng)由于煙道不均導(dǎo)致的磨損、積灰等。

在導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)布置方面，李德波在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行優(yōu)化[11]的基礎(chǔ)上，采用三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算和SIMPLE算法，進(jìn)行數(shù)值模擬研究[12-13]，對(duì)某燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行煙氣流場(chǎng)均勻性和飛灰沉積的綜合數(shù)值模擬。在加入飛灰顆粒離散相后，開展煙道內(nèi)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)流板布置形式對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)以及飛灰沉積的影響研究，結(jié)果表明：在導(dǎo)流板的弧形板后加裝一段豎直直板可進(jìn)一步引導(dǎo)煙氣流動(dòng)，減小回流作用，使煙氣進(jìn)入上層催化劑層時(shí)速度更加均勻。同時(shí)經(jīng)過(guò)多工況綜合分析考慮，給出了常規(guī)運(yùn)行下優(yōu)化布置的方案。LiMao等[14]以某600 MW超臨界鍋爐為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬研究導(dǎo)流板布置方式。在模擬過(guò)程中，通過(guò)在脫硝系統(tǒng)煙氣入口（圖1中1處）加裝2塊導(dǎo)流板，在脫硝系統(tǒng)上升彎道（圖1中2處）加裝5塊導(dǎo)流板，在整流器（圖1中3處）上方加裝9塊導(dǎo)流板，達(dá)到了優(yōu)化煙道流場(chǎng)的目的。在完成導(dǎo)流板布置位置模擬研究后，還對(duì)導(dǎo)流板間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了最佳的煙氣分布。

徐妍、李文彥[15]以某發(fā)電廠300 MW機(jī)組SCR脫硝反應(yīng)器中導(dǎo)流板為研究對(duì)象，采用Fluent軟件，應(yīng)用k-ε雙方程模型計(jì)算氣體的湍流運(yùn)動(dòng)，采用物質(zhì)輸運(yùn)方程預(yù)測(cè)煙氣組分的混合，研究反應(yīng)器原設(shè)計(jì)方案下的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)信息，通過(guò)模擬5種不同的煙氣流速及4種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板下反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，得出最優(yōu)的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)及反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布。文獻(xiàn)[16]采用Fluent軟件對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)煙道彎道處4種導(dǎo)流板設(shè)置方案進(jìn)行了模擬，通過(guò)對(duì)煙道內(nèi)速度分布圖和煙道進(jìn)出口壓力下降的分析，探討了導(dǎo)流板布置方式對(duì)脫硝煙道出口速度分布、進(jìn)出口壓差及流動(dòng)過(guò)程能量損耗的影響，得出以下結(jié)論：在脫硝煙道中設(shè)置導(dǎo)流板，可以顯著改善煙道內(nèi)流場(chǎng)的分布；合理的導(dǎo)流板設(shè)計(jì)不僅能使流速變得均勻，還可以降低煙道的能量損失和壓降；但是，當(dāng)導(dǎo)流板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大時(shí)，雖能很好地改善流場(chǎng)，卻因其本身影響使流體阻力增大，將導(dǎo)致煙道的能量損失和壓降增大。而文獻(xiàn)[17]認(rèn)為脫硝反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)均勻性取決于催化劑床層頂部導(dǎo)流板的性能，可通過(guò)改變導(dǎo)流板間距、導(dǎo)流板長(zhǎng)度、與Z軸（垂直軸）的夾角以及第1塊導(dǎo)流板與反應(yīng)器邊壁的距離，對(duì)煙氣整流格柵進(jìn)行模擬，從而分析煙氣整流格柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)反應(yīng)器流場(chǎng)分布的影響。

3.2 導(dǎo)流板及噴氨系統(tǒng)綜合模擬

通過(guò)合理設(shè)置煙道內(nèi)導(dǎo)流板的位置可以改善煙道內(nèi)流場(chǎng)的分布，但是由于實(shí)際運(yùn)行中SCR煙道流場(chǎng)的復(fù)雜性，需要對(duì)導(dǎo)流板以外的噴氨格柵、混合器等進(jìn)行綜合優(yōu)化，才能達(dá)到實(shí)際運(yùn)行需要的準(zhǔn)確度[18-19]。

由SCR脫硝機(jī)理可知，NH3在脫硝中起到重要的作用[20-21]，噴氨量、噴氨均勻性及氨氮摩爾比的變化將直接影響到脫硝效率的高低。文獻(xiàn)[22]選取實(shí)際的脫硝反應(yīng)器為研究對(duì)象，以分析脫硝系統(tǒng)中煙氣反應(yīng)物組分濃度分布不均勻性對(duì)SCR脫硝性能影響為目的，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，煙氣中噴氨分布的不均勻性對(duì)脫硝裝置的脫硝效率和氨逃逸有顯著影響。孫虹以某1 000 MW電站鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)脫硝反應(yīng)器內(nèi)的多組分分布、湍流流動(dòng)及化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究[23]。利用數(shù)值模擬多次試算獲得最優(yōu)噴氨策略，并對(duì)該最優(yōu)噴氨策略進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明：數(shù)值模擬分析所得的數(shù)據(jù)可有效指導(dǎo)噴氨優(yōu)化調(diào)整，降低調(diào)整盲目性，提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率。周麗麗考察了未加靜態(tài)混合器、多孔板以及導(dǎo)流板的空白模型和優(yōu)化模型的數(shù)值模擬[24]，結(jié)果表明：加入靜態(tài)混合器、多孔板以及導(dǎo)流板的優(yōu)化模型中，混合氣體的速度變化幅度明顯減小，在一定的區(qū)域內(nèi)速度分布均勻；有效改善SCR系統(tǒng)中混合氣體的流動(dòng)方向，減小回流區(qū)域。

3.3 催化劑相關(guān)模擬

催化劑作為SCR煙氣脫硝技術(shù)的核心工藝，是保證發(fā)電廠脫硝效率的關(guān)鍵所在，但是由于其工藝布置位置和煤質(zhì)的影響，容易造成催化劑中毒、磨損的問(wèn)題，造成催化劑活性下降。而數(shù)值模擬作為一種重要工具，對(duì)研究催化劑運(yùn)行有重要的意義。

徐秀林等[25]采用Ansys Workbench對(duì)催化劑端面和孔壁磨損進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分別討論了催化劑孔徑、布置間距及孔洞堵塞對(duì)催化劑運(yùn)行中磨損的影響，揭示了催化劑磨損的規(guī)律；安敬學(xué)[26]以國(guó)內(nèi)某600 MW超超臨界鍋爐脫硝系統(tǒng)催化劑為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬研究了飛灰顆粒場(chǎng)的不均勻分布對(duì)催化劑磨損的影響，同時(shí)提出了包括加裝導(dǎo)流撞擊裝置在內(nèi)的6種不同的改造方案，顯著提高了脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在催化劑種類方面，東南大學(xué)的劉濤[27]采用Fluent模擬軟件，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，模擬蜂窩式、板式及波紋式催化劑阻力特性，結(jié)果表明使用蜂窩式催化劑脫硝效果最好。Kenji Tanno[28]以蜂窩式催化劑為研究對(duì)象，采用直接數(shù)值模擬對(duì)3種不同的流入條件（1個(gè)層流和2個(gè)湍流）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示：以湍流方式進(jìn)入流動(dòng)區(qū)域時(shí)，脫硝效率明顯高于層流方式，且隨著流動(dòng)向下游移動(dòng)時(shí)，流動(dòng)方式由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?，所以在催化劑通道下游處脫硝效率降低?/p>

4 實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬耦合研究

作為處于負(fù)荷變化運(yùn)行中的SCR脫硝系統(tǒng)，單靠CFD數(shù)值模擬不能很好地滿足實(shí)際運(yùn)行和設(shè)計(jì)的需要，為了達(dá)到更好的數(shù)值模擬效果，需要將數(shù)值模擬和冷態(tài)物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，才能更好地優(yōu)化工程設(shè)計(jì)。

Hanqiang Liu[29]結(jié)合多孔介質(zhì)模型和組分輸運(yùn)方程，對(duì)1 000 MW發(fā)電廠的SCR系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同情況下的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，結(jié)果表明：安裝了角葉片葉柵和整流格柵，在反應(yīng)器內(nèi)催化劑入口處的煙氣速度不均勻性小于15%。在最佳流場(chǎng)的前提下，渦流混合器可以確保反應(yīng)器中氨和煙道氣的充分混合。通過(guò)冷態(tài)模型試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，有效指導(dǎo)SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Yanhong Gao[30]以600 MW發(fā)電廠的SCR系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)改變導(dǎo)板的位置和數(shù)量以及混合器的形狀進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：使用板式導(dǎo)板和盤式環(huán)形混合器，其流場(chǎng)均勻性效果更好。同時(shí)，隨著氨氮比的增加，NOX的轉(zhuǎn)化率從67%增加到96%，但隨著速度的增加從98%降低到82%。催化劑床入口處的速度分布和NH3泄漏的減小，可以滿足工程需求。上海海事大學(xué)徐圓圓等人[31]使用Fluent6.3軟件進(jìn)行了300 MW燃煤發(fā)電廠SCR脫硝系統(tǒng)3種不同導(dǎo)流板、整流格柵布置方式的模擬，得出改進(jìn)后的SCR脫硝系統(tǒng)布置方式，確保催化劑入口速度均勻分布，得出混合器厚度為350 mm，并通過(guò)1/12比例設(shè)計(jì)的冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果定性驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜述分析，認(rèn)為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是SCR數(shù)值模擬的基礎(chǔ)所在，根據(jù)催化劑的類型和發(fā)電廠實(shí)際運(yùn)行狀況選擇合適的機(jī)理進(jìn)行模擬是數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在。而在實(shí)際運(yùn)行中，SCR系統(tǒng)流場(chǎng)的模擬具有積極的意義，通過(guò)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)導(dǎo)流板、混合器等裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，可以優(yōu)化脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)設(shè)計(jì)。因此，在常規(guī)SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期以及運(yùn)行中，利用CFD軟件對(duì)脫硝反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)及脫硝效果進(jìn)行模擬分析是優(yōu)化工程設(shè)計(jì)越來(lái)越重要的技術(shù)手段之一。

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