流場(chǎng)模擬在脫硝系統(tǒng)超低排放中的應(yīng)用

韓娟娟，沈雷

（秦皇島市清青環(huán)保設(shè)備有限公司，河北 秦皇島 066000）

1 CFD簡(jiǎn)介

CFD（Computational Fluid Dynamics的簡(jiǎn)稱(chēng)，中文全稱(chēng)為：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理化學(xué)現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD的基本思想可歸納為：把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng), 如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng), 用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替, 通過(guò)一定的原則和方式建立關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組, 然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。

CFD軟件主要是指Fluent軟件。Fluent自1983年問(wèn)世以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、航海、石油化工、汽車(chē)、能源、計(jì)算機(jī)/電子、材料、冶金、生物、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域。本文主要從工程應(yīng)用的角度，介紹CFD技術(shù)在SCR脫硝流場(chǎng)優(yōu)化上的應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出建議。

2 CFD技術(shù)在SCR脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 優(yōu)化分析的目的

在SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用CFD軟件，能實(shí)現(xiàn)下述設(shè)計(jì)目的：1）研究煙氣流動(dòng)情況優(yōu)化煙氣流場(chǎng)，確定最佳設(shè)計(jì)外形、最佳內(nèi)容布置方式；2）確定噴氨格柵及混合裝置的形式、位置，保證氨的混合均勻性；3）檢驗(yàn)和預(yù)測(cè)系統(tǒng)壓力損失，保證壓降最小化；4）優(yōu)化煙氣溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布。

2.2 模擬范圍的選取原則

常規(guī)情況下，火電廠燃煤鍋爐的SCR脫硝裝置大多布置在省煤器與空預(yù)器之間，在這個(gè)位置布置居多的原因是：這段煙溫處于脫硝催化劑的活性溫度范圍。

在進(jìn)行CFD模擬的時(shí)候，所選型的模型范圍也是自省煤器出口至空預(yù)器進(jìn)口。省煤器出口作為模型入口邊界，空預(yù)器進(jìn)口作為模型出口邊界。

2.3 模擬分析的大致過(guò)程

選取模型后，通過(guò)三維建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置和計(jì)算模型選取，最后經(jīng)數(shù)值求解得到需要的可視化的圖像結(jié)果。大致過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)計(jì)算的過(guò)程

計(jì)算結(jié)束后可獲取整個(gè)計(jì)算模型內(nèi)部任何位置的煙氣流速、煙氣方向、氨氣濃度、溫度、壓力等數(shù)據(jù)。在所有的位置里，最關(guān)鍵的是催化劑表層，因?yàn)榇颂幍臒煔饬魉倬鶆蛐?、氨氣濃度均勻性?duì)脫硝效率、催化劑磨損、控制氨逃逸起決定性作用。SCR脫硝的化學(xué)原理見(jiàn)圖2。

圖2 SCR脫硝的化學(xué)原理

速度均勻意味著通過(guò)催化劑層每個(gè)孔道的煙氣流經(jīng)時(shí)間是一致的，不會(huì)出現(xiàn)個(gè)別孔道通過(guò)的時(shí)間較快未反應(yīng)完全且催化劑磨損嚴(yán)重的情況。濃度均勻意味著通過(guò)催化劑每個(gè)孔道的氨氮比是一致的，否則會(huì)出現(xiàn)氨氮比高的孔未反應(yīng)掉的氨氣逃逸，氨氮比低的孔NOx未被脫除完全。

2.4 SCR脫硝優(yōu)化的定量分析目標(biāo)

CFD研究最低規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)下表。其中，速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，對(duì)于超低排放來(lái)說(shuō)建議設(shè)定更低（〈10%）。如計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)不能滿(mǎn)足上述要求，可以通過(guò)調(diào)整煙道的布置方式及修改導(dǎo)流板整流格柵來(lái)對(duì)煙氣流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)流場(chǎng)的優(yōu)化主要是導(dǎo)流板、整流格柵這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其對(duì)于改造項(xiàng)目很多煙道的布置方式只能由現(xiàn)場(chǎng)情況決定。但是好的煙道外形設(shè)計(jì)是流場(chǎng)優(yōu)化的先天優(yōu)勢(shì)。

CFD研究最低規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)表

2.5 從流場(chǎng)優(yōu)化的角度，SCR煙道反應(yīng)器設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)

（1）避免噴氨格柵上游與傾斜的煙道出口過(guò)于臨近，過(guò)于臨近會(huì)造成噴氨格柵上游流速偏差過(guò)大，難以控制氨的混合均勻性。對(duì)于條件受限不得不采用這種設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，建議在煙道轉(zhuǎn)彎段的進(jìn)出口均布置導(dǎo)流板，降低煙氣流速的偏差，見(jiàn)圖3。

圖3 SCR脫硝工程（A）導(dǎo)流板布置圖

（2）避免豎直煙道與反應(yīng)器設(shè)計(jì)的距離過(guò)近。煙氣從豎直煙道到反應(yīng)器最好通過(guò)兩個(gè)90°彎頭過(guò)渡，煙道與反應(yīng)器過(guò)于靠近，就相當(dāng)于一個(gè)180°轉(zhuǎn)彎，流場(chǎng)難以均布；對(duì)于條件受限不得不采用這種設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，建議采用改變煙道上部走勢(shì)的特殊處理，見(jiàn)圖4。

（3）反應(yīng)器后側(cè)的頂板與整流格柵不要留有空間，以避免反應(yīng)器后側(cè)的煙氣流速過(guò)高，見(jiàn)圖5。對(duì)于此處已設(shè)計(jì)留有空間的項(xiàng)目，建議停爐改造期間檢查頂層催化劑磨損情況。如發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器后側(cè)的催化劑磨損嚴(yán)重，可通過(guò)在反應(yīng)器上部布置導(dǎo)流板對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖4 SCR脫硝工程（B）導(dǎo)流板布置圖

（4）催化劑備用層不要預(yù)留在最上層。因?yàn)檫@種布置方式，會(huì)導(dǎo)致上層支撐梁出現(xiàn)積灰問(wèn)題，大塊的積灰落下時(shí)，對(duì)下面的催化劑來(lái)說(shuō)是致命的。對(duì)于已采用催化劑預(yù)留在上層的項(xiàng)目，建議停爐檢修期檢查上層支撐梁兩側(cè)是否有積灰，檢查支撐梁下方的催化劑有無(wú)堵灰，強(qiáng)烈建議對(duì)預(yù)留層支撐梁的兩側(cè)進(jìn)行密封。

圖5 SCR脫硝工程（C）導(dǎo)流板及整流格柵布置圖

（5）模型盡量建立完全。反應(yīng)器出口之后的優(yōu)化雖對(duì)脫硝效率沒(méi)影響，但對(duì)下游的空預(yù)器會(huì)產(chǎn)生影響，空預(yù)器進(jìn)口的煙氣流速偏差過(guò)大，將對(duì)空預(yù)器的換熱效果造成影響。

3 結(jié)論

CFD模擬結(jié)果為脫硝流場(chǎng)設(shè)計(jì)提供了保證，但煙氣工況多變，建議在調(diào)試階段對(duì)所有的SCR項(xiàng)目都進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，這對(duì)于保證脫硝效率和控制氨逃逸有重要意義。從目前脫硝行業(yè)的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r看，將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)SCR脫硝仍將是燃煤鍋爐脫硝的主流技術(shù)。對(duì)于越來(lái)越嚴(yán)的排放標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)合理的流場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排仍將發(fā)揮著重要作用。