SCR系統(tǒng)流場優(yōu)化改造研究

任百智，谷曉強(qiáng)，楊全福

（國能哈爾濱熱電有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 SCR系統(tǒng)概況

（1）原SCR系統(tǒng)基本概況。原脫硝系統(tǒng)經(jīng)超低排放改造后噴氨裝置技術(shù)為噴氨格柵，單側(cè)煙道設(shè)置14根內(nèi)徑為92mm的噴氨管，每個噴射管水平射向一個直徑1235mm，與水平夾角45°。根據(jù)原布置方案結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬出的噴氨點(diǎn)附近流場情況和原脫硝系統(tǒng)中的氨氮摩爾比分布，從圖中可以看出，大部分氨氣被煙氣帶到靠近煙道右側(cè)的位置，首層催化劑入口還原劑分布均勻不均勻。在SCR反應(yīng)區(qū)深度方向存在較大的氨氮摩爾比差異，這一差異必然導(dǎo)致脫硝效率降低和氨逃逸率增加。所以對流場進(jìn)行改造是本工程的核心問題。

（2）原SCR系統(tǒng)流場摸底測試概況。目前，1#鍋爐SCR系統(tǒng)存在流速分布不均和NOx濃度分布不均勻等現(xiàn)象：BMCR工況下，噴氨格柵前截面流速相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為25.1%和16%，三個負(fù)荷點(diǎn)SCR出口NOx濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在100%～170%，出口存在大量NOx濃度為零取樣點(diǎn)，說明煙氣流場不均明顯，為噴氨量調(diào)整帶來難度，對煙氣下游的空氣預(yù)熱器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來嚴(yán)重危害，需要進(jìn)行流場優(yōu)化改造。

2 流場優(yōu)化改造

SCR系統(tǒng)內(nèi)布有各種導(dǎo)流板、擾流板，以及起到支撐作用的內(nèi)撐桿和加固肋等，速度的均勻分布尤為重要，其不但影響著脫硝效率、氨逃逸率以及煙氣對催化劑的磨損情況，還影響著系統(tǒng)內(nèi)各種擋板上的積灰情況，若由于擋板布置不當(dāng)而產(chǎn)生回流區(qū)，該區(qū)域由于灰塵回旋產(chǎn)生積灰的可能性會增大。在SCR系統(tǒng)內(nèi)流場分布均勻，首層催化劑入口截面速度分布小于標(biāo)準(zhǔn)要求（＜15%）的前提下，為減少改造成本，盡量在原流場布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的改動，增加了部分擋板，替換了原來部分不合理的擋板，并且在擋板的迎風(fēng)面均敷設(shè)防磨陶瓷，延長使用壽命。

3 改造后效果

本文采用速度入口、壓力出口和壁面條件。速度入口邊界條件指定了進(jìn)入系統(tǒng)的煙氣和還原劑信息，其中煙氣根據(jù)設(shè)計煤質(zhì)特性（見表1）和BMCR負(fù)荷下SCR系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（見表2）計算所得，表3為本模擬所設(shè)省煤器出口煙氣成分，還原劑為NH3體積分?jǐn)?shù)3.05%的稀釋氣體。計算域出口邊界條件選擇pressure-outlet。

表1 設(shè)計煤煤質(zhì)特性/%

表2 BMCR負(fù)荷下SCR運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 省煤器出口煙氣成分/%

3.1 流場分布情況分析

圖1為改造后SCR系統(tǒng)流場分布。煙氣經(jīng)省煤器出口，過第一個90°轉(zhuǎn)角后，進(jìn)入豎直上升煙道，由圖1中（a）、（b）可知，煙道內(nèi)的速度介于10～15m/s，在壁面和導(dǎo)流板附近存在局部低速區(qū)，但不存在渦流區(qū)，表明導(dǎo)流板和整流格柵的布置位置、尺寸合理，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在擾流板背面存在局部回流區(qū)域，這有利于還原劑與煙氣的混合。由圖1中（c）、（d）可知，煙氣在經(jīng)過兩個90°轉(zhuǎn)角時，導(dǎo)流板和擾流板均發(fā)揮作用，未出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)角處內(nèi)外側(cè)速度不均現(xiàn)象。在反應(yīng)器本體內(nèi)，速度介于3.5～4.5m/s，速度分布均勻。

圖1 改造后SCR系統(tǒng)流場分布

圖1（e）為噴氨格柵前煙道斷面的煙氣速度分布，該截面煙氣速度平均值值為13.8m/s，煙氣速度分布相對均勻，表明導(dǎo)流板對煙氣的均流效果顯著。而第一層催化劑入口斷面的煙氣速度決定了催化劑的利用率，是影響SCR脫硝系統(tǒng)脫硝效率的重要因素，如圖1（f）所示，該截面的煙氣平均速度為4.09m/s，未出現(xiàn)明顯的高速或低速區(qū)域。

另外，煙氣經(jīng)過第二個90°轉(zhuǎn)角后，需要在進(jìn)入催化劑前盡量將煙氣流向調(diào)整為豎直向下，因?yàn)榇嬖谌肷淦堑臒煔鈿饬鲗Υ呋瘎┤肟诒砻婧秃蛢?nèi)壁的沖刷會降低催化劑的使用壽命。

圖2為改造前后首層催化劑入口截面流向偏角分布散點(diǎn)圖，由圖可知，改造后入射偏角明顯降低，且均勻性較好。改造前煙氣最大入射偏角約15°，平均入射偏角為10.2°。通過對流場中導(dǎo)流板的調(diào)整，首層催化劑入口截面煙氣入射偏角最大約為7.2°，小于10°，滿足技術(shù)要求指標(biāo)，平均入射偏角為5.71°。

圖2 改造前后首層催化劑入口截面流向偏角分布

3.2 流場相對偏差分析

圖3為改造前后SCR系統(tǒng)中速度相對偏差變化?？梢钥闯?，經(jīng)系統(tǒng)流場優(yōu)化改造后，沿程速度相對偏差水平有所降低。通過新增水平煙道至豎直煙道90°拐彎處的變徑擋板，分析截面1速度相對偏差由27.5%降至15.3%，說明增加變徑擋板是非常有必要的。改造前后，在經(jīng)過噴氨點(diǎn)，分析截面2速度相對偏差均有所上升，但此后改造前的速度相對偏差開始逐漸下降，而改造后需經(jīng)過擾流片，速度相對偏差略有上升，但值得注意的是，在分析截面5，即首層催化劑入口截面處，速度相對偏差由改造前21.4%降至7.2%，滿足設(shè)計要求。

圖3 改造前后SCR系統(tǒng)中速度相對偏差變化

4 結(jié)語

針對本次SCR系統(tǒng)流場改造后系統(tǒng)內(nèi)氣流分布特性，建立了三維CFD模型，獲得了BMCR負(fù)荷下系統(tǒng)內(nèi)流場分布，主要結(jié)論如下：（1）通過流場改造，增設(shè)部分導(dǎo)流板，替換或去除部分不合理的導(dǎo)流板，獲得了均勻的流場，實(shí)現(xiàn)了首層催化劑入口截面煙氣流速相對標(biāo)準(zhǔn)偏差7.2%（＜15%），滿足技術(shù)要求。（2）通過調(diào)整導(dǎo)流板位置、角度，實(shí)現(xiàn)了首層催化劑入口截面煙氣流向偏角最大值7.2°（＜10°），滿足技術(shù)要求。