电站锅炉SCR烟气脱硝系统优化数值模拟

时间：2024-07-28

杨竞

（中国计量学院浙江杭州310000）

电站锅炉SCR烟气脱硝系统优化数值模拟

杨竞

（中国计量学院浙江杭州310000）

本文以某电厂300MW锅炉的选择性催化还原（SCR）反应系统为研究对象，利用计算流体力学软件对不同机构下SCR反应器的脱硝性能进行了数值模拟，并对数据模拟结果进行了分析。

烟气脱硝；导流板；数值模拟

我国能源结构呈现出“富煤、缺油、少气”的特征，因此在未来一段时期内，我国内动力能源消耗都仍然以煤炭为主。煤炭燃烧中会产生NOx、NOx以及烟尘等污染物，这些污染物会给环境带来极大的负面影响，同时随着低碳经济、绿色经济等发展理念得到人们广泛认同，对NOX排放的控制工作已经成为了社会发展的重要问题。目前，在国际中应用最为广泛的烟气脱硝技术主要为SCR脱硝法，这一技术具有显著的应用优点：（1）由于SCR脱硝法在实际操作过程中应用了催化剂，因此其对反应温度的要求则相对较低；（2）SCR脱硝法在所有烟气净化技术中能够获得较高的净化率，通常能够达到90%以上，这是SCR脱硝法得到国际上广泛认同的一个重要原因[1]；（3）具有较高的运行稳定性，SCR脱硝法的工艺设备使用较为紧凑，且具有较高的运行稳定性与安全性；（4）经过SCR脱硝法技术处理后的氮气能够直接释放到大气环境中，且不会对环境造成二次污染。虽然SCR脱硝法在实际应用中具有较多优点，但其在污染物排放方面仍然存在一定的不足，需要对其展开进一步的研究[2]。

国内学者在研究脱硝系统硫场分布情况、烟气与氨混合均匀程度对催化剂的寿命影响、混合烟气在催化剂作用下的反应情况时，多采用数值模拟的研究方法进行研究，毛剑宏等利用数值模拟以及冷态试验对脱硫系统硫场进行了进一步优化；凌忠钱等雪珍针对300MW锅炉SCR系统导流板进行了多册的优化，最终得到了能够符合设计需求的具体方案；杨超等学者则对涡流混合器进行了深入的探究，并对其烟道设置的优化进行了数值模拟，从而得到而来涡流混合器烟道设置的最佳方案[3]。本文也以某电厂300MW燃煤锅炉的SCR反应系统为研究对象，展开了对系统优化的数值模拟工作，希望能够通过本文的研究，得到该电厂300MW燃煤锅炉SCR脱硝系统的最佳设置。

1 计算模型与数值模拟方案

1.1 计算模型

某电厂300MW燃煤锅炉的SCR烟道设计要求达到：喷氨格栅上游烟气速度偏差≤15%，烟气进入SCR反应器的流速偏差< 15%，入口烟气流向偏差≤±10°；氨氮比相对标准偏差≤5%，入口温度分布偏差≤±10K，3层催化剂全部安装后装置的总压降不超过1000Pa。

1.2 数值模拟方案

在数值模拟方案过程中，由于SCR反应器的烟道存在多个面积较大的扩口段，因此为了更好的确定不同扩口段对系统脱硫率的影响，需要进行多次建模处理，从而根据结果获得最佳的导流板布置方案。

2 数值模拟与结果分析

2.1 无导流板时SCR反应器的数值模拟

计算结果表明，第一层催化剂入口处的速度偏差系数为31.9%，氨氮比分布偏差达到11.0%，速度和NH3体积分数分布存在严重不均问题，这些问题直接导致SCR反应器的脱硝效率无法达到预期，仅为72.5%，氨逃逸率也较高，达到了2.4×10-5，无法满足设计需求。

2.2 初始方案SCR反应器的数值模拟

2.2.1 初始方案一

初始方案是在电站锅炉SCR脱硝系统的烟道入口、流动调整气之间以及烟气流速变化较大的增加了导流板，从而希望能够达到对SCR脱硝系统的优化目的。但初始方案并没有获得预期的优化效果。

2.2.2 初始方案二

为了解决烟道内气流的偏斜问题，初始方案二在方案一的基础上将导流板2的长度进行了加长，并优化设计了导流板2的出口间隙，经实验操作发现，这种方案仍然无法解决烟道内的流速分布不均问题，且仍然存在气流倾斜问题。

2.2.3 初始方案三

初始方案三是在方案二的基础上，在导流板3之前增加了一段直板引导段，其目的是为了更好的优化在上升烟道内部的烟气流速分布情况。经过实践操作，发现初始方案3能够显著改善上升烟道内的烟气流速分布情况，且其NH3体积分数的偏差也有了较大的降低，但其也存在一定的不足：第一层催化剂入口处的氨氮分布偏差仍然无法降低到所要求的数值之下。

2.3 最终方案SCR反应器的数值模拟

在之前模拟的三种初始方案的基础上，最终方案采取了在SCR脱硝系统导流板2出的扩口段后方、导流板3的前方再加入一块导流板。经过实践操作，最终方案能够有效消除前述三种方案存在的速度分布不均匀等情况，使得烟道内流场得到更好的优化，并使得NH3体积分数分布数值也更加合理，该方案的相关实验参数都符合设计要求，这表明最终方案已经实现了对电场SCR脱硝系统的最佳优化。