CFD技术在SCR脱硝系统中的应用

张文志，曾毅夫

（凯天环保科技股份有限公司工业生产环境技术湖南省重点实验室，长沙 410100）

CFD技术在SCR脱硝系统中的应用

张文志，曾毅夫

（凯天环保科技股份有限公司工业生产环境技术湖南省重点实验室，长沙 410100）

SCR脱硝技术是当前大型燃煤电厂烟气脱硝的主导技术。针对某2×300MW电厂脱硝系统，应用CFD仿真分析方法对不同导流板结构进行了优化，得到了最优导流板结构；分析了不同喷氨速度、整流格栅结构以及静态混合器结构对整个系统流场及浓度场的影响，说明了CFD模拟结果能有效地指导脱硝系统设计。

SCR脱硝系统；CFD；优化

1 前言

选择性催化还原法（SCR）是当前大型燃煤电厂烟气脱硝的主导技术，因其具有脱硝效率高、技术成熟、工作可靠、氨逃逸率低等特点而受到业内同行的认可。随着氮氧化物排放污染的日趋严重，国家在“十二五”期间加大了对氮氧化物排放的控制力度，各大电厂、玻璃厂等都纷纷安装了脱硝设备，脱硝市场不容忽视。

氨气在催化剂前的混合均匀性程度直接影响着催化剂的寿命以及其在催化剂层反应情况的好坏，是考察SCR反应器设计的重要因素[1]，合理的布置静态混合器、导流装置以及整流格栅对脱硝效率有着重要的影响。目前，对于这方面的研究，主要还是基于CFD仿真技术，其以

节约成本和缩短项目周期而得到广泛使用[2-5]。本文从不同导流板结构、静态混合器结构、整流格栅位置以及喷氨速度几个方面对流场、浓度场进行了分析研究，结果表明了CFD技术在SCR烟气脱硝烟道设计中的重要作用。

2 CFD模拟计算条件

2.1 烟气条件

本文为某台300MW机组的SCR脱硝项目，主要参数计算见表1。

2.2 计算模型

本文的SCR脱硝系统主体大小为30×10×33（m）结构，喷氨方式采用喷氨格栅方式，反应器进口设置整流格栅，催化剂采用蜂窝催化剂。整个分析对象包括从反应器进口到空预器进口的整个烟道部分，具体模型如图1所示。

表1 烟气模拟参数

图1 SCR脱硝系统示意

2.3 基本原理和假设

基于CFD理论[5]，求解连续性方程、动量方程、组分扩散方程以及湍流方程。采用速度入口，自由流出口边界条件，壁面采用无滑移壁面边界条件，对于催化剂层的模拟采用多孔介质模型。对本模型进行如下基本假设：

（1）在入口处为均一的气体速度和浓度；（2）出口处气体的速度和浓度充分发展；（3）忽略化学反应对流场的影响；

（4）系统运行稳定条件下，可认为其为稳态。

3 结果与讨论

对SCR脱硝系统烟道内不同影响因素对流场以及氨气浓度分布的影响进行研究，主要包括不同导流板结构、不同喷氨速度以及不同整流格栅结构和静态混合器结构对催化剂上游速度分布、氨浓度分布以及速度偏差影响的数值模拟。

3.1 导流板的影响

不同结构导流板下SCR脱硝系统烟道性能参数对比情况见表2。

从表2可看出：AIG上游速度分布标准偏差比较稳定，维持在6%～7%之间，说明AIG上游导流板设计较为合理。而对于催化剂上游浓度分布情况，标准偏差也主要集中在5%～6%之间，说明导流板结构对其影响不大，这是因为氨浓度的分布均匀性主要取决于喷氨下游的扰动情况和混合距离长度的大小，对于现有的结构来说，混合距离是一定的，下游静态混合器的结构也是一定的，这说明主要决定氨浓度分布的因素在导流板的设计过程中是一定的，导流板对的扰动相对较小，所以氨浓度分布的变化不会很大。但对于催化剂上游速度和角度偏差，导流板的影响是很大的，这也是设计导流板的目的。从表2中可明显看出，只有CASE2、CASE4、CASE8速度标准偏差满足设计要求，同时考虑催化剂上游角度偏差，CASE8是优选方案。最终优化CASE8如图2～图8所示，在整个烟道内部，已经不存在大的漩涡。烟道进出口压降332.655Pa，催化剂层压降维持在235.94Pa，可满足性能指标要求。

图2 导流板最终优化方案

图3 压力分布（Pa）

图4 速度分布图

图5 速度矢量图

图6 催化剂上游速度分布（m/s）

图7 催化剂上游氨浓度分布（kmol/m3）

图8 催化剂上游角度偏差 (°)

3.2 整流格栅的影响

不同整流器结构图如图9；三种不同整流器结构或布置的结果对比见表3。

图9 不同整流器结构图

从表3中可以看出，整流格栅高度越高其整流效果越好，但所需的钢材也越多；整流格栅距离催化剂越近，催化剂上游的速度和角度偏差越差，这是由于整流后的气体处于未充分发展或稳定阶段，距离催化剂层越远，气体发展的越充分，分布也越均匀。

3.3 喷氨速度的影响

不同喷氨速度对结果的影响见表4。

由表4可知，喷氨速度对催化剂上游速度分布及角度偏差影响较小，但是对于氨浓度分布有较大影响，CASE15就是通过调整每根管子的流量来匹配烟气中NOx含量的一种方法，这也是线性控制式喷射格栅的调节方法，最终使其满足设计要求。

3.4 静态混合器的影响

不同静态混合器结构对催化剂上游速度及浓度分布影响的分析结果见表5。不同结构静态混合器平面图如图10。

图10 不同结构静态混合器平面图

结合图10的静态混合器结构和表5的数据，从CASE16～CASE18可以看出，静态混合器距离喷氨口越近，虽然对氨浓度分布有一定改善，但催化剂上游速度分布和角度偏差都变得很差，这是由于静态混合器的位置在对氨浓度分布影响较大的同时，对于原有流场的影响也不小。因此要合理安放静态混合器，使其既满足氨浓度分布要求，也符合速度分布及角度分布要求。对于喷氨格栅来说，结合CASE16、CASE17、CASE19和CASE20可以看出，圆管型静态混合器要好于现有弧形板混合器，同时，当前设计的弧形板混合器不仅没起到加强氨混合的作用，反而使其混合效果变差。

4 结论

应用CFD仿真技术对SCR脱硝系统内不同导流板、静态混合器、整流器结构以及喷氨速度大小进行了对比分析，得到如下结论：

（1）通过CFD仿真技术，可以很清晰地了解到不同导流板结构下，SCR脱硝系统烟道内的流场、浓度场变化情况，为设计合理的导流装置提供了有效依据；

（2）整流格栅结构越高，整流效果越明显，但消耗的钢材也越多；合理的整流格栅位置有利于催化剂上游气流的均匀性分布；

（3）静态混合器的结构要根据具体的烟道结构来设

计，在加强氨气与烟气混合的同时，需要考虑其对烟气流场的影响，以此来最终确定合理的静态混合器结构；

（4）分区或者分块来喷射不同速度的氨气，有利于催化剂上游氨浓度的分布，但对烟道流场的影响相对较小。

表2 不同导流板对比

表3 整流格栅优化分析

表4 喷氨速度优化分析

表5 静态混合器优化分析

[1]董建勋，李辰飞，王松岭，等.还原剂分布不均对SCR脱硝性能影响的模拟分析[J].电站系统工程，2007，23（1）：21-24.

[2]ADAMS B，CREMER M，VALENTINE J，et al. Use of CFD modeling for design of NOx reduction systems in utility boilers[J].Proceedings of IJPGC02.Phoenix∶ ASME Digital Library，2002∶695-702.

[3]毛剑宏，宋浩，吴卫红，等.电站锅炉SCR脱硝系统导流板的设计与优化[J].浙江大学学报（工学版），2011，45（6）：1124-1129.

[4]WANG Zhihua，ZHOU Junhu，ZHANG Yanwei，et al. Experiment and mechanism investigation on advanced reburning for NOx reduction：influence of CO and temperature. Journal of Zhejiang University（Science），2005，6B（3）：187-194.

[5]郭婷婷，刘汉强，杨勇平.基于数值模拟的1000MW燃煤机组SCR脱硝系统设计[J].电站系统工程，2010，26（5）：61-64.

[6]王福军.CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：7-10.

Application of CFD Technology in SCR Denitration System

ZHANG Wen-zhi, ZENG Yi-fu

X701

A

1006-5377（2015）12-0057-04