烟气脱硝装置喷氨流场模拟分析

温润娟，井云环

（国家能源集团宁夏煤业公司煤炭工业技术研究院，宁夏银川 750411）

动力站均设有脱硝单元，用于处理烟气中的NOx。目前煤基烯烃装置动力站脱硝单元采用选择性催化还原（SCR）工艺。SCR烟气脱硝系统高效运行的关键因素之一是要确保反应器中烟气和喷入的还原剂（氨气）混合均匀[1]。氨在第一层催化剂床层前的浓度均匀分布将直接影响脱硝效率。

工程上实现烟气和还原剂的混合方式是：还原剂（氨）由喷氨格栅喷入反应器烟道内，流经装有导流板、整流装置的烟道，使得氨和烟气达到最佳混合。若烟气流场分布不均匀或喷氨格栅、导流板、整流装置布置不合理，结构不佳均会在一定程度上影响流体混合均匀性，从而降低催化剂利用率，产生较高的氨逃逸率[2]。氨逃逸也是行业里普遍存在且不可回避的难题。结合现场实际，重点排查氨逃逸的原因，结合具体问题，重点考察喷氨系统喷氨流量以及烟气上升过程的流场分布问题，从减小流体流动阻力和提高烟气、氨气混合均匀性两方面进行优化，为装置优化SCR脱硝反应器流场分布提供理论依据。

1 氨逃逸原因

1.1 喷氨系统自动调节性能不佳

装置处理负荷波动时，喷氨系统喷氨量不能及时调整以适应相对的负荷和脱硝入口NOx的变化，导致脱硝出口NOx波动大，瞬时喷氨量相对过大，引起氨逃逸。原始设计上烟气入口NOx为370mg/m3，在实际工况里，仪表监测烟气中NOx稳定在300mg/m3，在其他条件完好的情况下，烟气中NOx含量的瞬时波动可能引起短期氨逃逸。

1.2 烟气NOx与喷氨量不匹配

脱硝入口NOx分布不均匀，同时喷氨系统的18个母管的阀组锈死无法动作，导致喷氨格栅各喷口流量无法及时调整，还存在各喷口流量差异，这直接影响还原剂在烟气流场分布的均匀性，从而导致局部氨逃逸高。

1.3 烟气流场的不均匀，导致喷氨量与烟气量不匹配

烟气流速在烟道的横截面各个位置不能均匀分布，尤其在烟道发生转向后，各个部位流速不一致，可能导致局部氨逃逸。

SCR烟气脱硝系统高效运行的关键因素是确保反应器中烟气和喷入的还原剂（氨气）混合均匀，氨与烟气在第一层催化剂床层前的浓度均匀分布直接影响脱硝效率。工程上实现混合方式是：氨由喷氨格栅喷入反应器烟道内，流经装有导流板、整流装置的烟道，使得氨和烟气达到最佳混合。若烟气流场分布不均匀或喷氨格栅、导流板、整流装置布置不合理，结构不佳均会影响流体混合均匀性，从而降低催化剂利用率，产生较高的氨逃逸率。这也是行业里普遍存在且不可回避的难题。

根据现场分析，针对供氨母管的喷氨阀组不能动作，可能引起喷氨格栅各喷口流速不均匀，致使烟气和氨气在烟道内的流场分布不均从而引起氨逃逸，开展喷氨系统单模块流场模拟，从减小流体流动阻力和提高烟气、氨气混匀性方面进行优化，进而确定合理的喷氨策略，为装置优化SCR脱硝反应器流场分布提供理论依据。

2 氨喷管流场分布模拟

优化SCR系统设计与运行的关键在于保证SCR反应器中催化剂入口的烟气流速的均布，以保证较高的脱硝效率并有效地避免氨逃逸。由于SCR系统复杂，流场存在诸多流向改变、流通截面变化，布置导流部件、整流部件、催化剂床层等，流场各处均匀性差别很大，难以考察整个流场的均匀性，结合装置现场实际问题，选取喷氨格栅上方截面（Y=4.0m）第一层催化剂入口截面。

2.1 几何模型的建立

建立模型如图1所示。

图1 喷氨格栅上方截面（Y=4.0m）至第一层催化剂入口截面网格划分示意图

2.2 边界条件

模拟边界条件如表1所示。

表1 模拟边界条件的选取

根据现场采集数据，核算喷氨速度：5.5m/s。根据烟气流量与烟道尺寸核算烟气的速度为2.62m/s。

2.3 数学模型的选择

计算模型选择标准k-ε模型[3]。烟气入口为速度入口边界条件，烟气出口为压力出口边界条件，烟道壁面为无滑移、无热传导的壁面条件。最后输出Mesh文件导入FLUENT求解。

2.4 模拟结果及分析

（1）六喷口截面、计算域喷氨格栅上方截面（Y=4.0m）见图2。

图2 竖直烟道的喷氨流场模拟

在没有引入烟气的情况下，烟道上升阶段各喷口不同流速相互影响，致使流场分布极其紊乱。右图为引入烟气，在烟道上升阶段，各个喷氨口不同的流速，在烟气的影响下，未出现涡流的紊乱现象，流场基本沿喷射方向分布。在系统设计中，烟气流量为472 926m3/h，氨气和空气流量2 400m3/h，流量相差较大，在整个喷氨格栅里分布200多个喷氨口，设计喷氨的流速是烟气流速的2倍左右，由于流量的悬殊，喷氨流场分布的不均性不足以影响烟道内整个流场分布。这在单喷管流场模拟中也得以确定。但各喷口速度差异会影响氨气与烟气混合均匀度，会导致局部供氨高，造成氨逃逸。烟道内流向的改变（如烟道的转弯），流通截面的变化（如反应器入口的斜面），必然会引起流场的分离，一方面会导致冲刷腐蚀、烟尘沉积，另一方面流场分离还会影响喷氨格栅上游截面烟气流速分布。

（2）六喷口截面、计算域喷氨格栅上方截面（Y=4.0m）至第一层催化剂入口截面。针对现场供氨母管上的喷氨阀组不能动作，无法确定喷氨口流速。开展喷氨流量的变化对烟气流场分布的影响。在模拟计算中，选取喷氨格栅上方截面（Y=4.0m）第一层催化剂入口截面，计算各喷口不同流速对流场的影响（图3）。

图3 烟道转向变化的流场模拟

在烟气上升段，烟气流场分布较好，烟气流向发生90°转弯时，靠右出现了速度空场区。因为流体在流向变化过程中被压向外侧，导致转弯外侧流体压力升高。与此相应的弯道内侧流体压力出现先降后升，速度先快后慢的现象。

流体流向的转变使流体在惯性和离心力的作用下甩向外侧，烟道的突然转向迫使气流发生转向，而烟道内侧气流行程转向曲率半径较小，受扰动较大，就会迫使气流沿着烟道壁面逆向流动，从而形成涡流。烟道外侧气流行程转向的曲率半径较大，受扰动较小，气流压力损失小，同时又受到内侧气流挤压，所以流速增大。因此烟气甩向反应器左侧，右侧烟气量少，就表现出如图所示，流速左高右低现象。

（3）六喷口截面、计算域喷氨格栅上方截面（Y=4.0m）至第一层催化剂入口截面。六喷口截面，布置导流板。

分析图4，在烟道转弯处增设导流板，流场分布相对较好。分析装置现场的弧形导流板模拟情况，烟气经过导流板的布置后，在90°转向结束后，烟气仍存在被压向外侧的趋势。适当地对导流板进行技改，将弧形导流板优化为直弧形导流板，两块导流板水平延长段不同，模拟结果显示，流场分布明显好于弧形导流板。优化后的导流板水平段直板可以保持导流效果作用，直板长度满足保持导流作用即可。

图4 烟道转弯处布置不同形式的导流板模拟结果

3 建议措施

1）针对装置供氨母管上的喷氨阀组不能动作，影响各喷氨口的喷氨量的均匀性和稳定性，建议现场对该阀组进行检维修或更换。

2）根据CFD的模拟，烟道转弯处的直弧形导流板导流效果优于弧形导流板，建议装置现场烟道转弯处的弧形导流板优化为直弧形的导流板。