SCR脱硝系统不均匀喷氨方案的数值模拟研究

2014-02-09吴学智聂会建鞠付栋孙永斌

电力科技与环保 2014年5期

吴学智，聂会建，鞠付栋，孙永斌

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京 100120)

0 引言

选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)法是目前国内外应用最多的一种大型燃煤电厂烟气脱硝技术［1］。其中，良好的NH3/NOx混合和速度分布的均匀性是保证SCR脱硝效率、降低氨逃逸率、增加催化剂寿命的关键。通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法，采取导流装置等内构件保证烟气在反应器中流动和混合的均匀性，实现较高的脱硝效率，已成为SCR系统设计和优化的重要手段［2－6］。不设混合器的 SCR方案中，喷氨格栅(Ammonia Injection Grid，AIG)的设计格外重要。AIG的喷氨方式有均匀喷氨和分组调节的不均匀喷氨两种方案。在AIG不均匀喷氨方案中，AIG喷氨的调节量是CFD模拟的重要环节，也是难点之一［7，8］。本文将迭代法引入 AIG 喷氨调节量的数值计算中，对河北某电厂脱硝改造工程SCR系统进行模拟优化，以期对类似工程的脱硝改造设计提供参考。

1 研究对象

模拟对象为某600MW超临界一次中间再热燃煤锅炉的SCR烟气脱硝系统。SCR反应器布置在省煤器和空预器之间的高含尘区域。每台锅炉的SCR系统由两套对称的SCR脱硝反应器及相应的管路烟道系统构成，根据对称性条件，可对1台锅炉的1套SCR装置进行数值模拟。数值模拟的边界为省煤器入口到空预器入口。

数值模拟的目标［9］为:通过优化导流板、整流格栅等内构件的型式和AIG的喷氨量，使得第一层催化剂上方0.5m处截面:

(1)速度偏差系数不大于15%;

(2)NH3浓度偏差系数不大于5%;

(3)速度和铅垂线夹角平均值小于10°。

本文针对的是一600MW燃煤锅炉SCR脱硝改造工程。从省煤器出口至第一个膨胀节前不属于脱硝改造的设计范围，因此在此段烟道无法加导流板使得流场均匀;第一个膨胀节之后到AIG的安装位置之间，还存在一个突扩段;这两个因素使得AIG前烟道即使加上导流板，也难以使得AIG处速度的偏差系数小于15%，应用均匀喷氨方案无法达到模拟目标。而利用AIG分组调节、不均匀喷氨方案，则可以省去扰流圆柱等内构件，既可达到模拟目标同时又降低了SCR系统压降。

2 数理模型

2.1 CFD 模型

以烟气为流动介质，设流动为定常、不可压缩流动，以直角坐标系下的N－S方程为基本控制方程［10］，如下:

连续性方程:▽g(ρvr=Sm)

SCR系统边界条件的设置见表1。SCR反应器出口为压力边界条件。烟气的湍流模型采用标准k－ε双方程模型。

控制方程的离散采用控制容积法，压力－速度耦合采用SIMPLE算法，对流项差分格式采用二阶迎风格式。数值模拟采用Fluent软件。

表1 SCR 系统数值模拟边界条件

SCR系统模型网格除喷氨格栅附近用四面体网格外，其余区域皆为六面体结构化网格。其中，喷氨格栅区域处网格加密，有利于获得更准确的计算结果，网格总数在370万左右。

2.2 迭代法调节AIG喷氨量

第一步，利用导流板、整流格栅等内构件，使催化剂上方0.5m处速度偏差系数小于15%，实现SCR系统流动均匀性。导流板等内构件设置如图1所示。从省煤器出口沿着烟气方向设置了两组导流板、喷氨格栅、两组导流板和一组整流格栅。整流格栅下方SCR反应器，反应器内设3层催化剂。

图1 SCR系统内构件布置示意

第二步，对AIG喷氨量进行分组调节。本文将AIG的240个喷氨口分为30组，每组的8个喷氨口对应一个阀门对喷氨量进行定量调节。在导流板等内构件的作用下，流动已趋于均匀，因此，催化剂上方0.5m截面也可以均分为30个小截面(i＇)和30组喷氨组(i)相对应，如图2所示。

图2 喷氨口和催化剂上方0.5 m截面分组(俯视图)

迭代法进行喷氨量调节的流程如图3所示。

先根据总喷氨量和喷氨口个数计算出每个喷氨口的平均喷氨量v0，并赋给每个喷氨口作为初值，CFD数值计算后得出小截面i＇与催化剂上方0.5m截面的平均氨浓度的相对偏差λ1i，用相对偏差λ1i对i组的喷氨量进行修正(v1)，其他边界条件不变重新进行CFD计算，然后再次计算小截面i＇与催化剂上方0.5m截面的平均氨浓度的相对偏差λ2i，如此迭代计算，直到催化剂上方0.5m截面的氨浓度偏差系数小于5%为止。

图3 迭代法调节喷氨量流程

3 计算结果与分析

3.1 速度场优化

设置导流板和整流格栅后的SCR系统和不设内构件的空塔流场的对比如图4～6所示。其中，图4为SCR系统速度立面云图。可以看出，在不设导流板和整流格栅的情况下，空塔流场多处出现旋涡流动，流动很不均匀。而导流板等内构件的设置使得SCR系统流动均匀性大大改善。

图4 SCR系统速度立面云图

图5为空塔和设置内构件的SCR系统催化剂上方0.5m截面速度云图。图中可见，在不设导流板和整流格栅的情况下，第一层催化剂上方0.5m平面的速度分布存在很大的不均匀性，速度偏差系数为22.2%，不符合SCR脱硝系统对于流场速度均匀性的要求。

图6为空塔和设置内构件的SCR系统催化剂上方0.5m截面速度和铅垂线夹角云图。图中可见，设置导流板等内构件后，催化剂上方0.5m截面的速度和铅垂线夹角平均值小于10°，满足SCR系统的要求。故导流板和整流格栅的设置是必要的。

图5 催化剂上方0.5m截面速度云图

图6 催化剂上方0.5m截面速度和铅垂线夹角云图

3.2 不均匀喷氨方案浓度场优化

图7为空塔和设置内构件的SCR系统AIG截面速度分布云图。可以看出，由于省煤器出口的渐缩烟道和上升烟道之前突扩段的存在，尽管设置了导流板使得流场均匀性改善，但AIG截面的速度偏差系数仍然大于20%。应采用不均匀喷氨方案。

图7 AIG截面速度云图

首先计算均匀喷氨方案下的催化剂上方0.5m处30个小截面的氨浓度，然后按照图3所示的流程依次迭代。催化剂上方0.5m截面氨浓度偏差系数的迭代计算结果如图8所示。

图8 迭代法计算催化剂上方0.5m截面氨浓度偏差系数

从图8中可见，在迭代2次之后，催化剂上方0.5 m截面氨浓度的偏差系数即小于5%，满足SCR系统对于氨浓度分布的要求。而且随着迭代次数的增加，氨浓度的偏差系数越来越小，最后可将催化剂上方0.5m截面氨浓度的偏差系数降低至3.7%左右。在迭代次数大于4之后，氨浓度偏差系数的降低幅度也随着迭代次数增加而显著减小。因此，一般迭代次数为3～4次即可。

通过计算催化剂上方0.5 m各小截面氨浓度和整个截面平均氨浓度的偏差，对相应AIG各喷氨组的喷氨量进行类似于负反馈的补偿作用，逐渐使得催化剂上方氨速度趋于均匀。同时，由于喷氨口喷出的氨气/空气混合气的量和烟气量相比很小，调节喷氨量后，催化剂上方的速度分布和均匀喷氨方案下的速度分布基本上没有差别，仍然满足SCR系统对于速度均匀性的要求。

如果要使用均匀喷氨方案，则不得不在AIG前设置更多的导流板或者扰流圆柱，使AIG截面速度偏差系数降至15%以下。对于河北某电厂脱硝改造工程而言，由于改造设计范围的限制，AIG上游烟道已经没有太多空间加装导流板;而如果加装扰流圆柱，会增加40～50Pa的压降，同时增加了系统的复杂性和工程造价。

在迭代5次后，催化剂上方0.5m截面速度和氨浓度分布均匀性指标如表2所示。可见，通过内构件的合理设置和迭代法确定AIG不均匀喷氨量，催化剂上方0.5m截面速度和氨浓度均匀性指标达到了数值模拟的优化目标(见第1节)。