热电厂SCR系统反应器流场均匀性数值模拟研究

曹玮

（烟台龙源电力技术股份有限公司上海分公司，上海 200241）

热电厂SCR系统反应器流场均匀性数值模拟研究

曹玮

（烟台龙源电力技术股份有限公司上海分公司，上海 200241）

以某热电厂机组选择性催化还原（SCR）法反应器为对象，采用计算流体力学软件对其整体布置结构烟气流场进行数值模拟分析。自行设计了系统导流装置，并分析了系统在锅炉最大连续蒸发量工况下烟气成分速度场、氨气质量分数分布和烟气压力降情况，评估了该反应器结构布置的特性。研究结果可为SCR中使用的反应器导流装置和喷氨格栅的设计和改进提供参考。

选择性催化还原法；反应器；流场均匀性；导流板；数值模拟

0 引言

在氨氮配比合理、反应温度适宜的基础上，反应器流场流动均匀性和阻力特性是影响脱硝反应能否顺利进行的重要技术指标。不合理的流场会使脱硝率下降和催化层寿命降低，大大提高设备的运行成本；同时，较高的阻力也带来引风机运行不稳定和空气预热器漏风率增加等问题［2-3］。

为了获得良好的流场和阻力特性，在脱硝系统反应器的设计中一般采用加装导流板和整流器的方法来达到预期目的。合理的导流板和整流器布置，能够使混合烟气均匀、稳定地通过烟道，进入催化剂层进行还原反应。

在脱硝系统反应器导流装置的设计中，与传统的试验方法相比，采用数值模拟方法能够得到烟气流动区域整体流场特性，大大提高设计工作效率并节约设计成本。而且，随着计算流体力学（CFD）技术的不断进步，数值模拟结果与实际越来越接近，完全能够满足工业设计的需求。

本文采用CFD技术对某热电厂机组的SCR脱硝装置进行数值模拟，比较了未设置导流板和设置导流板两种反应器结构的流场均匀性，着重对设置导流板的反应器结构的流场、氨气质量分数分布以及流动阻力进行分析。

1 SCR脱硝装置系统结构模型

以某热电厂烟气SCR脱硝装置为研究对象，给定入口烟气量为89 000m3／h，在反应器中设置2层催化剂，反应器结构如图1所示。

图1 脱硝反应器结构示意

数值模拟研究对象是从省煤器出口至空气预热器入口烟道系统，包含入口烟道、氨喷射装置、烟道折弯处导流板、脱硝反应器及出口导流板等。

2 数学模型

考虑物理模型的实际情况，使用标准的k-ε方程湍流模型（k为湍流动能；ε为湍流耗散率）模拟烟气和氨气的湍流流动。控制微分方程的离散化采用了有限差分法中的控制容积法，针对对流项的离散，采用了上风差分格式，流场的计算采用典型的SIMPLEC算法。催化剂层流动采用多孔介质模型模拟［4］。

2.1.2 30 g/L甲基二磺隆施药后对小麦安全性评价施药后观察各处理的小麦叶色、株高与空白对照一样，未发现畸形、黄化、死苗等药害症状。收获时测产，各药剂处理下小麦产量分别为7 197.3，7 206.8，7 323.4，7 408.1 kg/hm2，各处理与空白对照相比，存在显著性差异，增产率分别是6.4%，6.5%，8.2%，9.5%（表4）。

流动的计算采用标准的k-ε方程模型

式中：Gk为速度梯度产生的湍动能；Gb为浮力产生的湍动能；YM为压缩作用的修正项；ui为速度脉冲值；x，y为位移坐标；xi，xj为笛卡尔坐标；t为时间；Prk，Prε分别为k和ε的普朗特数；C1ε，C2ε，C3ε为常量；μ为黏度；μt为湍流黏度；ρ为烟气密度。

μt由下式计算

式中：Cμ为常量，一般取0.09。

催化剂部分的流动计算采用多孔介质模型。计算时主要考虑其阻力系数，阻力系数C2t计算公式为

式中：vt为烟气流速；Δp为通过该催化剂的压降。同时，催化剂内部流动采用层流模型计算［5］。

3 边界条件

SCR反应器烟道入口和喷氨格栅（AIG）入口设置为均匀速度入口边界条件。根据热电厂运行数据计算得到锅炉最大连续蒸发量（BMCR）工况下烟气入射速度为2.9m／s。系统设计脱硝率为90%，要求喷入氨氮比为1∶1，由氨气量计算得到AIG喷管入口速度为48m／s（其中k和ε的来流边界值根据来流速度和入口尺寸按经验公式给出）。烟道出口为OUTFLOW边界条件，固体壁面和导流板设为WALL。各组分质量分数见表1。

表1 各组分质量分数 %

根据SCR反应器的外形特点和烟气的组分特性，在数值模拟模型设置时做如下假设：（1）流动为定常流动，不考虑非稳态过程；（2）不考虑烟气中灰分对流动的影响；（3）假设整个系统绝热且无漏风；（4）不考虑烟道及导流板厚度对流场的影响。

4 计算结果和分析

4.1 导流板对SCR反应器烟气速度场的影响

图2为BMCR工况下，SCR系统两种结构的反应器中心截面处混合烟气速度场云图。由图2可以看出，设置导流板对混合烟气的速度场有很大的作用，尤其是在烟气大角度折流处（如反应器塔顶转向室），此处烟气将经过近180°的折流：在未设置导流板的情况下，拐角后同一横截面的烟气流速出现较大偏差，导致烟气在进入催化剂层之前的速度极不均匀，影响催化剂层的反应效率和使用寿命；相反，此处在设置导流板后，混合烟气的流场均匀性得到了很大的改善。由图2b可看出，在混合烟气进入反应器后，以较高流速通过垂直向上的烟道，经过转向室后，由于导流板设计和整流器布置合理，使得烟气在转向室后的流场分布均匀，无涡流和旋流现象发生，且烟气流速与竖直方向夹角小于9°，完全能够满足催化器对烟气流速的技术要求［6］。

图2 反应器中心截面混合烟气速度云图

图3为SCR反应器催化剂层上游0.5m处截面混合烟气的速度等势图。由图3可以看出：未设置导流板时，在进入催化剂层之前，靠近转向室内侧壁面处有明显的速度低区（平均速度约为1.0m／s），大大低于截面平均速度2.5m／s；而设置导流板后，此处截面速度较为均匀，其速度偏差约为9.3%且无速度低区存在，满足催化剂层对速度均匀性的要求。

4.2 SCR反应器氨气质量分数分布

图3 第1层催化剂上游0.5m处速度等势分布图

合理的喷氨格栅布置，能使喷入的氨水均匀分散在烟气中，分布均匀的氨／氮氧化物混合烟气能在催化剂层作用下高效发生反应生成氮气，达到脱除氮氧化物的目的［7-8］。图4显示了BMCR工况下，SCR系统反应器中心截面氨气的质量分数分布情况。

图4 反应器中心截面NH3质量分数分布图

由图4可以看出：该喷氨格栅的布置设计较为合理，能够使得氨气在混合烟气的紊流以及整流器的整流作用下，较为均匀地分布在混合烟气中；在整流器之后的反应区中，基本无明显的氨气组分质量分数低区。

图5为BMCR工况下第1层催化剂上游0.5m处横截面NH3质量分数分布，由图5可以看出：该结构反应器能够保证氨氮混合烟气在进入催化剂层之前充分、均匀地混合。在实际工程应用中，经过第1层催化剂层的整流，混合烟气的流场和浓度场将更为均匀，以便进入后排催化剂层进行高效反应。

4.3 SCR反应器整体压力降

图6为SCR反应器混合烟气通流过程中压力降图，由图6可以看出：在BMCR工况下，在整个流动过程中，混合烟气的主要压力损失在催化剂层中，反应器烟气整体压力降约为625 Pa，其中单层催化剂层的压力损失约为200 Pa；该反应器结构设计较为合理，在满足流场和浓度场均匀性的条件下，压力损失仍然满足要求。

图5 第1层催化剂上游0.5m处NH3质量分数分布图

图6 BMCR工况下SCR反应器混合烟气压力降

5 结论

（1）SCR系统反应器由于布置结构的不同，内部的流场分布可能并不符合其工作要求，此时需要设置合理的导流装置改善其内部流动，本文提出的系统导流方案能较好地改善系统的流场分布，使其满足设计要求。

（2）SCR反应器在运行中，要求通过的烟气与还原剂（NH3）充分、均匀混合，喷氨格栅结构以及布置位置应设计合理，否则氨水不能均匀分布在混合烟气中，仍然不能高效脱除氮氧化物。

（3）合理的导流结构设计能够使SCR反应器的烟气流动速度场和氨气浓度场均匀，且让烟气以尽量低的压力损失通过SCR反应器。

［1］张强，许世森，王志强.选择性催化还原烟气脱硝技术进展及工程应用［J］.热力发电，2004（4）：1-6.

［2］徐芙蓉，平恒，姜柏卿，等.三河电厂二期工程SCR脱硝装置流场的模型试验和数值分析［J］.热力发电，2007（11）：28-32.

［3］Rogers K J，Nolan P S.SCR reactor performance profiling and results analysis［C］／／The US EPA／DOE／EPRICombined Power Plant Air Pollutant Control Symposium.Chicago：The Babcock＆Wilcox Company，2001.

［4］ZHANG X G，ROMZEK M，MORGAN C.3-D numerical study ofmixing characteristics of NH3in front of SCR［C］／／Powertrain＆Fluid Systems Conference.Toronto：SEA，2006.

［5］GRETTAW J，GREENHUT D.The design and operation of the unit 1 SCR at the CP＆L Roxboro Plant［C］／／Electric Power Conference.Houston：EPRI，2003.

［6］王松岭，董建勋，李辰飞，等.火电厂SCR烟气脱硝反应器设计方法研究［J］.中国电机工程学报，2005，25（25）：289-293.

［7］赵宗让.电厂锅炉SCR烟气脱硝系统设计优化［J］.中国电力，2005，38（11）：69-72.

［8］张彦军，高翔，骆仲泱，等.SCR脱硝系统入口烟道设计模拟研究［J］.热力发电，2007（1）：15-17.

（本文责编：刘芳）

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：1674-1951（2015）04-0064-03

曹玮（1984—），女，山东兖州人，工程师，工学硕士，从事电厂节能环保设计等方面的工作（E-mail：170764736＠qq. com）。

2014-10-13；

2014-12-20