火电厂SCR反应器脱硝性能数值模拟研究

张鹏，周俊杰

（郑州大学化工与能源学院，河南郑州，450001）



火电厂SCR反应器脱硝性能数值模拟研究

张鹏，周俊杰

（郑州大学化工与能源学院，河南郑州，450001）

摘要：脱硝反应器是SCR脱硝技术的关键设备之一，脱硝反应器的脱硝性能好坏将直接影响到火电厂烟气是否能达到环保排放标准。本文利用多物理场耦合软件对脱硝反应器内部的流场以及浓度场进行了数值模拟研究，同时考虑了化学反应的相关影响。研究结果表明：脱硝反应器的脱硝效率为76.73％，氨逃逸率为22.81％。

关键词：SCR；化学反应；数值模拟；多孔介质

引言

氮氧化物（NOX）不仅会对人体健康产生直接的危害，而且还会与大气中一些成分反应形成酸雨和光化学烟雾，造成了巨大的环境污染和经济损失[1]。近年来，国家加大了对NOX控制的力度，新修订的国家标准《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）进一步加强了氮氧化物（NOX）的排放限值。规定在第三时间段内燃煤锅炉氮氧化物（NOX）的最低排放标准为50mg ·Nm-3[2]。因此，各大电厂、水泥厂等都开始加大了安装烟气脱硝装备的资金投入。SCR烟气脱硝技术——由于具有较高的脱硝效率以及良好的经济适用性，目前已经成为了各大型燃煤电厂烟气脱硝的首选。

目前，火电厂SCR脱硝反应器的研究主要集中于反应器内部流场以及催化剂的催化性能。其中，多数学者通过数值模拟和实验的方法考核脱硝反应器内部流场均匀性以及各组分物质浓度均匀性，对脱硝反应器结构，如导流板、整流格栅、喷氨格栅，进行优化研究，以期得到均匀的流场和浓度场从而提高反应装置的脱硝效率[3-7]；一部分学者利用通过实验研究催化剂对反应的影响得出的化学反应方程参数，然后进行数值模拟研究，从理论上对反应机理进行阐述[8-12]。影响脱硝装置脱硝性能的主要因素为烟气在催化剂层表面的速度均匀性分布和浓度均匀性分布，而考察烟气脱硝装置的脱硝性能主要为烟气脱硝率和氨气逃逸率[13]。

由于SCR脱硝反应装置涉及到流动、传热、组分输运以及化学反应，大部分学者数值模拟研究脱硝装置时没有考虑化学反应[14]。本文通过多物理场耦合软件在考虑化学反应条件下，对SCR反应器内部流场和温度场的分布规律进行了研究，并考察了脱硝装置的脱硝效率和氨逃逸率。

1　物理模型以及边界条件

1.1物理模型

本文以某厂新建600MW火电机组配套下冲火焰W型无烟煤燃烧锅炉为研究对象，其烟气密度为0.6098kg/m3，运动粘度为5.91×10-5m2/s。具体SCR烟气各组分浓度参数为下表1。脱硝反应器以纯氨作为还原剂，SCR脱硝反应器长12.0m，宽10.0m,高29m，导流板间距为1m，导流板安装倾角分别为45度和15度，反应器中催化剂设置为2+1层[14]，其中两层为催化剂层，1层为预留层。计算几何模型结构参数如图1，规则区域采用六面体网格，在喷氨格栅和导流板不规则区域采用四面体网格，网格划分效果如图2所示，网格节点数为120万，考虑实际物理场分布，对网格进行局部区域加密。

SCR烟气设备的设计参数如表1所示。

表1　SCR烟气设备的设计参数

图1　脱硝反应器几何模型

图2　模型网格划分

2　数学模型

烟气密度为0.6098kg/m3，运动粘度为5.91 10-5m2/s，烟气流速8m/s，喷氨速度为10m/s。SCR反应器内部主要涉及湍流流动（Re为3.2×105）、物质输运、传热以及化学反应，是一种相对复杂的多物理场耦合问题。利用多物理场耦合软件中的k-ε模型模拟烟气在反应器内部的流动，稀物质传递描述烟气中各组分在反应器内部的流动与扩散，通过改变物质传输运方程中的源项Sm来描述化学反应对温度场以及浓度场的影响。

2.1守恒方程

（1）质量守恒方程

式中：i表示坐标轴方向；ρ表示密度；ui表示第i方向上的速度矢量。

（2）动量方程

式中：当i=j时，δij=1；当i≠j时，δij=0。μ为动力粘度；p表示压强；

（3）能量方程

式中：T为温度；cv为定热比热容；φ为内部热源。

（4）组分方程

式中：Ym为第m种物质的体积浓度；Jm为第m种物质的质量扩散量；Sm为系统内部化学反应所产生的该组分的量。

（5）多孔介质

催化剂是脱硝装置的核心部分，本模型采用的是蜂窝状催化剂，考虑到计算机的性能，本研究采用多孔介质代替蜂窝状催化剂以模拟催化剂层所带来的阻力特性，多孔介质的阻力特性为：

式中：i是坐标轴方向；a是介质渗透系数；C2为内部阻力因子；Δm为介质厚度。

2.2湍流方程

2.3反应方程

（6）选择催化还原法脱硝的主要原理：将还原剂（氨，烃类等）喷入烟气中，使其在反应器内充分混合，并在催化剂的作用下将氮氧化物还原成氮气和水。其主要反应式为[15]。

依据Eley-Rideal反应机理，反应速率方程为[16]：

2.4边界条件

研究中考虑到烟气和氨气混合的流速远小于音速，认为烟气是不可压缩的，常物性流体[17]。烟气和氨气入口采用速度进口边界条件，速度大小分别为8 m/s和10 m/s，温度分别为550K和325K。出口设置为压力出口，相对压力设置为0。其余壁面采用无滑移绝热壁面边界条件[18]。

2.5评价方法

研究中脱硝反应器的脱硝性能主要采用脱硝效率和氨逃逸率来进行评价[19]。脱硝效率和氨逃逸率公式定义如下：

其中x0为氨氮比，本文中取1.2。

3　模拟结果及分析

3.1速度分布

图2所示为脱硝反应器内部速度场分布云图；图3为脱硝反应器内部速度矢量图；

图3　脱硝反应器内部速度场云图

图4　脱硝反应器内部速度矢量图

从图3和图4中可以看出，烟气经烟道口在导流板的作用下进入反应器，由于惯性的作用，烟气在导流板上方由于通道较窄，速度急剧增大，经导流板倒流作用进入脱硝反应器主体内部，在靠近反应器近壁侧形成了局部漩涡，且脱硝反应器主体的远壁侧处速度较大，最大烟气流速为20m/s。烟气在进入催化剂层表面时由于催化剂层阻力的存在，烟气的速度逐渐降低，在反应器远壁侧降低较为明显。

3.2压力和温度分布

反应器内部压力损失对与脱硝反应器的整体运行以及锅炉的正常运行都至关重要。较高的压力损失会加剧催化剂层的磨损，导致脱硝反应器脱硝性能下降。图4为脱硝反应器内部压力分布云图。

图5　脱硝反应器压力分布云图

图6　脱硝反应器温度分布云图

由图5可以看出，脱硝反应器内部压力分布较为均匀，脱硝反应器整体压力损失为367Pa，能够满足规范中不超过1000Pa要求，其中催化剂层的压力损失为主要的压力损失，约为250Pa。由图6可知，在喷氨处由于喷入氨的温度为325K，与烟气混合后反应器内部整个温度场变化较小，为烟气的温度550K，催化剂内部靠近远壁侧由于反应热的影响低于靠近近壁侧处。

3.3催化剂内部分析

脱硝反应主要发生在反应器的催化剂层，催化剂内部反应的好坏直接影响到脱硝反应器的脱硝性能。

图8　催化剂层内部NO浓度分布

由图7中可以看出在刚进入催化剂反应层的远壁侧处NH3的分布浓度较高，随着反应的进行，NH3浓度逐渐降低；图8中也可以看出随着反应的进行NO浓度逐渐降低，在靠近反应器近壁侧由于NH3的浓度较低，NO浓度在靠近反应器远壁侧的降低速率要高于近壁侧。

3.4脱硝性能

脱硝反应器的性能主要体现在较高的脱硝效率以及较低的氨逃逸率。根据计算结果出口NO平均浓度为6.98×10-7mol/m3，NH3出口平均浓度为8.21×10-7mol/m3，计算出脱硝反应器的脱硝效率为76.73％，氨逃逸率为22.81％。

4　结束语

本文利用多物理场耦合软件建立了SCR脱硝反应器的三维模型，对其内部的流动和传热传质进行了模拟研究。研究结果表明：（1）速度和浓度在反应器远壁侧的分布较大，在近壁侧分布的速度较小；（2）脱硝反应器的脱硝效率为76.73％，氨逃逸率为22.81％。研究结果对实际工作具有一定参考价值。

国家自然科学基金（No.51276173）。

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张鹏，硕士研究生，化工机械专业。研究方向：传热传质与化学反应。

E-mail:zhangpengxing1991@163.com

周俊杰(1974-)，通讯作者，副教授，研究生导师，长期从事计算机辅助工程、计算流体与数值传热、计算化学与节能减排等方面的教学与科研工作。

E-mail:zhoujunjie2008@163.com

Numerical Simulation on the Performance of SCR Denitration Reactors in Thermal Power Plant

Peng Zhang,Junjie Zhou
(Chemical and Energy Engineering School of Zhengzhou University,Zhengzhou,450001,China)

Abstract:Denitrification reactor is one of the key equipments of the SCR denitrification technology.The performance of denitrification reactors will directly decidea that the flue gas of the thermal power plant can reach the standard of environmental protection or not.In this paper,the numerical simulation of the flow field and concentration field in the denitrification reactor is carried out by using the multi physical field coupling software.The results showed that the efficiency of denitrification was 76.73％,and the escape rate of ammonia was 22.81％.

Key words:SCR;Chemical reaction;Numerical simulation;Porous

作者简介：

基金项目：

DOI:工业技术创新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.003

中图分类号：TK09

文献标识码：A

文章编号：2095-8412(2016)01-644-06