SCR脱硝反应器入口优化与仿真模拟

欧文剑*

（大唐湘潭发电有限责任公司）

0 引言

氮氧化物是燃煤电厂锅炉燃烧后生成的燃烧产物之一，对环境的危害非常大，也是产生酸雨的元凶之一，当前我国的氮氧化物环境容量已经接近饱和[1]，因此，研究和推广效率更高的燃煤电厂脱硝控制方法十分必要。

在SCR 锅炉烟气的脱硝反应过程仿真研究方面，国内的研究人员通过数值计算对入口烟道的流场、温度分布、浓度分布展开了相关的研究工作。刘清雅等[2]用CFD 计算软件对某600MW 锅炉的SCR 脱硝装置进行了数值计算仿真，结果发现，还原剂氨在双层喷氨格栅布置情况下比单层喷氨格栅布置分布得更加均匀，烟道导流板数量增加更有助于流场的优化，同时这两种方法又会导致反应器沿程的阻力增加。

把湖南某电厂600 MW 锅炉SCR 烟气反应器装置作为研究对象，对该装置投产以来的实际生产情况以及运行中存在的问题进行调查总结和分析，将几个典型的工况下以及不同的结构参数情况下采用 Fluent软件对该 SCR 反应器装置开展模拟实验， 最终提出该装置的结构优化。

1 S CR反应器的工艺结构与实际生产中的问题

该厂SCR 工艺布置方式为常用的高尘布置，也就是安装在省煤器之后与空预器之前的烟道上。而经过过热器、再热器以及省煤器之后的烟气温度基本为300～420 ℃，无需再对反应器的烟气进行加热，常见的SCR 催化剂在该温度区间的催化活性和效果也是最佳的，同时设备的安全性和经济性能也能得到保障[3]。其工艺流程图如图1 所示。

图1 SCR烟道布置及工艺流程图

烟气从省煤器出来经过SCR 反应器时，由于导流板喷氨喷嘴结构等设备设计的影响，氨以及氮在各层的催化剂截面处不能很好地混合在一起，从而导致催化剂局部区域氨逃逸值相对过大。氨从截面处逃逸出来后与氧化生成的三氧化硫进一步发生反应，而生成一种极易附着在空预器冷端的液态产物，即硫酸氢铵。当硫酸氢铵附着在空预器冷端的时候，往往会将烟气中的灰尘吸附在一块，使空预器的换热构件处聚集了大量灰垢，这不仅会导致空预器换热效果变差，更有可能会引起空预器发生堵塞，甚至危害锅炉安全运行[4]。

2 建立SCR反应器内烟气流场的模型

针对烟气在烟道内流动特点，选择 双方程模型对连续相的湍流过程进行仿真；针对SCR 反应器中的催化剂结构，选取多孔介质模型来描述和跟踪流动情况[5]； SCR 脱硝系统中含有烟气和氨气以及其他物质等等，且各种成分都混合在烟气中，因此选择混合物的组分传输模型来模拟[6]；对控制方程组求解时需进行必要的离散化，选择Fluent 软件有限体积法进行离散，并通过二阶迎风格式求取差分方程组。选择省煤器的出口到SCR 装置的出口中间烟道处进行模拟，该系统的几何模型如图2 所示。SCR 反应器装置的接口处的尺寸为3.64 m×12.02 m，喷氨段烟道处的尺寸为3.65 m×l2.02 m，喷氨格栅设定是喷氨段烟道入口处垂直方向4.6 m 处；每层的催化剂尺寸为11.60 m×1.062 m×12.02 m，每相邻两层催化剂间净距离为2.75 m。反应器本体的位置离喷氨格栅处烟道的横向距离为1.48 m，脱硝装置的厚度(Z 轴方位)为12.02 m。

图2 SCR反应器及入口烟道的几何结构模型

燃烧生成烟气从竖井烟道经过省煤器出口，流向SCR 的入口烟道，进而通过SCR 反应器中的催化剂，烟气的成分是由各种其他物质组成，各种物质的体积分数详见表2，在集中典型的负荷下烟气进口的流量和温度如表3 所示。根据表2 及表3 中的参数可以定义材料及边界条件。

表2 省煤器出口烟气成分（体积分数） %

表3 锅炉典型负荷SCR反应器进口烟气流量和温度值

3 S CR反应器的仿真计算及流场优化

3.1 未加导流板时的反应器及入口烟道模拟

未加导流装置的SCR 脱硝装置中沿宽度中心截面位置的速度云图可见图3。由图3 可以看出，烟道内气体速率分布很不均匀，反应器的左边区域烟气分布较少，速率偏低，而在喷氨格栅的局部区域气体速率竟然高达23.6 m/s，并且脱硝装置的进口区域的烟气流场很不均匀，左侧和右侧部位的速率差别比较大，而且居中的部位还存在旋涡。

图3 未加导流装置的SCR系统速度云图

3.2 加装导流板后的反应器及入口烟道模拟

通过研究，在SCR 反应器前面装设各种形状和一定数量的导流板，可以使两侧的烟气流速差减小,烟气流场更加均匀。经过多次试验和摸索,选择在入口烟道的2 个转角处设定几块相同厚度的导流板，使烟气在喷氨格栅前维持良好的流场效果，装设导流板后的SCR 反应器结构图和速度云图如图4 所示。

图4 装设导流装置后的SCR反应器及入口烟道速度云图

装设合适的导流装置以后，SCR 反应器中的烟道内的流速已经趋于均匀，流速偏差大大减小，从图 4 中可以看出，烟气流动的沿程阻力也下降了不少，这样可以有效降低磨损的风险。提取速度云图中的参数计算后可知，在反应器对称中心的界面上的速率偏差仅仅为5.44%，相较之前未安装导流装置时，流场均匀性有了较大提高。由图 4 还可以看出，反应器催化剂最上部分处的速度流场仍然很不均匀，沿X轴方向的气体速率呈增大趋势，通过提取数据，算得最大的速率偏差系数是30.18%，偏差还是比较大，需要进一步优化烟道的结构。

3.3 设置整流格栅后的反应器入口烟道模拟

为了使脱硝反应器的垂直烟道处烟气流场更加均匀，在该装置的最上层催化剂上部，也就是垂直烟道的进口部位设置整流格栅结构，合理设置整流格栅能使烟气流速偏差更小，试验多次之后，确定相邻的整流板距离为300 mm，整流板的高度为200 mm 时，烟道优化的效果最好，图5 为整流后的SCR 反应装置的速度云图。

图5 设置整流装置后的SCR反应器速度云图

由图5 可知，装设整流装置以后，垂直烟道沿水平方向的烟气速度偏差明显减少，经过计算得出最大的速率偏差系数为Cr=9.03%，跟之前未设置整流格栅的反应器流场相比改善了不少。

3.4 不同负荷下的CSR反应器流场模拟

为了更加深入研究通过进口烟道优化后的流场效果，提取实际运行中设备负荷为450 MW，240 MW的工况参数，对SCR 反应器进口烟道的流场开展模拟研究。机组上述负荷时反应器的参数如表4 和表5所示。

表4 集中典型工况下SCR反应器进口介质数据（实际运行测得）

表5 不同负荷时SCR反应器进口介质成分（体积分数） %

3.4.1 SCR反应器及入口烟气流场仿真研究

由图6 可以得出3 种不同工况下的SCR 反应器流场参数指标，详见表6。

图6 不同负荷情况下催化剂进口处速度云图

表6 SCR反应器变不同负荷下的流场数据

由3 种不同负荷的流场参数结果可知，由于设备负荷降低，SCR 进口烟道处以及最上部催化剂进口处的速率减小，并且位于喷氨格栅处和反应器最上部的催化剂进口部位的速率偏差系数值相差却很小，这说明虽然机组的工况变化比较大，但是烟气速率偏差相差不大。

3.4.2 烟气与氨混合模拟结果研究

从图7 和表7 可以看出，由于设备负荷不同，SCR 脱硝装置催化剂进口出氨的平均质量组分相差并不大，而且速度偏差也差不多。通过模拟结果分析可知，工况改变后，反应器的进口烟道以及催化剂进口烟气的流速也随之改变，反应器内烟气的沿程阻力也会发生改变，但喷氨格栅处及催化剂进口处的速度相差较小，小于10%。因此由额定负荷设计的SCR反应器及入口烟道结构在锅炉工况不同的情况下也能得到优良的流场和浓度场。

图7 不同负荷时混合结果

表7 SCR反应器进口截面（X=10 m）处氨的浓度分布

4 结语

（1）经过对SCR 反应器及入口烟道的烟气进行CFD 数值模拟，提出了具体的结构优化措施，并且验证了合理布置导流装置和整流装置能够使反应器内部的烟气流场更加均匀，从而满足设计要求的速度偏差。

（2）在烟道两个拐角处设置导流板可以明显改善催化剂上游的氨浓度场以及烟气速度场，并且经过优化结构分布后将氨浓度的相对偏差由10%以上降到5%以下。

（3）在SCR 反应器垂直烟道的催化剂最上部设置一定间距的整流装置对消除左右两侧的烟气流场偏差具有明显的作用，虽然加了整个系统的阻力增，但是影响并不大；同时安装直板的整流格栅工序简单，安装成本低且工艺要求不高。

（4）使用CFD 软件分别对几种典型负荷下催化剂以及喷氨格栅处烟气流场的均匀性进行分析，研究结构优化后的SCR 反应器及入口烟道处的系统阻力以及流场均匀性之间的关系。结果表明，虽然烟气流动阻力有所增加但是仍然能够满足设计要求，同时流场均匀性提高显著，这对于解决下游的空预器堵塞问题具有较大的意义。