應用(yòng)CFD技(jì )術優化SCR脫硝系統的流場

目前燃煤電(diàn)廠煙氣脫硝以高效的選擇性催化還原脫硝(SCR)技(jì )術為(wèi)主。截止到2016年，我國(guó)燃煤電(diàn)站SCR脫硝裝(zhuāng)置的安(ān)裝(zhuāng)率超過85%。在超低排放的要求下，已有(yǒu)脫硝系統普遍采用(yòng)的提效措施是改善流場、加強混合效果，并加裝(zhuāng)第三層催化劑(原設計2層)。

　　我公(gōng)司可(kě)通過合理(lǐ)的導流闆、整流格栅、噴氨格栅、混合器的設計，提高催化劑入口煙氣流速均勻性、氨氣分(fēn)布均勻性、降低整體(tǐ)系統阻力。CFD技(jì )術在整個過程中(zhōng)發揮重要作(zuò)用(yòng)。

CFD是Computational Fluid Dynamics的簡稱，中(zhōng)文(wén)全稱為(wèi)：計算流體(tǐ)動力學(xué)。CFD 模拟就是通過計算機數值計算和圖像顯示, 對包含有(yǒu)流體(tǐ)流動和熱傳導等相關物(wù)理(lǐ)化學(xué)現象的系統所做的分(fēn)析。CFD 的基本思想可(kě)以歸結為(wèi): 把原來在時間域及空間域上連續的物(wù)理(lǐ)量的場, 如速度場和壓力場, 用(yòng)一系列有(yǒu)限個離散點上的變量值的集合來代替, 通過一定的原則和方式建方起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組, 然後求解代數方程組獲得場變量的近似值。市場上主流的CFD軟件的分(fēn)類有(yǒu)：

CFD技(jì )術在SCR脫硝系統的應用(yòng)

　　1 優化分(fēn)析的目的

　　在SCR系統設計中(zhōng)使用(yòng)CFD軟件，能(néng)實現下述的設計目的：

　　1) 研究煙氣流動情況優化煙氣流場，确定最佳設計外形、最佳内容布置方式;

　　2) 确定噴氨格栅及混合裝(zhuāng)置的形式、位置，保證氨的混合均勻性;

　　3) 檢驗和預測系統壓力損失，保證壓降最小(xiǎo)化;

　　4) 優化煙氣溫度場、速度場分(fēn)布;

2 模拟範圍的選取原則　　

常規情況下，對于火電(diàn)廠燃煤鍋爐而言，SCR脫硝裝(zhuāng)置的布置在省煤器與空預器之間，之所以在這個位置居多(duō)，原因是這段煙溫處于脫硝催化劑的活性溫度範圍。

　　在進行CFD模拟的時候，所選型的模型範圍也是自省煤器出口至空預器進口。省煤器出口作(zuò)為(wèi)模型入口邊界，空預器進口作(zuò)為(wèi)模型出口邊界。

　　3 模拟分(fēn)析的大緻過程

　　選取模型後，通過三維建模、網格劃分(fēn)、邊界條件設置和計算模型選取，最後經過數值求解得到我們需要的可(kě)視化的圖像結果。大緻過程如下圖：

計算結束後，我們可(kě)以獲取整個計算模型内部任何位置的煙氣流速、煙氣方向、氨氣濃度、溫度、壓力等等數據!

　　在所有(yǒu)位置裏，我們最最關心的是催化劑表面這個位置，此處的煙氣流速均勻性、氨氣濃度均勻性對脫硝效率、催化劑磨損、控制氨逃逸起到決定性作(zuò)用(yòng)。

速度均勻意味着通過催化劑層每個孔道的煙氣流經時間是一緻的，不會出現個别孔道通過時間較快未反應完全且磨損嚴重的情況。

　　濃度均勻意味着通過催化劑每個孔道氨氮比是一緻的，否則則會出現，氨氮比高的孔未反應掉的氨氣逃逸，氨氮比低的孔NOx未被脫除完全。

4 SCR脫硝優化的定量目标

其中(zhōng)，速度相對标準偏差，對于超低排放來說建議設定更低：<10%。

　　 如果結算結果的數據不滿足上述要求，可(kě)以通過調整煙道的布置方式，導流闆整流格栅的修改來對煙氣流場進行優化。大多(duō)數情況對流場的優化主要是導流闆、整流格栅這些内部結構，尤其對于改造項目很(hěn)多(duō)煙道的布置方式隻能(néng)由現場情況決定。但是好的煙道外形設計是流場優化的先天優勢。

從流場優化的角度，SCR煙道反應器設計注意事項

　　1、避免噴氨格栅上遊與傾斜的煙道出口過于臨近。這樣會造成噴氨格栅上遊流速偏差過大，難以控制氨的混合均勻性。對于條件受限不得不采用(yòng)這種設計的項目，建議在煙道轉彎段的進出口均布置導流闆，降低煙氣流速的偏差。如下圖：

2、避免豎直煙道與反應器設計過近;煙氣從豎直煙道到反應器最好通過兩個90°彎頭來過渡，煙道與反應器過于靠近相當于一個180°轉彎，流場難以均布;對于條件受限不得不采用(yòng)這種設計的項目，建議采用(yòng)改變煙道上部走勢的特殊處理(lǐ)。如下圖：

3、反應器後側頂闆與整流格栅不建議留有(yǒu)空間，會造成反應器後側煙氣流速過高。如下圖：

對于此處已設計留有(yǒu)空間的項目，建議停爐改造期間檢查頂層催化劑磨損情況。如發現反應器後側的催化劑磨損嚴重，可(kě)通過在反應器上部布置導流闆對流場進行優化調整。

　　4、不建議催化劑備用(yòng)層預留在最上層。如下圖：

這種預留上層的布置方式，要特别注意上層支撐梁的積灰問題，大塊的積灰落下對下面催化劑來說是緻命的。對于已采用(yòng)催化劑預留在上層的項目，建議停爐檢修期檢查上層支撐梁兩側是否有(yǒu)積灰，檢查支撐梁下方的催化劑有(yǒu)無堵灰，強烈建議對預留層支撐梁兩側進行密封。

　　5、模型盡量建立完全，反應器出口之後的優化雖對脫硝效率沒影響，但對下遊的空預器有(yǒu)影響，空預器進口煙氣流速偏差過大将對空預器換熱效果造成影響。一個反面的案例如下：

導流闆的布置的建議

　　在不具(jù)備CFD優化分(fēn)析的條件下，也需要設置導流闆，可(kě)以參考以下的布置方式：

在具(jù)備CFD優化分(fēn)析的條件下，可(kě)以以上述方法作(zuò)為(wèi)第一版計算結果，然後根據項目特征進行針對性優化調整。