基于SolidWorks Flow Simulation SCR脱硝装置流场分析

安徽中杰 王坤

一、前言

随着我国大气污染排放标准中NOx排放限值调整为100mg/m3以及脱硝电价的实施，采用选择催化还原（SCR）技术的脱硝系统已成为多数电站锅炉的配套设施，脱硝系统可靠运行的重要性也日益凸显。

二、SCR脱硝原理

选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在催化剂的作用下，利用还原剂（如NH3）“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。选择性是指在烟气脱硝过程中烟气脱硝催化剂有选择性地将NOx还原为氮气，而烟气中的SO2极少地被氧化成SO3。这就叫选择性在不添加催化剂的条件下，氨与氮氧化物的化学反应温度为900℃，如果加入氨，部分氨会在高温下分解。如果加入催化剂，反应温度可以降低到320～400℃。催化剂一般选用TiO2为基体的V2O5和WoO3混合物；具体配方根据烟气参数确定。

1.SCR脱硝反应

SCR脱硝系统是向催化剂上游的烟气中喷入氨气或其它合适的还原剂、利用催化剂将烟气中的NOX转化为氮气和水。在通常的设计中，使用液态无水氨或氨水（氨的水溶液），无论以何种形式使用氨，首先使氨蒸发，然后氨和稀释空气或烟气混合，最后利用喷氨格栅将其喷入SCR反应器上游的烟气中。在SCR反应器内，NO通过以下反应被还原：

4NO+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

当烟气中有氧气时，反应第一式优先进行，因此，氨消耗量与NO还原量有一对一的关系。

在锅炉的烟气中，NO2一般约占总的NOX浓度的5%，NO2参与的反应如下：

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

上面两个反应表明还原NO2比还原NO需要更多的氨。

在绝大多数锅炉的烟气中，NO2仅占NOX总量的一小部分，因此NO2的影响并不显著。

SCR系统NOX脱除效率通常很高，喷入到烟气中的氨几乎完全和NOX反应。有一小部分氨不反应而是作为氨逃逸离开了反应器。一般来说，对于新的催化剂，氨逃逸量很低。但是，随着催化剂失活或者表面被飞灰覆盖或堵塞，氨逃逸量就会增加，为了维持需要的NOX脱除率，就必须增加反应器中NH3/NOX摩尔比。当不能保证预先设定的脱硝效率和（或）氨逃逸量的性能标准时，就必须在反应器内添加或更换新的催化剂以恢复催化剂的活性和反应器性能。从新催化剂开始使用到被更换这段时间称为催化剂寿命。

2.SCR系统组成及反应器布置

SCR反应器在锅炉烟道中一般有三种不同的安装位置，即热段/高灰布置、热段/低灰和冷段布置。

（1）热段/高灰布置：反应器布置在空气预热器前温度为350℃左右的位置，此时烟气中所含有的全部飞灰和SO2均通过催化剂反应器，反应器的工作条件是在“不干净”的高尘烟气中。由于这种布置方案的烟气温度在300～400℃的范围内，适合于多数催化剂的反应温度，因而它被广泛采用。

（2）热段/低灰布置：反应器布置在静电除尘器和空气预热器之间，这时，温度为300～400℃的烟气先经过电除尘器以后再进入催化剂反应器，这样可以防止烟气中的飞灰对催化剂的污染和将反应器磨损或堵塞，但烟气中的SO3始终存在。采用这一方案的最大问题是，静电除尘器无法在300～400℃的温度下正常运行，因此很少采用。

（3）冷段布置：反应器布置在烟气脱硫装置（FGD）之后，这样催化剂将完全工作在无尘、无SO2的“干净”烟气中，由于不存在飞灰对反应器的堵塞及腐蚀问题，也不存在催化剂的污染和中毒问题，因此可以采用高活性的催化剂，减少了反应器的体积并使反应器布置紧凑。当催化剂在“干净”烟气中工作时，其工作寿命可达3～5年（在“不干净”的烟气中的工作寿命为2～3年）。这一布置方式的主要问题是，当将反应器布置在湿式FGD脱硫装置后，其排烟温度仅为50～60℃，因此，为使烟气在进入催化剂反应器之前达到所需要的反应温度，需要在烟道内加装燃油或燃烧天然气的燃烧器，或蒸汽加热的换热器以加热烟气，从而增加了能源消耗和运行费用。

对于一般燃油或燃煤锅炉，其SCR反应器多选择安装于锅炉省煤器与空气预热器之间，因为此区间的烟气温度刚好适合SCR脱硝还原反应，氨被喷射于省煤器与SCR反应器间烟道内的适当位置，使其与烟气充分混合后在反应器内与氮氧化物反应，SCR系统商业运行业绩的脱硝效率约为70%～90%。

三、SCR系统组成

SCR系统的主要设备包括：（1）反应器/催化剂系统，主要设备：反应器、催化剂、吹灰器。（2）烟气/氨的混合系统，主要设备：稀释风机、静态混合器、氨喷射格栅（AIG)、空气/氨混合器。（3）氨的储备与供应系统，主要设备：卸料压缩机、氨蒸发器（电/蒸汽）、氨罐、缓冲罐、稀释槽。（4）烟道系统，主要设备：挡板（有旁路）、膨胀节、导流板、烟道。（5）SCR的控制系统，主要设备：DCS、PLC、仪表和盘柜等。

四、SCR脱硝装置流场的数值模拟

SCR装置中气流场均匀分布对催化反应有着十分重要的影响，因此需要修改导流板位置，不断地优化气流场分布的均匀，为提高工作效率采用SolidWorks Flow Simulation作为分析工具。

烟道口的空气入口边界条件为5m/s。为了提高真实性，SCR模型采用1∶1的结构比例。结构图如图1所示。

图1

五、Solidworks Flow Simulation中操作过程

（1）设置分析向导，在向导中设置CFD分析的单位，流体材料的选择，以及相关流域的设定，如图2所示。

图2

（2）边界条件的设置，可设定速度入口、质量流入口、出口速度等等，可根据需要设定，这里设定速度入口为5m/s，出口定义为压力出口，默认环境压力，如图3所示。

（3）定义收敛目标，如图4所示。

图3

图4

（4）网格划分，网格可智能划分，也可以根据需要手动划分，如图5所示。

图5

（5）计算求解，如图6所示。

图1

六、SolidWorks Flow Simulation优化结果

经过大量的调整导流板的位置得到最终的优化结果，如下图所示SCR脱硝装置的气流场速度分析分布。如图7所示为气流场速度分布图。

图7

七、结语

针对SCR脱硝装置气流场均匀性分布，SolidWorks Flow Simulation有着高效的工作效率，在较短的时间内可以完成气流场均匀性的分布。