流场模拟在脱硝系统超低排放中的应用

韩娟娟，沈雷

（秦皇岛市清青环保设备有限公司，河北 秦皇岛 066000）

1 CFD简介

CFD（Computational Fluid Dynamics的简称，中文全称为：计算流体动力学）模拟是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理化学现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场, 如速度场和压力场, 用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替, 通过一定的原则和方式建立关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组, 然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD软件主要是指Fluent软件。Fluent自1983年问世以来，已广泛应用于航空航天、旋转机械、航海、石油化工、汽车、能源、计算机/电子、材料、冶金、生物、医药、环保等领域。本文主要从工程应用的角度，介绍CFD技术在SCR脱硝流场优化上的应用，并结合实际案例，对脱硝系统的优化设计提出建议。

2 CFD技术在SCR脱硝系统的应用

2.1 优化分析的目的

在SCR系统设计中使用CFD软件，能实现下述设计目的：1）研究烟气流动情况优化烟气流场，确定最佳设计外形、最佳内容布置方式；2）确定喷氨格栅及混合装置的形式、位置，保证氨的混合均匀性；3）检验和预测系统压力损失，保证压降最小化；4）优化烟气温度场、速度场分布。

2.2 模拟范围的选取原则

常规情况下，火电厂燃煤锅炉的SCR脱硝装置大多布置在省煤器与空预器之间，在这个位置布置居多的原因是：这段烟温处于脱硝催化剂的活性温度范围。

在进行CFD模拟的时候，所选型的模型范围也是自省煤器出口至空预器进口。省煤器出口作为模型入口边界，空预器进口作为模型出口边界。

2.3 模拟分析的大致过程

选取模型后，通过三维建模、网格划分、边界条件设置和计算模型选取，最后经数值求解得到需要的可视化的图像结果。大致过程见图1。

图1 SCR脱硝系统流场计算的过程

计算结束后可获取整个计算模型内部任何位置的烟气流速、烟气方向、氨气浓度、温度、压力等数据。在所有的位置里，最关键的是催化剂表层，因为此处的烟气流速均匀性、氨气浓度均匀性对脱硝效率、催化剂磨损、控制氨逃逸起决定性作用。SCR脱硝的化学原理见图2。

图2 SCR脱硝的化学原理

速度均匀意味着通过催化剂层每个孔道的烟气流经时间是一致的，不会出现个别孔道通过的时间较快未反应完全且催化剂磨损严重的情况。浓度均匀意味着通过催化剂每个孔道的氨氮比是一致的，否则会出现氨氮比高的孔未反应掉的氨气逃逸，氨氮比低的孔NOx未被脱除完全。

2.4 SCR脱硝优化的定量分析目标

CFD研究最低规范标准见下表。其中，速度相对标准偏差，对于超低排放来说建议设定更低（〈10%）。如计算结果的数据不能满足上述要求，可以通过调整烟道的布置方式及修改导流板整流格栅来对烟气流场进行优化。对流场的优化主要是导流板、整流格栅这些内部结构，尤其对于改造项目很多烟道的布置方式只能由现场情况决定。但是好的烟道外形设计是流场优化的先天优势。

CFD研究最低规范标准表

2.5 从流场优化的角度，SCR烟道反应器设计应注意的事项

（1）避免喷氨格栅上游与倾斜的烟道出口过于临近，过于临近会造成喷氨格栅上游流速偏差过大，难以控制氨的混合均匀性。对于条件受限不得不采用这种设计的项目，建议在烟道转弯段的进出口均布置导流板，降低烟气流速的偏差，见图3。

图3 SCR脱硝工程（A）导流板布置图

（2）避免竖直烟道与反应器设计的距离过近。烟气从竖直烟道到反应器最好通过两个90°弯头过渡，烟道与反应器过于靠近，就相当于一个180°转弯，流场难以均布；对于条件受限不得不采用这种设计的项目，建议采用改变烟道上部走势的特殊处理，见图4。

（3）反应器后侧的顶板与整流格栅不要留有空间，以避免反应器后侧的烟气流速过高，见图5。对于此处已设计留有空间的项目，建议停炉改造期间检查顶层催化剂磨损情况。如发现反应器后侧的催化剂磨损严重，可通过在反应器上部布置导流板对流场进行优化调整。

图4 SCR脱硝工程（B）导流板布置图

（4）催化剂备用层不要预留在最上层。因为这种布置方式，会导致上层支撑梁出现积灰问题，大块的积灰落下时，对下面的催化剂来说是致命的。对于已采用催化剂预留在上层的项目，建议停炉检修期检查上层支撑梁两侧是否有积灰，检查支撑梁下方的催化剂有无堵灰，强烈建议对预留层支撑梁的两侧进行密封。

图5 SCR脱硝工程（C）导流板及整流格栅布置图

（5）模型尽量建立完全。反应器出口之后的优化虽对脱硝效率没影响，但对下游的空预器会产生影响，空预器进口的烟气流速偏差过大，将对空预器的换热效果造成影响。

3 结论

CFD模拟结果为脱硝流场设计提供了保证，但烟气工况多变，建议在调试阶段对所有的SCR项目都进行喷氨优化调整试验，这对于保证脱硝效率和控制氨逃逸有重要意义。从目前脱硝行业的技术发展状况看，将来一段时间内SCR脱硝仍将是燃煤锅炉脱硝的主流技术。对于越来越严的排放标准，科学合理的流场设计对于工业领域的节能减排仍将发挥着重要作用。